《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》是中國鐵道科學研究院鐵道建築研究所、中國鐵道科學研究院於2014年5月6日申請的專利，該專利的公布號為CN103966993A，授權公布日為2014年8月6日，發明人是趙國堂、葉陽升、楊國濤、張千里、蔡德鉤、閆宏業、姚建平、程愛君、陳鋒、朱宏偉、史存林。
《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》涉及一種土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法。該裝置包括：管體，在管體上間隔設定有多個沿周向的環形弱化區，在管體的末部固定設定有用於固定到土體的非凍脹層的錨固件，設定在管體內的測桿，測桿的末部與錨固件相連，測桿的頂部為測量部，用於設定在土體的地表的位移測量器，通過檢測其相對於測量部的豎向位移而得到土體的凍脹量；當土體凍脹時，多個弱化區將管體分成多個能獨立運動的管段。根據該發明的土體凍脹檢測裝置能夠準確的測量出土體凍脹量。
2020年7月14日，《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法
- 申請人：中國鐵道科學研究院鐵道建築研究所、中國鐵道科學研究院
- 申請日：2014年5月6日
- 申請號：2014101897601
- 公布日：2014年8月6日
- 公布號：CN103966993A
- 發明人：趙國堂、葉陽升、楊國濤、張千里、蔡德鉤、閆宏業、姚建平、程愛君、陳鋒、朱宏偉、史存林
- 地址：北京市海淀區大柳樹路2號鐵科院鐵建所附樓岩土室202室
- Int. Cl.：E02D1/00(2006.01)I
- 代理機構：北京聿宏智慧財產權代理有限公司
- 代理人：吳大建、劉華聯
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
中國幅員遼闊，東西經度和南北經度跨度很大，具有很大面積的凍土地區，其分類主要有三類：多年凍土、季節性凍土和臨時性凍土。多年凍土主要分布在青藏高原、東北大興安嶺一帶臭酷。季節性凍土較為廣闊，秦嶺淮河以北的華北、西北和東北地區多為季節性凍土區。臨時性凍土主要出現在採用凍結法施工的工程中，例如地下鐵道、越江隧道，煤礦鑿井等。
季節性凍土地基對建築物破壞的主要原因是冬季凍土所產生的凍脹作用和春季升溫產生的融降作用，臨時性凍土對周圍建築物地基的影響既有凍脹作用也有融沉作用。隨著中國的經濟發展，在廣泛分布有季節性凍土的地區，工程建設日趨頻繁，尤其是公路和鐵路建設，這些將直接面臨著季節性凍土區的凍脹問題。
因此，需要一種能準確測量土地凍脹量的裝置。
發明內容
專利目的
《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》提出雅套糊挨了一種土體凍脹檢測裝置。通過這種土體凍脹檢測裝置能夠準確的測量出土體凍脹量。
技術方案
根據《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的第一方面，提出了一種土體凍脹檢測裝置，包括：管體，在管體上間隔設定有多個沿周向的環形弱化區，在管體的末部固定設定有用於固定到土體的非凍脹層的協鍵地錨固件，設定在管體內的測桿，測桿的末部與錨固件固定相連，測桿的頂部為測量部，用於設定在土體的地表的位移測量器，通過檢測其相對於測量部的豎向位移而得到土體的凍脹量，當土體凍脹時，多個弱化區將管體分成多個能獨立運動的管段。
