人工凍結土體水平凍脹模型的研制

段英豪 高銘鑫 董慶杰 劉 鎮 韓春鵬 王中志

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150036)

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人工凍結土體水平凍脹模型的研制

段英豪 高銘鑫 董慶杰 劉 鎮 韓春鵬 王中志

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150036)

針對土體凍脹現象，研制出了一套人工凍結條件下土體水平凍脹模型，利用該裝置進行季凍區粉質粘土凍脹模擬，試驗規律良好，可以有效地對實際工程環境中土體凍結的溫度場和水分遷移進行模擬，為冬季土體凍脹問題的研究提供了參考。

水平凍脹模型，凍脹力，傳感器，制冷系統

0 引言

在我國北方，由于氣候因素的影響，土體凍脹現象比較嚴重，而且持續時間長，是目前人工凍土理論研究和工程實踐中重要問題之一。隨著對土體凍脹研究的深入，人們對土體凍脹的認識也日益完善。國內外不少專家和學者已對土體的凍脹融沉試驗裝置進行過研制，取得了顯著的研究成果，王建平研制出了人工凍結土體凍脹融沉模型試驗裝置，并利用該試驗裝置對徐州地區常見的粘土進行了凍結試驗,檢驗了該試驗裝置的可靠性和實用性[1]；黃英豪研制了一套在土工離心機中進行管道凍脹模擬的試驗設備，模擬北疆地區輸水渠道的凍脹，對寒冷地區輸水渠道凍脹問題的研究提供了有力工具[2]。本課題小組在已有的研究基礎上，為了解決現有的凍脹模型存在無法自動補水、無法控制土體尺寸以及土塊密實度等問題，研制出了季凍區凍土的水平凍脹模型，真實反映季凍區粉質黏土的凍融規律，可應用于對季凍區凍土的水分遷移、凍脹量以及溫度場的研究，給予實際工程以科學性的理論指導。

1 模型裝置的研制

研制的人工凍結土體水平凍脹模型裝置如圖1所示，試驗裝置真實結構如圖2所示。按照功能的劃分，主要包括五大部分：支撐部分、土工試驗部分、豎向補水部分、測量部分、制冷部分。

1.1 支撐部分

支撐部分是整個模型裝置的基礎，用以支撐模型裝置的上部結構，足夠的剛度是保證模型裝置穩定的前提，因此支撐部分所采用的材料為鋼化玻璃。支撐部分的結構由底部碎石槽(圖1中7)組成，四塊玻璃擋板將整個碎石槽分成五個部分，每個部分可以存儲補水時所需的水量。并且整個支撐部分可與上部的土工試驗部分恰好鑲嵌，保證了上部結構的穩定性。

1.2 土工試驗部分

土工試驗部分包括鋼化玻璃制成的土樣裝載裝置、土樣格擋裝置和滲水板(圖1中6)。土樣承載裝置是一個矩形玻璃箱，是實驗土體放置以及土體壓縮成型的場所，可以模擬路基土層、基坑開挖等的實際情況。土樣格擋裝置由尺寸擋板(圖1中13)、擋板滑槽(圖1中14)和擋板固定螺栓(圖1中15)組成，可以滿足土樣在裝填過程中，通過移動隔擋板控制土體的大小，滿足實驗對不同尺寸土體的要求。滲水板是一塊帶孔的鋼化玻璃板，可以使支撐部分碎石槽中存儲的水量向上滲出，完成補水。

1.3 豎向補水部分

豎向補水部分包括碎石槽、補水箱(圖1中18)、連接碎石槽與補水箱(圖1中18)的補水進水管線、連接補水箱的補水箱進水管線以及用以控制碎石槽水位的補水箱溢水管線。通過連接補水箱的補水箱進水管線向補水箱注水，用控制碎石槽水位的補水箱溢水管線來控制補水水位。最后土工試驗部分中的滲水板實現水分的向上補給，完成補水過程。其中補水箱采用材料為透明玻璃，便于對箱內水位高度的觀察。

