建、构筑物下人工冻结土体冻胀融沉规律的研究

研究建、构筑物下利用人工冻结法施工土工工程时土体的冻胀融沉规律，研究冻胀量、冻胀力与土的物理参数、温度、荷载关系和三维情况下冻土融化规律。通过理论分析、模型试验和数值分析的研究，研制了半导体制冷系统的三维人工冻土冻融试验装置；完成了开敞与封闭系统下人工冻土的温度、位移、冻胀力开敞与封验；揭示了人工冻土中温度分布、冷锋面扩展和冻胀力变化规律；提出了冻胀与融沉、冻胀力与温度的量变变化规律，外载荷对冻融的影响关系。研究成果为我国城市和工农业建设，利用人工冻结加固地层法，在建、构筑物下施工土工工程提供理论依据；对在市政工程中建造地铁、加固土体和维护边坡开辟了新途径；具有重要的科学意义、应用前景和经济效益。 2100433B

土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法专利目的

《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》提出了一种土体冻胀检测装置。通过这种土体冻胀检测装置能够准确的测量出土体冻胀量。

土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法技术方案

根据《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的第一方面，提出了一种土体冻胀检测装置，包括：管体，在管体上间隔设置有多个沿周向的环形弱化区，在管体的末部固定设置有用于固定到土体的非冻胀层的锚固件，设置在管体内的测杆，测杆的末部与锚固件固定相连，测杆的顶部为测量部，用于设置在土体的地表的位移测量器，通过检测其相对于测量部的竖向位移而得到土体的冻胀量，当土体冻胀时，多个弱化区将管体分成多个能独立运动的管段。

在使用《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的土体冻胀检测装置测量地层冻胀量时，由于弱化区的存在，处于冻胀层内的管段会在纵向冻胀力的作用下独立于其余的管段而运动，即处于冻胀层内的管段形成自由管段。由于自由管段与其余的管段是彼此独立的，因此自由管段竖向上运动不会导致其余管段相对于土体而运动，更不会导致管体整体相对于土体而竖向运动。锚固件的位置也因此不会发生变化，测杆的测量部的位置也就不会发生变化，即测量冻胀的基准点没有发生变化。此外，在土体冻结是朝向土体深处逐层冻结的，当土体上层发生冻胀时，下层仍保持未冻胀状态（即未冻胀层）。由于处于未冻胀层内的管段不会相对于土体而竖向运动，因此未冻胀层也就不会到处于其中的管段的携带而竖向运动。从而，冻胀层就不会受到未冻胀层的挤压，即冻胀层的隆起高度仅来源于冻胀层本身的冻胀。因此，移测量器的位移就能真实地反应该冻胀层的实际冻胀量。随着土体被朝向深处逐层冻结，未冻胀层会再次逐层冻胀。在弱化区的作用下，更深层的未冻胀层也不会对冻胀层产生挤压。也就是说，使用该发明的土体冻胀检测装置测量地层冻胀量时，不但测量土体冻胀的基准点不发生变化，而且每一冻胀层的冻胀量的测量值都是准确的，因此土体的整体冻胀量的测量值也是准确的。

在一个实施例中，环形弱化区的数量与管体的数值之比在8:1-15:1之间。在一个优选的实施例中，弱化区的数量与管体的长度的数值之比为10:1。在一个优选的实施例中，环形弱化区沿管体的长度均匀分布。在实际施工中，这种结构的管体能够测量出对于施工足够精确的土体冻胀量，而且管体的结构仍保持简单，从而方便了土体冻胀检测装置的制造和使用。

在一个实施例中，管体由多个套管通过多个直接头顺次连接而成，在直接头的内壁上设置有径向向里凸出的挡环，在直接头的两个端部和挡环之间形成连接部，套管与连接部依靠摩擦力连接在一起而实现弱化区。在土体发生冻胀时，在冻胀纵向力的作用下套管可沿轴向在直接头内运动，从而实现每一个套管都能够相对于其余的套管而独立运动。此外，这种连接方式使得管体整体不被破坏掉，土体冻胀检测装置也因此能重复使用，这降低了成本，避免了浪费。

在一个实施例中，管体由多个套管顺次连接而成，在一个套管的内壁上设置有环形槽，在所述环形槽的外侧壁上设置有沿轴向的缺口，在另一套管上设置有与缺口和环形槽匹配的凸起，凸起与连接部配合在一起而实现套管的弱化区。在一个优选的实施例中，环形槽的轴向尺寸大于凸起的轴向尺寸。这种结构不需要额外的连接部件，仅需要将套管彼此相连就能够实现弱化区，并且每一个套管都能够相对于其余的套管而独立运动。这简化了管体的结构，降低了管体的生产成本，土体冻胀检测装置也能重复使用，避免了浪费。

根据《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的第二方面，提出了一种使用根据上文所述的土体冻胀检测装置来检测土体冻胀量方法，包括以下步骤，

步骤一：在土体中设置检测孔，检测孔从地表延伸穿过土体的最大冻结深度，终止于土体的非冻胀层；

步骤二：在检测孔内设置管体和测杆，并且将管体和测杆通过锚固件固定于非冻胀层中，在检测孔的孔口处设置位移测量器；

步骤三：当土体发生冻胀时，检测位移测量器相对于测杆的测量部的竖向位移，而得到土体的冻胀量。

在一个实施例中，在步骤二中，还在管体和检测孔的孔壁之间的间隙中填充有用于防止渗水的填料。这种填料能够防止水进入到土体冻胀检测装置内，而将其破坏。在一个优选的实施例中，填料包括处于管体的非弱化区的水泥浇筑层和处于管体的弱化区的散沙层。这样，在发生冻胀时，水泥浇筑层能够对自由管段一起运动，而散沙层能够避免弱化区被固定住而不能使管体分成自由管段。

在该申请中，用语“竖向”是指朝向地面的方向。应理解地是，对于不同的地面，该竖向也可有所不同。

土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法改善效果

《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的优点在于：（1）通过在管体上设置弱化区，使得在测量土体的冻胀量时，处于冻胀层内的管体部分形成自由管段。自由管段会随着冻胀层一起运动，而不会导致锚固件的位置会发生变化，进而测杆的测量部的位置也就不会发生变化，即测量冻胀的基准点不发生变化。另外，所测得的每一冻胀层的冻胀量也是准确的。从而，使用《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的装置能够准确测出土体的冻胀量。（2）构成管体的每一个套管都能够相对于其余套管而独立运动。在使用测量土体的冻胀量时，由于处于冻胀层的套管的独立运动顺应了冻胀，从而管体整体不被破坏掉，土体冻胀检测装置也因此能重复使用，这降低了成本，避免了浪费。

《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》涉及土木工程领域，更具体来说涉及土体冻胀测量领域。

图1是根据《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的土体冻胀检测装置的结构示意图；

图2是根据《土体冻胀检测装置和检测土体冻胀量方法》的土体冻胀检测装置在使用状态中的示意图；

图3到图6是形成管体的弱化区的不同方式；

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。