CN215066284U - 一种具备多维动态感知功能的土体冻融装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及道路工程领域，特别是涉及一种具备多维动态感知功能的土体冻融装置。本实用新型所提供的土体冻融装置，包括土体容纳装置，土体容纳装置包括柱形的土体容纳腔，土体容纳腔中容纳有待测土体，土体容纳腔中还设有光纤测量装置和点式传感器，光纤测量装置包括延伸方向与土体容纳腔相匹配的光纤负载件和负载于光纤负载件上的可加热光纤，点式传感器在土体容纳腔中均匀分布，土体容纳腔的底部设有渗透层和碎石层，渗透层位于待测土体和碎石层之间，土体容纳腔中还设有荷载件，荷载件以重力作用于待测土体上，荷载件上还设有位移监测装置。本申请所提供的装置具有能够模块化安装、精准模拟、多维动态监测、多用途拓展、易于改装等优点。

Description

一种具备多维动态感知功能的土体冻融装置

技术领域

本实用新型涉及道路工程领域，特别是涉及一种具备多维动态感知功能的土体冻融装置。

背景技术

季节性冻土地区面积占我国国土面积53.5％，该类地区基础设施地基普遍经历冻融循环过程，导致土体强度衰减，使得地基出现不均匀变形，进一步引发边坡失稳、建筑物开裂等病害。土体低温冻结时，正冻土体内产生温度梯度，引起大量自由水向地基表面移动，冻结后形成冰晶体，加剧土体冻胀；高温融化时，土体内冻胀冰晶体消失，导致土体压实度和强度降低，削弱基础设施稳定性。

研究土体内部冻融循环过程中水热变化规律对保障季冻区基础设施安全具有重要意义。土体冻融为为水热力多物理场耦合作用，土体物理场存在时空梯度变化。目前，针对季冻区地基水-热变形场的综合试验尚不成熟，所使用的监测手段往往具有效率低、覆盖率低、布设成本高等缺点。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种具备多维动态感知功能的土体冻融装置，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型一方面提供一种具备多维动态感知功能的土体冻融装置，包括土体容纳装置，所述土体容纳装置包括柱形的土体容纳腔，所述土体容纳腔中容纳有待测土体，所述土体容纳腔中还设有光纤测量装置和点式传感器，所述光纤测量装置包括延伸方向与土体容纳腔相匹配的光纤负载件和负载于所述光纤负载件上的可加热光纤，所述点式传感器在土体容纳腔中均匀分布，所述土体容纳腔的底部设有渗透层和碎石层，所述渗透层位于待测土体和碎石层之间，所述土体容纳腔中还设有荷载件，所述荷载件以重力作用于待测土体上，所述荷载件上还设有位移监测装置。

在本实用新型一些实施方式中，还包括冷量提供装置，所述冷量提供装置与荷载件上方的土体容纳腔中的流体接触。

在本实用新型一些实施方式中，还包括水体提供装置，所述水体提供装置与碎石层流体连通，所述水体提供装置为恒压水体提供装置。

在本实用新型一些实施方式中，所述水体提供装置与碎石层的连通管道上设有流量计量装置。

在本实用新型一些实施方式中，包括多个点式传感器，各点式传感器之间的监测间距≥10cm。

在本实用新型一些实施方式中，所述渗透层的厚度≤0.1cm，最大通过粒径≤0.075mm。

在本实用新型一些实施方式中，所述土体容纳装置的外壁上还设有保温层。

在本实用新型一些实施方式中，还包括光纤解调装置和加热装置，所述光纤解调装置和加热装置分别与可加热光纤电连接；

和/或，还包括位移信息采集装置，所述位移信息采集装置与位移监测装置电连接；

和/或，还包括点式信息采集装置，所述点式信息采集装置分别与各点式传感器电连接。

本实用新型另一方面提供一种土体冻融的模拟方法，采用上述的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，包括：

S1)在碎石层中引入适量水体；

S2)将冷量引入荷载件上方的土体容纳腔中；

S3)收集可加热光纤和/或点式传感器和/或位移传感器的监测数据；

S4)根据步骤S3)所提供的监测数据，提供土体信息。

在本实用新型一些实施方式中，所述步骤S4)中，所述土体信息包括土体的含水率、土体的温度、土体的变形量中的一种或多种的组合。

附图说明

图1显示为本实用新型所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置的整体结构示意图。

图2显示为本实用新型所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置中的光纤测量装置的局部结构示意图。