1.4 測量部分

測量部分包括溫度傳感器、濕度傳感器、壓力感測器、位移傳感器(圖1中5)以及相關導線，用于測量土體在試驗過程中的溫度變化、水分遷移和凍脹情況，完成對相關數據的采集。

1.5 制冷部分

制冷部分包括位于土工試驗部分頂部的制冷機以及圍于土工試驗部分四周的苯板。土工試驗部分四周的苯板輕質且便于拆卸，還可以有效阻止裝置內部與外界進行熱量交換，加快裝置內部降溫速度以及保持裝置內部溫度，實現土體的快速凍結。制冷機可以將溫度的精度控制在0.1 ℃，提高降溫的精度。

2 使用方法

利用該人工凍結土體凍脹模型進行凍脹實驗，操作方法簡單。根據實驗所需的試件尺寸來調整尺寸擋板，確定好尺寸擋板位置之后將尺寸擋板固定，將試驗土體逐漸加入到尺寸擋板與模型箱內壁所圍成的土工試驗空間之中；在逐層添加試驗土體過程中往不同高度的預留孔放入熱敏電阻溫度傳感器、力學傳感器、濕度傳感器，將測量儀器輸出口接入到數據收集系統；試驗土體填裝，擊實之后達到要求的密實度將尺寸擋板取下，對試驗土體側面進行位移傳感器、力學傳感器的布置，以此來測量實驗過程中土體水平凍脹量大小以及凍脹力的大小；在試驗過程中通過碎石槽進水孔對試驗土體進行補水，且可調控碎石槽內水位高度，以此來確保碎石槽內水位與滲水板滲水空隙相接觸；將制冷裝置放置于土體試驗箱之上，調整位置確保制冷裝置與凍脹模型箱接觸嚴密，防止實驗過程中模型箱與外界的熱量交換；接通制冷壓縮機與數據收集系統的電源，通過制冷壓縮機的溫控數據顯示窗完成制冷溫度設定，制冷壓縮機在短時間預熱之后開始工作，熱敏電阻溫度傳感器、力學傳感器、濕度傳感器開始收集數據；并將所收集到的數據傳輸至數據收集系統，數據收集系統對所獲得的數據進行顯示，繪制圖像以及導出數據。

3 結語

1)研制了一套人工凍結情況下測量土體水平凍脹量的模型裝置，該裝置由支撐部分、土工試驗部分、豎向補水部分、測量部分、制冷部分組成，實現了土體在人工凍結情況下的凍脹。

2)開發了可以靈活調整土體尺寸大小的土樣格擋裝置，該裝置既可以完成土體的壓縮成型，還可以實現土體尺寸的靈活調整，滿足不同實驗對土體的要求。

3)該裝置中的豎向補水裝置，可以盡可能的模擬地下水的環境，再配合制冷系統和測量系統，真正實現水分場，溫度場，應力場的結合，使實驗更具說服力。

[1] 王建平,王文順,史天生.人工凍結土體凍脹融沉的模型試驗[J].中國礦業大學學報,1999(4):3-6.

[2] 黃英豪,蔡正銀,張 晨,等.管道凍脹離心模型試驗設備的研制[J].巖土工程學報,2015(4):615-621.

The development of horizontal frost heave model of artificially frozen soil

Duan Yinghao Gao Mingxin Dong Qingjie Liu Zhen Han Chunpeng Wang Zhongzhi

(Northeast Forestry University, Harbin 150036, China)

According to the frost heave phenomenon, this paper developed a set of soil horizontal frost heave model under artificially frozen condition, using this device made clay heaving simulation in seasonal frozen area, the test law was good, could effectively simulate the temperature field and moisture migration of soil frozen in actual engineering environment, provided reference for the research on winter frost heave problems.

horizontal frost heave model, frost heaving force, sensor, refrigeration system

1009-6825(2017)16-0099-02

2017-03-03

段英豪(1996- )，男，在讀本科生； 高銘鑫(1995- )，男，在讀本科生； 董慶杰(1995- )，男，在讀本科生； 劉 鎮(1995- )，男，在讀本科生； 韓春鵬(1979- )，男，副教授； 王中志(1997- )，男，在讀本科生

TU752

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