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(jié)性凍土模擬及凍脹量測試裝置，對原有傳統(tǒng)裝置進(jìn)行了創(chuàng)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(jié)凍土區(qū)土體單項(xiàng)凍結(jié)、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(xiàng)目裝置可準(zhǔn)確有效的模擬為測定土凍結(jié)過程的凍脹量，從而計(jì)算表征土凍脹性的凍脹率，為施工前做有效準(zhǔn)確的凍脹評(píng)估。

關(guān)鍵詞：季節(jié)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(jié)性凍土區(qū)施工時(shí)，既要考慮在春季會(huì)產(chǎn)生一些融沉變形，又要考慮在冬季寒冷時(shí)產(chǎn)生的凍脹變形。本文的裝置能夠?qū)竟?jié)性凍土進(jìn)行有效模擬，測量其相應(yīng)的凍脹量，那么各類項(xiàng)目在施工之前都要進(jìn)行評(píng)估測試，本裝置能夠?yàn)槭┕で捌谶M(jìn)行有效準(zhǔn)確的進(jìn)行評(píng)估。本文主要研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題：（1）模擬季節(jié)凍土區(qū)土體單向凍結(jié)情況，并且在試驗(yàn)過程中監(jiān)測土體溫度變化。（2）模擬季節(jié)凍土區(qū)土體雙向融化情況，通過監(jiān)測不同凍融循環(huán)次數(shù)下土體的凍脹變形值和融沉變形值，以獲得凍融循環(huán)對土體凍脹、融沉變形特性的影響規(guī)律。

1.裝置設(shè)計(jì)

（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(shè)置有溫度傳感器插入孔。頂板內(nèi)部設(shè)有循環(huán)液流通槽和位移傳感器插入孔。底板提供外界水源補(bǔ)給或排水通道，頂板提供排氣通道。

（2）制冷控溫系統(tǒng)由主要由空氣壓縮機(jī)和溫控器組成。循環(huán)液在流通過程中實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)和凍土溫度的控制。為了模擬季節(jié)凍土區(qū)土體單向凍結(jié)情況，本試驗(yàn)在試樣頂端加設(shè)循環(huán)冷浴，使其自上而下凍結(jié)，試樣凍融過程中的頂部循環(huán)冷浴溫度按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-1999中規(guī)定溫度加以設(shè)置，并且在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測土體溫度變化，從而達(dá)到溫度精準(zhǔn)控制。

1.支架;2.位移傳感器;3.排氣閥;4.頂板;5.頂板循環(huán)液入口;6.頂板循環(huán)液出口;7.保溫材料;8.筒壁9.底板;10.底板循環(huán)液入口;11.底板循環(huán)液出口;12.補(bǔ)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(tǒng);（2）溫度測試系統(tǒng)

2.創(chuàng)新技術(shù)

該裝置由試驗(yàn)箱、制冷控溫系統(tǒng)、溫控器、傳感器、有機(jī)玻璃試樣盒、恒溫箱等組成。如下圖，對于整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置而言，首先是裝置內(nèi)溫度模擬裝置的創(chuàng)新，傳統(tǒng)的凍土實(shí)驗(yàn)桶是雙層結(jié)構(gòu)，造價(jià)昂貴，因此在保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性的前提下，對原有裝置進(jìn)行了改進(jìn)，將所有所有的雙層凍土實(shí)驗(yàn)桶改為了單層實(shí)驗(yàn)桶，然后在每個(gè)單層實(shí)驗(yàn)桶的上表面放置了鋁制導(dǎo)溫裝置，當(dāng)冷凍液經(jīng)過鋁制導(dǎo)溫裝置內(nèi)部以后，會(huì)將低溫傳遞給鋁片，然后又經(jīng)過鋁片將溫度傳遞給土層，流經(jīng)鋁制導(dǎo)熱裝置內(nèi)的冷卻液最終又回到壓縮機(jī)進(jìn)行再一次冷循環(huán)。另外又將四個(gè)實(shí)驗(yàn)桶放入水浴盆內(nèi)，從而從而達(dá)到了模擬室外環(huán)境的效果。其次將實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部和導(dǎo)管上全部附上保溫棉，以及將壓縮機(jī)和實(shí)驗(yàn)桶分隔開，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差和室外環(huán)境對本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

對于數(shù)據(jù)記錄的創(chuàng)新，將溫度探頭與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)可通過相關(guān)程序來自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的特性，在該程序內(nèi)只需設(shè)計(jì)好探頭的溫度上下限和和探頭個(gè)數(shù)即可，其他工作由電腦自動(dòng)完成，這使得在測量時(shí)可以得到充足而又準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

3.結(jié)語

該裝置經(jīng)過反復(fù)研究試驗(yàn)，有效的在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了改進(jìn)，使得裝置造價(jià)成本降低，有效模擬實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)能夠得到更加充足準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)、保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性。該裝置能夠有效的進(jìn)行季節(jié)性凍土的單項(xiàng)凍結(jié)、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?yàn)槭┕で白龊糜行?zhǔn)確的凍脹評(píng)估。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪恩良.凍土試驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京：中國水利水電出版社，2017.08.

[2]童長江.土的凍脹與建筑物凍害防治[M].北京：水利電力出版社，1985.

[3]GB/T50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

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

[5]MTT593.2-1996人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn) 第2部分 土壤凍脹試驗(yàn)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?yàn)樗姽こ虄?yōu)化決策與技術(shù)。

項(xiàng)目支持：吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（合同號(hào)：S202111439033）