在使用《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的土體凍脹檢測裝置測量地層凍脹量時，由於弱化區的存在，處於凍脹層內的管段會在縱向凍脹力的作用下獨立於其餘的管段而運動，即處於凍脹層內的管段形成自由管段。由於自由管段與其餘的管段是彼此獨立的，因此自由管段豎向上運動不會導致其餘轎膠擊管段相對於土體而運動，更不會導致管體整體相對於土體而豎向運動。錨固件的位置也因此不會發生變化，測桿的測量部的位置也就不會發生變化，即測量凍脹的基準點沒有發生變化。此外，在土體凍結是朝向土體深處逐層凍結的，當土體上層發生凍脹時，下層仍保持未凍脹狀態（即未凍脹層）。由於處於未凍脹層內的管段不會相對於土體而豎向運動，因此未凍脹層也就不會到處於其中的管段的攜帶而豎向運動。從而，凍脹層就不會受到未凍脹層的擠壓，即凍脹層的隆起高度僅來源於凍脹層本身的凍脹。因此，移測量器的位移就能真實地反應該凍脹層的實際凍脹量。隨著土體被朝向深處逐層凍結，未凍脹層會再次逐層凍脹。在弱化區的作用下，更深層的未凍剃甩夜脹層也不會對凍脹層產生擠壓。也就是說敬棕促，使用該發明的土體凍脹檢測裝置測量地層凍脹量時，不但測量土體凍脹的基準點不發生變化，而且每一凍脹層的凍脹量的測量值都是準確的，因此土體的整體凍脹量的測量值也是準確的。
在一個實施例中，環形弱化區的數量與管體的數值之比在8:1-15:1之間。在一個優選的實施例中，弱化區的數量與管體的長度的數值之比為10:1。在一個優選的實施例中，環形弱化區沿管體的長度均勻分布。在實際施工中，這種結構的管體能夠測量出對於施工足夠精確的土體凍脹量，而且管體的結構仍保持簡單，從而方便了土體凍脹檢測裝置的製造和使用。
在一個實施例中，管體由多個套管通過多個直接頭順次連線而成，在直接頭的內壁上設定有徑向向里凸出的擋環，在直接頭的兩個端部和擋環之間形成連線部，套管與連線部依靠摩擦力連線在一起而實現弱化區。在土肯詢碑頁體發生凍脹時，在凍脹縱向力的作用下套管可沿軸向在直接頭內運動，從而實現每一個套管都能夠相對於其餘的套管而獨立運動。此外，這種連線方式使得管體整體不被破壞掉，土體凍脹檢測裝置也因此能重複使用，這降低了成本，避免了浪費。
在一個實施例中，管體由多個套管順次連線而成，在一個套管的內壁上設定有環形槽，在所述環形槽的外側壁上設定有沿軸向的缺口，在另一套管上設定有與缺口和環形槽匹配的凸起，凸起與連線部配合在一起而實現套管的弱化區。在一個優選的實施例中，環形槽的軸向尺寸大於凸起的軸向尺寸。這種結構不需要額外的連線部件，僅需要將套管彼此相連就能夠實現弱化區，並且每一個套管都能夠相對於其餘的套管而獨立運動。這簡化了管體的結構，降低了管體的生產成本，土體凍脹檢測裝置也能重複使用，避免了浪費。
根據《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的第二方面，提出了一種使用根據上文所述的土體凍脹檢測裝置來檢測土體凍脹量方法，包括以下步驟，
步驟一：在土體中設定檢測孔，檢測孔從地表延伸穿過土體的最大凍結深度，終止於土體的非凍脹層；
步驟二：在檢測孔內設定管體和測桿，並且將管體和測桿通過錨固件固定於非凍脹層中，在檢測孔的孔口處設定位移測量器；
步驟三：當土體發生凍脹時，檢測位移測量器相對於測桿的測量部的豎向位移，而得到土體的凍脹量。
在一個實施例中，在步驟二中，還在管體和檢測孔的孔壁之間的間隙中填充有用於防止滲水的填料。這種填料能夠防止水進入到土體凍脹檢測裝置內，而將其破壞。在一個優選的實施例中，填料包括處於管體的非弱化區的水泥澆築層和處於管體的弱化區的散沙層。這樣，在發生凍脹時，水泥澆築層能夠對自由管段一起運動，而散沙層能夠避免弱化區被固定住而不能使管體分成自由管段。
在該申請中，用語“豎向”是指朝向地面的方向。應理解地是，對於不同的地面，該豎向也可有所不同。
改善效果