元件标号说明

1 土体容纳装置

101 土体容纳腔

2 待测土体

3 光纤测量装置

301 光纤负载件

302 可加热光纤

303 光纤解调装置

304 加热装置

4 点式传感器

401 点式信息采集装置

5 渗透层

6 碎石层

7 荷载件

8 位移监测装置

801 位移信息采集装置

9 冷量提供装置

901 控温装置支架

902 控温装置保温层

903 压缩机

903 冷凝器

905 散热器

906 温度控制器

10 水体提供装置

11 保温层

具体实施方式

为了使本实用新型的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容容易地了解本申请实用新型的其他优点及功效。

本实用新型第一方面提供一种具备多维动态感知功能的土体冻融装置，包括土体容纳装置1，所述土体容纳装置1包括柱形的土体容纳腔101，所述土体容纳腔101中容纳有待测土体2，所述土体容纳腔101中还设有光纤测量装置3和点式传感器4，所述光纤测量装置3包括延伸方向与土体容纳腔101相匹配的光纤负载件301和负载于所述光纤负载件301上的可加热光纤302，所述点式传感器4在土体容纳腔101中均匀分布，所述土体容纳腔101的底部设有渗透层5和碎石层6，所述渗透层5位于待测土体2和碎石层6之间，所述土体容纳腔101中还设有荷载件7，所述荷载件7以重力作用于待测土体2上，所述荷载件7上还设有位移监测装置8。上述具备多维动态感知功能的土体冻融装置使用时，可以在碎石层中引入适量水体，并将冷量(持续)引入荷载件上方的土体容纳腔中，在合适重量的荷载件7以重力作用于待测土体2上以后，即可收集可加热光纤和/或点式传感器所提供的监测数据，并进一步根据所提供的监测数据，提供土体信息(例如，土体的含水率、土体的温度等)。

本实用新型所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置中，土体容纳装置1通常可以包括土体容纳腔101，由于实验中通常需要以荷载件7通过重力向待测土体2施加荷载，所以土体容纳腔101通常是直线延伸的柱形结构，而荷载件7的形状和大小则通常与土体容纳腔101的截面相配合，通常来说，荷载件7可以以合适的自由度在土体容纳腔101中上下移动，但是又可以基本上封闭待测土体2的上部空间、并与待测土体2充分接触，而其质量则通常取决于需要向待测土体2施加的荷载，例如，可以根据对应路基的应力水平确定，具体可以是～10kPa左右。土体容纳装置1和其包括的土体容纳腔101的具体形状、尺寸和材质等通常可以根据实验需要进行调整。例如，土体容纳腔101的截面的形状通常可以为长方形、圆形、椭圆形等，截面面积可以为1600cm²～3600cm²，土体容纳腔101的高度可以为100cm～200cm。再例如，土体容纳装置1的材质可以是金属(例如，钢材等)、有机玻璃等。土体容纳装置1的外壁上还可以额外设有保温层11等部件，从而可以进一步保证待测土体2中的温度环境的稳定性。合适的保温层通常具有较低的导热系数，例如，导热系数可以不大于0.025W·m^-1·K^-1，保温层11的材质可以为聚氨酯、真空隔热板、聚苯乙烯泡沫等材料。

本实用新型所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置中，还可以包括冷量提供装置9，所述冷量提供装置9与荷载件7上方的土体容纳腔101流体连通。冷量提供装置9通常可以用于提供冷源，冷量提供装置9通常可以与荷载件7上方的土体容纳腔101中的流体接触，从而形成热交换，达到控制土体冻融过程中土体顶部温度的效果。本领域技术人员可选择合适的冷量提供装置9以用于上述土体冻融装置，例如，冷量提供装置9通常可以包括压缩机、冷凝器、蒸发器等装置。

本实用新型所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置中，土体容纳腔101的底部可以设有渗透层5和碎石层6，渗透层5和碎石层6的存在主要是为了模拟地下水持水的状态。碎石层6中的碎石通常具有较大的颗粒，从而可以对待测土体2提供一定的支撑作用，还可以保证水在碎石层6中能够充分流动。例如，碎石层6中的碎石颗粒的粒径通常可以≥9.5mm，高度可以为≤5cm，碎石层6中所使用的碎石可以是卵石、透水石等。渗透层5则主要是用于防止上方土体下落进入碎石层6中，同时，水体通常可以相对比较自由地通过渗透层5，从而可以保证碎石层6中的水体可以与待测土体2充分接触。例如，渗透层5的厚度可以≤0.1cm，最大通过粒径可以≤0.075mm。

