一種季節性凍土模擬及凍脹量測試裝置

張淼 馮志淵 王文豪 孫唯唯 袁明飛 黎天銘 李壯壯 劉喜峰

摘要：本文介紹了一種季節性凍土模擬及凍脹量測試裝置，對原有傳統裝置進行了創新，該裝置目前在市面上并未有成型裝置，該裝置能夠模擬季節凍土區土體單項凍結、雙向融化情況，檢測不同土層的溫度以及土體不均勻凍脹變形值。項目裝置可準確有效的模擬為測定土凍結過程的凍脹量，從而計算表征土凍脹性的凍脹率，為施工前做有效準確的凍脹評估。

關鍵詞：季節性凍土;凍土模擬;凍脹融沉

凍土對于溫度變化極其敏感，并且在各方面的性能在溫度的變化下影響較大。在季節性凍土區施工時，既要考慮在春季會產生一些融沉變形，又要考慮在冬季寒冷時產生的凍脹變形。本文的裝置能夠對季節性凍土進行有效模擬，測量其相應的凍脹量，那么各類項目在施工之前都要進行評估測試，本裝置能夠為施工前期進行有效準確的進行評估。本文主要研究內容及擬解決的關鍵問題：（1）模擬季節凍土區土體單向凍結情況，并且在試驗過程中監測土體溫度變化。（2）模擬季節凍土區土體雙向融化情況，通過監測不同凍融循環次數下土體的凍脹變形值和融沉變形值，以獲得凍融循環對土體凍脹、融沉變形特性的影響規律。

1.裝置設計

（1）本裝置主要由筒壁、頂板、底板組成。筒壁和底板由亞克力材料制成，筒壁上設置有溫度傳感器插入孔。頂板內部設有循環液流通槽和位移傳感器插入孔。底板提供外界水源補給或排水通道，頂板提供排氣通道。

（2）制冷控溫系統由主要由空氣壓縮機和溫控器組成。循環液在流通過程中實現溫度的調節和凍土溫度的控制。為了模擬季節凍土區土體單向凍結情況，本試驗在試樣頂端加設循環冷浴，使其自上而下凍結，試樣凍融過程中的頂部循環冷浴溫度按照《土工試驗規程》SL237-1999中規定溫度加以設置，并且在試驗過程中實時監測土體溫度變化，從而達到溫度精準控制。

1.支架;2.位移傳感器;3.排氣閥;4.頂板;5.頂板循環液入口;6.頂板循環液出口;7.保溫材料;8.筒壁9.底板;10.底板循環液入口;11.底板循環液出口;12.補水、排水液出口;13.濾板;14.傳感器插孔;15.試樣;16.溫度傳感器;（1）位移測試系統;（2）溫度測試系統

2.創新技術

該裝置由試驗箱、制冷控溫系統、溫控器、傳感器、有機玻璃試樣盒、恒溫箱等組成。如下圖，對于整個實驗裝置而言，首先是裝置內溫度模擬裝置的創新，傳統的凍土實驗桶是雙層結構，造價昂貴，因此在保證實驗數據可靠性的前提下，對原有裝置進行了改進，將所有所有的雙層凍土實驗桶改為了單層實驗桶，然后在每個單層實驗桶的上表面放置了鋁制導溫裝置，當冷凍液經過鋁制導溫裝置內部以后，會將低溫傳遞給鋁片，然后又經過鋁片將溫度傳遞給土層，流經鋁制導熱裝置內的冷卻液最終又回到壓縮機進行再一次冷循環。另外又將四個實驗桶放入水浴盆內，從而從而達到了模擬室外環境的效果。其次將實驗箱內部和導管上全部附上保溫棉，以及將壓縮機和實驗桶分隔開，從而減小實驗誤差和室外環境對本實驗數據的影響。

對于數據記錄的創新，將溫度探頭與計算機相結合，利用計算機可通過相關程序來自動記錄數據的特性，在該程序內只需設計好探頭的溫度上下限和和探頭個數即可，其他工作由電腦自動完成，這使得在測量時可以得到充足而又準確的數據，從而保證了實驗結果的可靠性。

3.結語

該裝置經過反復研究試驗，有效的在傳統實驗裝置上進行了改進，使得裝置造價成本降低，有效模擬實驗效果，同時能夠得到更加充足準確的數據、保證實驗結果可靠性。該裝置能夠有效的進行季節性凍土的單項凍結、雙向融化情況，檢測不同土層的溫度以及土體不均勻凍脹變形值，能夠為施工前做好有效準確的凍脹評估。

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[4]MTT593.1-1996人工凍土物理力學性能試驗 第1部分 人工凍土試驗取樣及試樣制備方法

[5]MTT593.2-1996人工凍土物理力學性能試驗 第2部分 土壤凍脹試驗方法

通訊作者簡介：劉喜峰，女，1988年4月，山西省忻州市人，碩士研究生，講師，研究方向為水利水電工程優化決策與技術。

項目支持：吉林農業科技學院大學生科技創新項目（合同號：S202111439033）