《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的優點在於：（1）通過在管體上設定弱化區，使得在測量土體的凍脹量時，處於凍脹層內的管體部分形成自由管段。自由管段會隨著凍脹層一起運動，而不會導致錨固件的位置會發生變化，進而測桿的測量部的位置也就不會發生變化，即測量凍脹的基準點不發生變化。另外，所測得的每一凍脹層的凍脹量也是準確的。從而，使用《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的裝置能夠準確測出土體的凍脹量。（2）構成管體的每一個套管都能夠相對於其餘套管而獨立運動。在使用測量土體的凍脹量時，由於處於凍脹層的套管的獨立運動順應了凍脹，從而管體整體不被破壞掉，土體凍脹檢測裝置也因此能重複使用，這降低了成本，避免了浪費。
附圖說明
圖1是根據《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的土體凍脹檢測裝置的結構示意圖；
圖2是根據《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的土體凍脹檢測裝置在使用狀態中的示意圖；
圖3到圖6是形成管體的弱化區的不同方式；
在附圖中，相同的部件使用相同的附圖示記。附圖並未按照實際的比例。
技術領域
《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》涉及土木工程領域，更具體來說涉及土體凍脹測量領域。
權利要求
1.一種土體凍脹檢測裝置，包括：管體，在所述管體上間隔設定有多個沿周向的環形弱化區，在所述管體的末部固定設定有用於固定到所述土體的非凍脹層的錨固件，設定在所述管體內的測桿，所述測桿的末部與所述錨固件固定相連，所述測桿的頂部為測量部，用於設定在所述土體的地表的位移測量器，通過檢測其相對於所述測量部的豎向位移而得到所述土體的凍脹量；其中，當土體凍脹時，所述多個弱化區將管體分成多個能獨立運動的管段。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述弱化區的數量與所述管體的長度的數值之比在8:1-15:1之間。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述弱化區的數量與所述管體的長度的數值之比為10:1。
4.根據權利要求1到3中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述弱化區沿所述管體的長度均勻分布。
5.根據權利要求1到4中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述管體由多個套管通過多個直接頭順次連線而成，在所述直接頭的內壁上設定有徑向向里凸出的擋環，在所述直接頭的兩個端部和所述擋環之間形成連線部，所述套管與所述連線部依靠摩擦力連線在一起而實現所述弱化區。
6.根據權利要求1到4中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述管體由多個套管順次連線而成，在一個套管的內壁上設定有環形槽，在所述環形槽的外側壁上設定有沿軸向的缺口，在另一套管上設定有與所述缺口和環形槽匹配的凸起，其中，所述凸起與所述連線部配合在一起而實現套管的弱化區。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述環形槽的軸向尺寸大於所述凸起的軸向尺寸。
8.一種使用根據權利要求1到7中任一項所述的土體凍脹檢測裝置來檢測土體凍脹量方法，包括以下步驟，
步驟一：在土體中設定檢測孔，所述檢測孔從地表延伸穿過所述土體的最大凍結深度，終止於所述土體的非凍脹層；
步驟二：在所述檢測孔內設定管體和測桿，並且將所述管體和測桿通過錨固件固定於所述非凍脹層中，在所述檢測孔的孔口處設定所述位移測量器；