本实用新型所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置中，还可以包括水体提供装置10，水体提供装置10通常可以与碎石层6流体连通，水体提供装置10通常可以是合适的能够容纳流体(例如，水等)的容器，优选为恒压水体提供装置(例如，马氏瓶等，能够保持装置中供水水头高度不变)。水体提供装置供水水位应不小于碎石层6的高度。水体提供装置10与碎石层6的连通管道上通常还可以设有流量计量装置和/或流量调节装置，从而可以在合适的时机将适量的水引入碎石层6中。

本实用新型所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置中，点式传感器4通常可以用于监测土体温度、体积含水率、基质吸力、导热系数等参数。分布于土体容纳腔101中的点式传感器4的数量可以是一个或多个，通常来说，土体容纳腔101中可以分布有多个点式传感器4，其分布的状态通常可以是均匀分布，从而可以有效地收集待测土体2各个部分的土体信息。例如，各点式传感器4之间的监测间距可以为≥10cm。本领域技术人员可选择合适的点式传感器4以用于上述土体冻融装置，例如，可以为点式水热传感器等装置。通常来说，土体冻融装置中还可以包括点式信息采集装置401(例如，低功耗数据采集器等)，点式信息采集装置401可以分别与各点式传感器4电连接，从而可以收集各点式传感器4所监测获得的信息。

本实用新型所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置中，光纤测量装置3通常可以用于监测土体温度、土体含水率等参数。光纤测量装置3通常可以包括延伸方向与土体容纳腔101相匹配的光纤负载件301和负载于光纤负载件301上的可加热光纤302，从而可以使得可加热光纤302能够均匀地分布于待测土体2中，以有效地收集待测土体2各个部分的土体信息。通常来说，光纤负载件301可以是具有一定刚性的基材，例如，可以是PVC管等。光纤负载件301的延伸方向通常与土体容纳腔101相配合，可加热光纤302则可以紧密地缠绕于光纤负载件301上。例如，按光纤负载件301的延伸方向，单位长度的范围内，可加热光纤302的长度可以为～15cm，该长度可通过调整光纤负载件301的横截面的直径予以调整。可加热光纤302通常包括内部的光缆部分和包裹与光缆外的可加热层，本领域技术人员可选择合适的可加热光纤302以用于上述土体冻融装置，例如，可以为(碳纤维)内加热光缆等。通常来说，土体冻融装置中还可以包括光纤解调装置303(例如，DTS解调仪等)和/或加热装置304(例如，加热变压器等)，光纤解调装置303和加热装置304分别与可加热光纤302电连接，具体来说，可加热光纤302中的光缆部分和包裹与光缆外的可加热层可以分别与光纤解调装置303和加热装置304电连接，光纤解调装置303可以收集光缆部分所监测获得的信息，加热装置304则可以对可加热层进行加热。

本实用新型所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置中，位移监测装置8主要用于检测荷载件7的位移变化，其可以直接与荷载件接触，也可以不直接接触。本领域技术人员可选择合适的位移监测装置8以用于上述土体冻融装置，例如，可以为线性可变差动变压器等。通常来说，土体冻融装置中还可以包括位移信息采集装置801(例如，数字采集仪等)，所述位移信息采集装置801与位移监测装置8电连接，从而可以收集位移监测装置8所监测获得的信息。

本实用新型第二方面提供一种土体冻融的模拟方法，采用本实用新型第一方面所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，包括：

S1)在碎石层中引入适量水体；

S2)将冷量引入荷载件上方的土体容纳腔中；

S3)收集可加热光纤和/或点式传感器和/或位移传感器的监测数据；

S4)根据步骤S3所提供的监测数据，提供土体信息。

如上所述，在进行土体冻融模拟时，通常需要在碎石层中引入适量水体以模拟地下水持水的状态，并通过冷量提供装置(持续)与荷载件上方的土体容纳腔进行热交换以达到控制土体冻融过程中土体顶部温度的效果，与此同时，即可收集可加热光纤和/或点式传感器和/或位移传感器的监测数据，并通过监测数据计算获得土体信息，例如，土体的含水率、土体的温度、土体的变形量等中的一种或多种信息。其中，通过可加热光纤数据计算获得土体温度和含水率的方法可以参照CN201310398355.6《一种土壤含水率分布式测量方法及***》中所公开的相关内容。

与现有技术相比，本实用新型所提供的具备多维动态感知功能的土体冻融装置具有以下显著的特点：

1、模块化安装：试验装置组成模块化，安装过程简单、成本可控。

2、精准模拟：试验装置可设置不同工况，精准模拟工程环境。待测土体压实度可根据实际工况选取；可选择不同大小质量块以模拟不同等级上部荷载；待测土体侧面保温材料覆盖消减气温影响，底部接地模拟恒定地温工况；待测土体顶面温度可设置为恒定负温或温度循环等多种工况。优选地，可选配具备计量功能马氏瓶补水装置，补水装置内水头高度可调节。

