土的冻胀实验方法的改进

低　温　建　筑　技　术2007年第5期(总第119期)

土的冻胀实验方法的改进

钱春香,　田亚护,　彭丽云

(北京交通大学,　北京100044)

　　【摘　要】　在传统冻胀试验基础上,通过对温度控制量测系统、变形自动监测系统及加载系统进行改造,来实现冻胀量试验的自动化控制,这有利于提高实验精度,减少实验者的劳动强度。实验结果表明,改进的实验方法是合理可行的。

【关键词】　冻胀量;温度控制;液压加载

【中图分类号】　TU41　　　　　【文献标识码】　B　　　　　【文章编号】　1001-6864(2007)05-0102-02

IMPROVEMENTOFEXPERIMENTALMETHODOFFROSTHEAVINGQIANChun-xiang,　TIANYa-hu,　PENGLi-yun(BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)　　Abstract:Basedonthetraditionalfrostheavingexperimental,anadvancedtemperaturecontrollingandmeasuringsystemandanewdeformationmonitoringsystemwereadoptedtorealizetheautomaticcontrolofexperimentitselfinordertoenhancethetestprecisionandcutdownthehumanlaborintensity.Fromtheexperimentaldatesacquiredfromthetest,itcanbeobservedthatthismethodisreasonableanddeservedtobeextendedwidely.

Keywords:frostheaving,temperaturecontrol;loadingsystemofhydraulicpressure

0　前言

梯度影响下,下部未冻土层中的水分源源不断地向上部冻结区迁移、聚集,并冻结形成冰透镜体,出现大幅度冻胀,其总冻胀量变化在10～30cm不等,甚至可以超过40cm。如此大的变形,使得这些地区水利工程、道路工程和房屋建筑工程经常遭受严重的破坏,造成巨大的损失,使道路出现裂缝、沉陷、结构断裂、基础上拔等。因此认识不同地质条件下土的冻胀特性,对于这些地区的工程建设具有很大实际意义。

实验是进行理论检验及研究的最好方法,冻胀量试验能够真实模拟现状,总结土体的冻胀规律,建立土体冻胀评估模型,从而指导工程实践。试验方法归纳起来有两种类型:其一是试验冷端温度恒定,观测热平衡点建立后冻胀随历时的变化;其二是应用一个逐渐降低的冷端温度,并保持固定速率。文中通过对国内传统的土冻胀实验方法中土样温度

受世界最强大的东西伯利亚冷空气频繁南下的影响,我国冬季成为世界上同纬度地区最冷的国家,元月平均气温我国东北部偏低14～18℃,黄河流域偏低10～14℃。以0℃平均气温的等值线为基线,由徐州南沿33～34°N线经郑州、西安、成都西面向南弯曲确定为寒区分界线,该基线的季节冻结深度由东南部的15cm至西部的25cm,已出现各类工程的冻害现象。

与未冻结土体相比,冻土的工程性质要复杂得多。其中最重要的原因是土体在冻结过程中有冰的形成,冰的形成往往导致土体体积增大和内部水分的重新分布,这使得土体的力学性质变得极不稳定。在寒冬季节负气温的影响下,一方面地表土层中孔隙水冻结成冰,体积膨胀;另一方面,在负温

[基金项目]　国家自然科学基金项目(50678020)

参考文献

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[收稿日期]　2007-06-06

[作者简介]　姜忠宇(1975-),男,甘肃兰州人,硕士,讲师,研

究方向:计算机应力测试可靠性分析。

钱春香等:土的冻胀实验方法的改进

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监测、变形监测和加载方法进行改进,采用计算机技术,对试验过程全部采用自动化控制,大大提高了实验精度及效率,也大大降低了实验者的劳动强度。

1　实验仪器的改进及实验方法

统与多个热敏铂电阻传感器相连接,通过计算机控制,来监测土样在不同位置及不同时间的温度变化。

(3)　通过位移监测系统,动态位移传感器的变化也就反应了土样在不同时刻的变形,其中位移显示及记录的时间间隔可以通过计算机任意控制。(4)　通过加载控制系统,采用计算机可任意设定所加荷载的大小。这与传统的冻胀实验方法相比有很大的提高,大幅提高了实验的功效,也降低了试验者的劳动强度。

因为采用全自动监测系统,不但可减少实验过程中人为因素对土样温度的干扰,也避免了人为读数带来的误差,而且实验所有结果自动存储在计算机中,给实验结果分析带来极大的方便。

2　试验结果

国内传统的冻胀实验装置主要由试样盒、恒温箱、温度控制及监测系统、补水系统、加压系统和变形监测系统组成。其中温度监测主要是采用热敏电阻温度计,其精度相对较低;加压系统主要采用杠杆加压,因此施加的荷载也有限;变形监测系统主要采用百分表,这不但降低了实验的效率和增加实验者的劳动强度,而且实验结果数据的记录及处理也相对较繁琐。因此可通过对温度控制及监测系统、加压和变形测试系统的改进,来提高实验的精度及功效。

111　改进后的实验仪器组成

改进后的冻胀实验装置中,温度控制系统采用美国生产的HAAKE低温恒温控制,控温精度在±0.1℃;温度监测系统由精度为±0.1℃的热敏铂电阻传感器和澳大利亚

DATATAKE数据采集仪组成。加载系统采用液压油泵控制给出了土体在60kPa荷载作用下的冻胀量试验曲线:图1为通过温度监测系统得到土样在不同时刻不同深度的温度,然后根据土样的冻结点,得出试样在实验过程中冻结深度随时间的变化。根据土样冻结深度的变化,可随时调整试样冷端温度,来控制土样的冻结速率。

图2为通过变形监测得出试样在不同时间变形的详细情况,可以很直观的看出土样变形的整个过程及变形速率。通过这个曲线,土样开始的压缩变形和后来冻胀变形都可以很清楚直观的表现出来。

图3为实验结束后土样的含水量变化,深度0处为冻结端,10mm处为冻结暖端。可以看出经过冻结后土体中含水量分布发生了明显的变化,冷端含水量明显要高于暖端的,这正是由于水分迁移的变化引起土样冻胀的原因。

且载荷大小可通过计算机随时调整控制;变形监测系统采用日本进口的动态位移传感器,其精度为±0.01mm。112　实验方法

(1)　在试样盒里按要求制好土样以后,把试样盒放在

恒温箱里面的加载系统的底座上。把两台温度控制系统分别与试样盒的顶板、底板相连接,来分别控制土样的上下表

面温度。补水系统与土样的顶板(或底板)连接。位移传感器固定好并与试样盒顶板相接触。

(2)　按照相关要求和规范进行实验。其中温度监测系

3　结语

(1)　通过对实验仪器的改进,减少了人为因素对实验

[收稿日期]　2007-03-21

[作者简介]　钱春香(1960-),女,北京人,工程师,从事土木工

的干扰,并能随时观测到整个实验过程中的动态情况,这在很大程度上减少了实验者的劳动强度;更重要的是极大地提高了实验的功能和效率。(2)　试验的精度更高和性能更好,能满足规范的要求。

参考文献

[1]　周幼吾,郭东信,邱国庆,等1中国冻土[M]1北京:科学出版

程的试验教学与科研工作。

欢迎订阅《低温建筑技术》社,20001

[2]　GBΠT50123-1999,土工试验方法标准[S]1