步驟三：當所述土體發生凍脹時，檢測所述位移測量器相對於所述測桿的測量部的豎向位移，而得到所述土體的凍脹量。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，在所述步驟二中，還在所述管體和所述檢測孔的孔壁之間的間隙中填充有用於防止滲水的填料。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述填料包括處於所述管體的非弱化區的水泥澆築層和處於所述管體的弱化區的散沙層。
實施方式
圖1示意性地顯示根據該發明的土體凍脹檢測裝置10（以下稱之為裝置10）。裝置10包括管體11、設定在管體11內的測桿12和用於設定在地表的位移測量器13。管體11延伸穿過待測土體的最大凍結深度，即管體11的頂部延伸到地表，而末部延伸到處於最大凍結深度之下的非凍脹層。在管體11的末部固定設定有用於固定裝置10的錨固件14，測桿12的末部也與錨固件14固定相連，由此錨固件14實現了將裝置10固定，實際上錨固件14確定了測量基準。
測桿12的頂部為測量部。位移測量器13可與測量部相互作用，由此而檢測位移測量器13相對於測量部的豎向位移，從而得到土體的凍脹量。在圖1所示的實施例中，位移測量器13包括設定在地表面的受力盤131、裝配在受力盤131第一面上的測量件132以及裝配在受力盤131第二面上的引線133。在一個實施例中，測量件132為螺線圈，測桿12的測量部延伸到螺線圈內。當土體發生凍脹時，受力盤131和螺線圈132會運動遠離測量部，由此在螺線圈132會產生感應電流。通過分析該感應電流就能夠得知螺線圈132的移位量，從而間接測得了土體的凍脹量。這種測量方法是該領域的技術人員所熟知的，這裡不再贅述。還應注意地是，位移測量器13還可以採用其他方式測量位移量，例如紅外測距，這些測量方法是該領域的技術人員所熟知的。
為了能準確地測量土體的凍脹量，在管體11的上間隔設定了多個沿周向的環形弱化區15（如圖1所示）。在土體發生凍脹時，多個弱化區15將管體11分成多個能獨立運動的管段，即處於凍脹層內管段會獨立於處於未凍脹層和非凍脹層中的管段而運動，從而處於凍脹層內的管段成為自由管段。如圖2所示，土體16的凍脹層為21、未凍脹層為22、非凍脹層為23。應注意地是，凍脹層21和未凍脹層22均處於土體16的最大凍深範圍L內。未凍脹層22僅是暫時未發生凍脹，隨著土體16被朝向深處逐層凍結，其最終也會發生凍脹。非凍脹層為23則不會發生凍結。在凍脹層21記憶體在有自由管段24，在未凍脹層22內的管段25。和非凍脹層23內的管段不是自由管段。在自由管段24和管段25之間存在有一個弱化區15。
自由管段24會被側向凍脹緊箍力F1夾緊並且隨著縱向凍脹力F2與凍脹層21一起朝向地面豎向上運動。由於自由管段24與管段25是相互獨立的，因此自由管段24的運動不會導致管段25相對於土體豎向向上運動，也就不會導致管體11整體相對於土體豎向向上運動。這樣，錨固件14的位置就不會發生變化，測桿12的測量部的位置也就不會發生變化。換句話說，測量土體凍脹的基準點沒有發生變化。另外，管段25不豎向向上運動，也就不會攜帶未凍脹層22的土體豎直向向上運動，由此未凍脹層22不會豎直向上地擠壓凍脹層21，即凍脹層21的隆起高度不包括非凍脹層22對凍脹層21的擠壓的效果（實際上不存在這種擠壓）。這樣，裝置10測得的凍脹量就僅由於凍脹層21的凍脹而產生，從而真實地反應了凍脹層21的凍脹量。隨著土體16被由地表朝向地層深處逐層凍結，管體11上的其他弱化區15會逐漸將管體11分成多個能獨立運動的自由管段，更深層的未凍脹層也不會對凍脹層產生擠壓。由此，在測量土體16的凍脹期間，不但測量基準點不發生變化，而且所測的每個凍脹層的凍脹量也是準確的，從而通過裝置10測得的土體16的最終的凍脹量也是準確的。