3、多维动态监测：试验装置可针对含水率、温度、变形等多个指标，基于全分布式传感，对冻融过程中土体物理场开展多维动态监测，整个***可以从空间维度对待测土体水分场和温度场开展监测，实现待测土体物理场的高精度全分布式监测；位移监测装置可对待测土体宏观变形开展连续监测，有效评估待测土体冻融过程中的冻胀融沉效应。优选地，点式传感器可在时间上连续监测待测土体水热数据变化，并对可加热光纤进行标定，联合可加热光纤感测***形成完整、精确的水热数据时空变化规律，而选配具备计量功能的水体提供装置可记录待测土体总体流量，进一步校核前述传感器。

4、多用途拓展：温控装置设定为恒温，补水装置保持恒定补水时可模拟新填土体后地下水上升过程；可利用补水装置补给或上部加水构造不同含水率场，结合不同工作温度，实现不同工况下的可加热光纤参数标定。

5、易于改装：可在待测土体内补充安装土压力计、位移监测光缆等传感器，拓展冻融过程中监测指标；可在待测土体内补充安装保温层等隔热材料，模拟冻土地区工程保温措施实施效果等。

下面通过实施例对本申请予以进一步说明，但并不因此而限制本申请的范围。

实施例1

实施例中所使用的土体冻融装置结构描述如下：

装有待测土体的保温试验箱，所述开口试验箱尺寸为内径40cm×40cm×100cm钢质矩形开口试验箱，壁厚3mm，试验箱保温层为厚5cm聚氨酯保温板，导热系数为0.025W·m-1·K-1。试验箱中设置的渗透层为土工布与钢丝网复合结构，碎石层14由公称粒径9.5mm以上卵石组成，碎石层高度为5cm。

调控待测土体顶面温度的控温装置，包括控温装置支架901(内径42cm×42cm×20cm钢质矩形开口箱，壁厚3mm)、控温装置保温层902(厚5cm聚氨酯保温板，导热系数为0.025W·m-1·K-1)、压缩机903(压缩机型号为斯科普SC18L，功率为496W，-20℃蒸发温度时制冷量为920W)、冷凝器904(换热面积为8m²)、散热器905(换热面积为6m²)和温度控制器906，该装置安装于保温试验箱顶部，可调节温度用以控制土体冻融过程中土体顶部温度，该装置的工作原理与冰箱类似，散热器905中的制冷剂在空气中部分换热带走热量。

模拟待测土体上部荷载的质量块位于试验土体上部，并且上下表面与保温试验箱外壁垂直，具体为厚度为5cm钢质板材，质量块外部尺寸与开口试验箱内径吻合，质量块3中部设置直径6cm圆孔，略大于可加热光纤测管外径。

可加热分布式光纤(南智传感科技有限公司NZS DTS C09型碳纤维内加热光缆)由环氧树脂环绕粘贴至PVC管表面，各圈光纤间保持紧密粘贴，PVC管外径为5cm，PVC管两端应使用堵头封堵，管内可填充细砂并密实。可加热分布式光纤缠绕方式可以参照图2，其双端均设置在PVC管顶部，可加热分布式光纤头部需分组连接，光纤内部纤芯熔接光纤跳线，并与DTS解调仪连接(南智传感科技有限公司DTS-ROTDR型光纤温度解调仪)，外部碳纤维加热层连接加热变压器(正泰TDGC2-0.5KVA)。

点式水热传感***包括多个可测量待测土体深度含水量与温度的点式水热传感器(河北雷神电子SWR-00W)和信号采集仪(河北雷神电子LPDL低功耗数据采集器)，点式水热传感器分层埋设于待测土体内，所有点式水热传感器应与信号采集仪相连。点式水热传感器数量为6只，按深度间距10cm铺设于待测土体内，水热传感器通讯电缆宜沿开口试验箱内壁表贴布设，并于走线孔引出。

位移监测***包括保持监测土体变形的线性可变差动变压器(LVDT，上海曼升电子科技有限公司KTR-10型)，监测精度高于0.1mm，线性可变差动变压器固定装置及位移采集计算机(阿尔泰科技DAM3204D型数字采集仪)，线性可变差动变压器需垂直于质量块并在其上方放置，所有线性可变差动变压器均与位移采集计算机连接，安装时可变差动变压器固定装置应安装于开口试验箱顶部，并由支架固定螺丝和支架固定螺母固定，线性可变差动变压器应安装于固定槽位内并由卡位螺丝固定卡紧。

