一种季节性冻土模拟及冻胀量测试装置

张淼 冯志渊 王文豪 孙唯唯 袁明飞 黎天铭 李壮壮 刘喜峰

摘要：本文介绍了一种季节性冻土模拟及冻胀量测试装置，对原有传统装置进行了创新，该装置目前在市面上并未有成型装置，该装置能够模拟季节冻土区土体单项冻结、双向融化情况，检测不同土层的温度以及土体不均匀冻胀变形值。项目装置可准确有效的模拟为测定土冻结过程的冻胀量，从而计算表征土冻胀性的冻胀率，为施工前做有效准确的冻胀评估。

关键词：季节性冻土;冻土模拟;冻胀融沉

冻土对于温度变化极其敏感，并且在各方面的性能在温度的变化下影响较大。在季节性冻土区施工时，既要考虑在春季会产生一些融沉变形，又要考虑在冬季寒冷时产生的冻胀变形。本文的装置能够对季节性冻土进行有效模拟，测量其相应的冻胀量，那么各类项目在施工之前都要进行评估测试，本装置能够为施工前期进行有效准确的进行评估。本文主要研究内容及拟解决的关键问题：（1）模拟季节冻土区土体单向冻结情况，并且在试验过程中监测土体温度变化。（2）模拟季节冻土区土体双向融化情况，通过监测不同冻融循环次数下土体的冻胀变形值和融沉变形值，以获得冻融循环对土体冻胀、融沉变形特性的影响规律。

1.装置设计

（1）本装置主要由筒壁、顶板、底板组成。筒壁和底板由亚克力材料制成，筒壁上设置有温度传感器插入孔。顶板内部设有循环液流通槽和位移传感器插入孔。底板提供外界水源补给或排水通道，顶板提供排气通道。

（2）制冷控温系统由主要由空气压缩机和温控器组成。循环液在流通过程中实现温度的调节和冻土温度的控制。为了模拟季节冻土区土体单向冻结情况，本试验在试样顶端加设循环冷浴，使其自上而下冻结，试样冻融过程中的顶部循环冷浴温度按照《土工试验规程》SL237-1999中规定温度加以设置，并且在试验过程中实时监测土体温度变化，从而达到温度精准控制。

1.支架;2.位移传感器;3.排气阀;4.顶板;5.顶板循环液入口;6.顶板循环液出口;7.保温材料;8.筒壁9.底板;10.底板循环液入口;11.底板循环液出口;12.补水、排水液出口;13.滤板;14.传感器插孔;15.试样;16.温度传感器;（1）位移测试系统;（2）温度测试系统

2.创新技术

该装置由试验箱、制冷控温系统、温控器、传感器、有机玻璃试样盒、恒温箱等组成。如下图，对于整个实验装置而言，首先是装置内温度模拟装置的创新，传统的冻土实验桶是双层结构，造价昂贵，因此在保证实验数据可靠性的前提下，对原有装置进行了改进，将所有所有的双层冻土实验桶改为了单层实验桶，然后在每个单层实验桶的上表面放置了铝制导温装置，当冷冻液经过铝制导温装置内部以后，会将低温传递给铝片，然后又经过铝片将温度传递给土层，流经铝制导热装置内的冷却液最终又回到压缩机进行再一次冷循环。另外又将四个实验桶放入水浴盆内，从而从而达到了模拟室外环境的效果。其次将实验箱内部和导管上全部附上保温棉，以及将压缩机和实验桶分隔开，从而减小实验误差和室外环境对本实验数据的影响。

对于数据记录的创新，将温度探头与计算机相结合，利用计算机可通过相关程序来自动记录数据的特性，在该程序内只需设计好探头的温度上下限和和探头个数即可，其他工作由电脑自动完成，这使得在测量时可以得到充足而又准确的数据，从而保证了实验结果的可靠性。

3.结语

该装置经过反复研究试验，有效的在传统实验装置上进行了改进，使得装置造价成本降低，有效模拟实验效果，同时能够得到更加充足准确的数据、保证实验结果可靠性。该装置能够有效的进行季节性冻土的单项冻结、双向融化情况，检测不同土层的温度以及土体不均匀冻胀变形值，能够为施工前做好有效准确的冻胀评估。

参考文献：

[1]汪恩良.冻土试验指导[M].北京：中国水利水电出版社，2017.08.

[2]童长江.土的冻胀与建筑物冻害防治[M].北京：水利电力出版社，1985.

[3]GB/T50123-1999土工试验方法标准[S].

[4]MTT593.1-1996人工冻土物理力学性能试验 第1部分 人工冻土试验取样及试样制备方法

[5]MTT593.2-1996人工冻土物理力学性能试验 第2部分 土壤冻胀试验方法

通讯作者简介：刘喜峰，女，1988年4月，山西省忻州市人，硕士研究生，讲师，研究方向为水利水电工程优化决策与技术。

项目支持：吉林农业科技學院大学生科技创新项目（合同号：S202111439033）