所設定的弱化區15的數量越多，裝置10測得的凍脹量越準確，但是管體11的結構也變得更加複雜，加工成本也越高。在一個優選的實施例中，弱化區的數量與管體的長度的數值之比在8:1-15:1之間，優選為10:1，並且弱化區15沿管體11的長度均勻分布。發明人發現，在實際施工中，這種結構的管體11能夠測量出對於施工足夠精確的土體凍脹量，而且管體11的結構仍保持簡單，從而大大方便了裝置10的製造和使用。
圖3顯示了形成弱化區15的第一種方式。管體11包括多個套管，這些套管通過多個直接頭順次相連。圖3示意性地顯示了兩個套管31、32通過直接頭33相連。下面以套管31與直接頭33的連線為例進行描述，在直接頭33的內壁上設定有徑向向里凸出的擋環34。在擋環34的兩端形成連線部38。套管31插入到連線部38中，並且通過摩擦力與直接頭33連線在一起。當土體16發生凍脹時，套管31會在縱向凍脹力F2的作用下沿著連線部38運動，但不會從直接頭33中移出，即套管31與直接頭33的連線形成弱化區15，套管31就形成自由管段。可使用各種硬塑膠來製造套管和直接頭，硬塑膠例如可為硬質聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚乙烯、交聯聚乙烯、三型聚丙烯、聚丁烯、工程塑膠等，這些材料均是該領域的技術人員所熟知的，並且能主動做出適當的選擇。
圖4顯示了形成弱化區15的第二種方式，圖5是圖4中的套管51的B向視圖。在這種方式中，管體11包括多個直接順次相連套管。圖5示意性地顯示了相連的兩個套管51和52。在套管51的內壁上設定有環形槽54。在環形槽54的外側壁56上設定有沿軸向的缺口53。例如，環形槽54可由以下方式形成：在套管51內部，在內壁上設定擋環57，在套管51的端部設定卡環56，擋環57和卡環56之間就形成環形槽54。在這種情況中，擋環57形成環形槽54的內側壁，卡環56形成環形槽54的外側壁，缺口53則形成在卡環56上。在管上52設定有凸起55。凸起55的尺寸與缺口53和環形槽54匹配，使得能將凸起55與環形槽54配合在一起而實現弱化區15。當土體16發生凍脹時，環形槽54和/或凸起55會被拉斷而將弱化區15破壞掉，套管51就形成自由管段。套管的材質可為各種硬塑膠，例如可為硬質聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚乙烯、交聯聚乙烯、三型聚丙烯、聚丁烯、工程塑膠等，這些材料均是該領域的技術人員所熟知的，並且能主動做出適當的選擇。在一個優選的實施例中，環形槽54的軸向尺寸構造為大於凸起55的軸向尺寸，如圖6所示。這樣，套管51本身就能相對於其餘的套管而獨立運動。在測量凍脹量時，套管51的獨立運動會順應凍脹，從而管體11整體不被破壞掉，裝置10也因此能重複使用，這降低了測量成本，避免了浪費。應注意地是，在安裝裝置10期間，由於土體16的推擋、檢測孔70的底端的阻擋作用以及其他作用，下層的套管的凸起已經被推到與擋環相接觸，如圖6所示，凸起55與擋環57相接觸。這樣在土體16凍脹時，上部的套管就能夠自由運動，如圖6所示，套管51的運動距離為運動空間58的軸向距離。
下面根據圖2來說明，使用裝置10來檢測土體凍脹量的方法。
首先，在土體16中設定檢測孔70。檢測孔70從地表延伸穿過土體最大凍結深度，終止於土體的非凍脹層23。接著向檢測孔70內設定管體11和測桿12，在檢測孔70的孔口處設定位移測量器13。管體和測桿通過錨固件14固定於非凍脹層23中。當土體16發生凍脹時，檢測位移測量器13相對於測桿12的測量部的豎向位移而得到土體16的凍脹量。
優選地，還在管體11和檢測孔70的孔壁之間的間隙中填充填料71以用於滲水而破壞裝置10。在一個優選的實施例中，填料71包括處於管體11的非弱化區的水泥澆築層和處於管體11的弱化區15的散沙層。這種填料易於獲得，並且價格低廉，從而能降低檢測成本。當然，該領域的技術人員也可以使用其他類型的填料。