所述补水装置为具有水位刻度的马氏瓶，控制阀门和流量计，该装置通过输水管与保温试验箱底部相连。

采用本土体冻融装置开展土体冻融试验时，采用的试验流程参照其他证明文件，主要包括以下步骤：

1)土样获取：获取用于土体冻融试验的土样；

2)待测土体填筑及传感器安装：将光纤测管临时固定至开口试验箱中部，并应在后续步骤中随时注意调整光纤测管位置，避免产生较大偏移。

在开口试验底部填筑碎石，随后在碎石层上方安装渗透层。

分层填筑用于土体冻融试验的土样，每层填筑高度和所需土样质量应根据设计压实度计算，填筑土体含水率应根据实际情况确定。单层土体填筑完成后，应使用刮刀拉毛。

土样分层填筑过程中，根据设计高度安装单点水热传感器，传感器探针与光纤测管间距不宜大于2cm。

待测土体填筑至设计标高后，安置质量块，并通过调平、击实使质量块与带测土体间紧密相接。

质量块安装后，安装将线性可变差动变压器固定装置52，随后将线性可变差动变压器安装至固定装置内并锁紧。

安装控温装置。

3)安装采集仪调试设备：连接点式水热传感器和信号采集仪；连接可加热光纤测管、光纤跳线与光纤解调仪，连接可加热光纤测管导线与加热变压器；连接线性可变差动变压器与位移采集计算机。依次开启控温装置及上述采集传感设备，调试确保设备可用性。

4)完成待测土体冻融或相关相关测试：开启相关设备，设定控温装置控温参数，设定传感器采集频率，按照试验方案完成毛细水上升、土体冻融(循环)等并采集过程数据。采用上述装备，设置控温温度为-15℃时，由分布式光纤测得的土体温度场变化、由点式传感器测得的土体各点温度变化、由分布式光纤测得的土体水分场变化、由点式传感器测得的土体各点含水率变化、由马氏瓶测得的土体进水量、由土体顶部LVDT测得的位移变化均参照其他证明文件。

5)测试数据整理：依据步骤4)中各传感器采集数据对水分场、温度场、变形场数据分析。其中，利用分布式光纤测试土体温度和土体含水率的方法可以参照CN201310398355.6《一种土壤含水率分布式测量方法及***》中所公开的相关内容。

综上所述，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种具备多维动态感知功能的土体冻融装置，其特征在于，包括土体容纳装置(1)，所述土体容纳装置(1)包括柱形的土体容纳腔(101)，所述土体容纳腔(101)中容纳有待测土体(2)，所述土体容纳腔(101)中还设有光纤测量装置(3)和点式传感器(4)，所述光纤测量装置(3)包括延伸方向与土体容纳腔(101)相匹配的光纤负载件(301)和负载于所述光纤负载件(301)上的可加热光纤(302)，所述点式传感器(4)在土体容纳腔(101)中均匀分布，所述土体容纳腔(101)的底部设有渗透层(5)和碎石层(6)，所述渗透层(5)位于待测土体(2)和碎石层(6)之间，所述土体容纳腔(101)中还设有荷载件(7)，所述荷载件(7)以重力作用于待测土体(2)上，所述荷载件(7)上还设有位移监测装置(8)。

2.如权利要求1所述的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，其特征在于，还包括冷量提供装置(9)，所述冷量提供装置(9)与荷载件(7)上方的土体容纳腔(101)中的流体接触。

3.如权利要求1所述的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，其特征在于，还包括水体提供装置(10)，所述水体提供装置(10)与碎石层(6)流体连通，所述水体提供装置(10)为恒压水体提供装置。

4.如权利要求3所述的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，其特征在于，所述水体提供装置(10)与碎石层(6)的连通管道上设有流量计量装置。

5.如权利要求1所述的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，其特征在于，包括多个点式传感器(4)，各点式传感器(4)之间的监测间距≥10cm。

6.如权利要求1所述的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，其特征在于，所述渗透层(5)的厚度≤0.1cm，最大通过粒径≤0.075mm。

7.如权利要求1所述的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，其特征在于，所述土体容纳装置(1)的外壁上还设有保温层(11)。

8.如权利要求1所述的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，其特征在于，还包括光纤解调装置(303)和加热装置(304)，所述光纤解调装置(303)和加热装置(304)分别与可加热光纤(302)电连接。

9.如权利要求1所述的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，其特征在于，还包括位移信息采集装置(801)，所述位移信息采集装置(801)与位移监测装置(8)电连接。

10.如权利要求1所述的具备多维动态感知功能的土体冻融装置，其特征在于，还包括点式信息采集装置(401)，所述点式信息采集装置(401)分别与各点式传感器(4)电连接。

Images