榮譽表彰
2020年7月14日，《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
在一個實施例中，環形弱化區的數量與管體的數值之比在8:1-15:1之間。在一個優選的實施例中，弱化區的數量與管體的長度的數值之比為10:1。在一個優選的實施例中，環形弱化區沿管體的長度均勻分布。在實際施工中，這種結構的管體能夠測量出對於施工足夠精確的土體凍脹量，而且管體的結構仍保持簡單，從而方便了土體凍脹檢測裝置的製造和使用。
在一個實施例中，管體由多個套管通過多個直接頭順次連線而成，在直接頭的內壁上設定有徑向向里凸出的擋環，在直接頭的兩個端部和擋環之間形成連線部，套管與連線部依靠摩擦力連線在一起而實現弱化區。在土體發生凍脹時，在凍脹縱向力的作用下套管可沿軸向在直接頭內運動，從而實現每一個套管都能夠相對於其餘的套管而獨立運動。此外，這種連線方式使得管體整體不被破壞掉，土體凍脹檢測裝置也因此能重複使用，這降低了成本，避免了浪費。
在一個實施例中，管體由多個套管順次連線而成，在一個套管的內壁上設定有環形槽，在所述環形槽的外側壁上設定有沿軸向的缺口，在另一套管上設定有與缺口和環形槽匹配的凸起，凸起與連線部配合在一起而實現套管的弱化區。在一個優選的實施例中，環形槽的軸向尺寸大於凸起的軸向尺寸。這種結構不需要額外的連線部件，僅需要將套管彼此相連就能夠實現弱化區，並且每一個套管都能夠相對於其餘的套管而獨立運動。這簡化了管體的結構，降低了管體的生產成本，土體凍脹檢測裝置也能重複使用，避免了浪費。
根據《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的第二方面，提出了一種使用根據上文所述的土體凍脹檢測裝置來檢測土體凍脹量方法，包括以下步驟，
步驟一：在土體中設定檢測孔，檢測孔從地表延伸穿過土體的最大凍結深度，終止於土體的非凍脹層；
步驟二：在檢測孔內設定管體和測桿，並且將管體和測桿通過錨固件固定於非凍脹層中，在檢測孔的孔口處設定位移測量器；
步驟三：當土體發生凍脹時，檢測位移測量器相對於測桿的測量部的豎向位移，而得到土體的凍脹量。
在一個實施例中，在步驟二中，還在管體和檢測孔的孔壁之間的間隙中填充有用於防止滲水的填料。這種填料能夠防止水進入到土體凍脹檢測裝置內，而將其破壞。在一個優選的實施例中，填料包括處於管體的非弱化區的水泥澆築層和處於管體的弱化區的散沙層。這樣，在發生凍脹時，水泥澆築層能夠對自由管段一起運動，而散沙層能夠避免弱化區被固定住而不能使管體分成自由管段。
在該申請中，用語“豎向”是指朝向地面的方向。應理解地是，對於不同的地面，該豎向也可有所不同。
改善效果
《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的優點在於：（1）通過在管體上設定弱化區，使得在測量土體的凍脹量時，處於凍脹層內的管體部分形成自由管段。自由管段會隨著凍脹層一起運動，而不會導致錨固件的位置會發生變化，進而測桿的測量部的位置也就不會發生變化，即測量凍脹的基準點不發生變化。另外，所測得的每一凍脹層的凍脹量也是準確的。從而，使用《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的裝置能夠準確測出土體的凍脹量。（2）構成管體的每一個套管都能夠相對於其餘套管而獨立運動。在使用測量土體的凍脹量時，由於處於凍脹層的套管的獨立運動順應了凍脹，從而管體整體不被破壞掉，土體凍脹檢測裝置也因此能重複使用，這降低了成本，避免了浪費。
附圖說明
圖1是根據《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的土體凍脹檢測裝置的結構示意圖；
圖2是根據《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》的土體凍脹檢測裝置在使用狀態中的示意圖；
圖3到圖6是形成管體的弱化區的不同方式；
在附圖中，相同的部件使用相同的附圖示記。附圖並未按照實際的比例。
技術領域
《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》涉及土木工程領域，更具體來說涉及土體凍脹測量領域。
權利要求
1.一種土體凍脹檢測裝置，包括：管體，在所述管體上間隔設定有多個沿周向的環形弱化區，在所述管體的末部固定設定有用於固定到所述土體的非凍脹層的錨固件，設定在所述管體內的測桿，所述測桿的末部與所述錨固件固定相連，所述測桿的頂部為測量部，用於設定在所述土體的地表的位移測量器，通過檢測其相對於所述測量部的豎向位移而得到所述土體的凍脹量；其中，當土體凍脹時，所述多個弱化區將管體分成多個能獨立運動的管段。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述弱化區的數量與所述管體的長度的數值之比在8:1-15:1之間。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述弱化區的數量與所述管體的長度的數值之比為10:1。
4.根據權利要求1到3中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述弱化區沿所述管體的長度均勻分布。
5.根據權利要求1到4中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述管體由多個套管通過多個直接頭順次連線而成，在所述直接頭的內壁上設定有徑向向里凸出的擋環，在所述直接頭的兩個端部和所述擋環之間形成連線部，所述套管與所述連線部依靠摩擦力連線在一起而實現所述弱化區。
6.根據權利要求1到4中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述管體由多個套管順次連線而成，在一個套管的內壁上設定有環形槽，在所述環形槽的外側壁上設定有沿軸向的缺口，在另一套管上設定有與所述缺口和環形槽匹配的凸起，其中，所述凸起與所述連線部配合在一起而實現套管的弱化區。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述環形槽的軸向尺寸大於所述凸起的軸向尺寸。
8.一種使用根據權利要求1到7中任一項所述的土體凍脹檢測裝置來檢測土體凍脹量方法，包括以下步驟，
步驟一：在土體中設定檢測孔，所述檢測孔從地表延伸穿過所述土體的最大凍結深度，終止於所述土體的非凍脹層；
步驟二：在所述檢測孔內設定管體和測桿，並且將所述管體和測桿通過錨固件固定於所述非凍脹層中，在所述檢測孔的孔口處設定所述位移測量器；
步驟三：當所述土體發生凍脹時，檢測所述位移測量器相對於所述測桿的測量部的豎向位移，而得到所述土體的凍脹量。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，在所述步驟二中，還在所述管體和所述檢測孔的孔壁之間的間隙中填充有用於防止滲水的填料。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述填料包括處於所述管體的非弱化區的水泥澆築層和處於所述管體的弱化區的散沙層。
實施方式
圖1示意性地顯示根據該發明的土體凍脹檢測裝置10（以下稱之為裝置10）。裝置10包括管體11、設定在管體11內的測桿12和用於設定在地表的位移測量器13。管體11延伸穿過待測土體的最大凍結深度，即管體11的頂部延伸到地表，而末部延伸到處於最大凍結深度之下的非凍脹層。在管體11的末部固定設定有用於固定裝置10的錨固件14，測桿12的末部也與錨固件14固定相連，由此錨固件14實現了將裝置10固定，實際上錨固件14確定了測量基準。
測桿12的頂部為測量部。位移測量器13可與測量部相互作用，由此而檢測位移測量器13相對於測量部的豎向位移，從而得到土體的凍脹量。在圖1所示的實施例中，位移測量器13包括設定在地表面的受力盤131、裝配在受力盤131第一面上的測量件132以及裝配在受力盤131第二面上的引線133。在一個實施例中，測量件132為螺線圈，測桿12的測量部延伸到螺線圈內。當土體發生凍脹時，受力盤131和螺線圈132會運動遠離測量部，由此在螺線圈132會產生感應電流。通過分析該感應電流就能夠得知螺線圈132的移位量，從而間接測得了土體的凍脹量。這種測量方法是該領域的技術人員所熟知的，這裡不再贅述。還應注意地是，位移測量器13還可以採用其他方式測量位移量，例如紅外測距，這些測量方法是該領域的技術人員所熟知的。
為了能準確地測量土體的凍脹量，在管體11的上間隔設定了多個沿周向的環形弱化區15（如圖1所示）。在土體發生凍脹時，多個弱化區15將管體11分成多個能獨立運動的管段，即處於凍脹層內管段會獨立於處於未凍脹層和非凍脹層中的管段而運動，從而處於凍脹層內的管段成為自由管段。如圖2所示，土體16的凍脹層為21、未凍脹層為22、非凍脹層為23。應注意地是，凍脹層21和未凍脹層22均處於土體16的最大凍深範圍L內。未凍脹層22僅是暫時未發生凍脹，隨著土體16被朝向深處逐層凍結，其最終也會發生凍脹。非凍脹層為23則不會發生凍結。在凍脹層21記憶體在有自由管段24，在未凍脹層22內的管段25。和非凍脹層23內的管段不是自由管段。在自由管段24和管段25之間存在有一個弱化區15。
自由管段24會被側向凍脹緊箍力F1夾緊並且隨著縱向凍脹力F2與凍脹層21一起朝向地面豎向上運動。由於自由管段24與管段25是相互獨立的，因此自由管段24的運動不會導致管段25相對於土體豎向向上運動，也就不會導致管體11整體相對於土體豎向向上運動。這樣，錨固件14的位置就不會發生變化，測桿12的測量部的位置也就不會發生變化。換句話說，測量土體凍脹的基準點沒有發生變化。另外，管段25不豎向向上運動，也就不會攜帶未凍脹層22的土體豎直向向上運動，由此未凍脹層22不會豎直向上地擠壓凍脹層21，即凍脹層21的隆起高度不包括非凍脹層22對凍脹層21的擠壓的效果（實際上不存在這種擠壓）。這樣，裝置10測得的凍脹量就僅由於凍脹層21的凍脹而產生，從而真實地反應了凍脹層21的凍脹量。隨著土體16被由地表朝向地層深處逐層凍結，管體11上的其他弱化區15會逐漸將管體11分成多個能獨立運動的自由管段，更深層的未凍脹層也不會對凍脹層產生擠壓。由此，在測量土體16的凍脹期間，不但測量基準點不發生變化，而且所測的每個凍脹層的凍脹量也是準確的，從而通過裝置10測得的土體16的最終的凍脹量也是準確的。
所設定的弱化區15的數量越多，裝置10測得的凍脹量越準確，但是管體11的結構也變得更加複雜，加工成本也越高。在一個優選的實施例中，弱化區的數量與管體的長度的數值之比在8:1-15:1之間，優選為10:1，並且弱化區15沿管體11的長度均勻分布。發明人發現，在實際施工中，這種結構的管體11能夠測量出對於施工足夠精確的土體凍脹量，而且管體11的結構仍保持簡單，從而大大方便了裝置10的製造和使用。
圖3顯示了形成弱化區15的第一種方式。管體11包括多個套管，這些套管通過多個直接頭順次相連。圖3示意性地顯示了兩個套管31、32通過直接頭33相連。下面以套管31與直接頭33的連線為例進行描述，在直接頭33的內壁上設定有徑向向里凸出的擋環34。在擋環34的兩端形成連線部38。套管31插入到連線部38中，並且通過摩擦力與直接頭33連線在一起。當土體16發生凍脹時，套管31會在縱向凍脹力F2的作用下沿著連線部38運動，但不會從直接頭33中移出，即套管31與直接頭33的連線形成弱化區15，套管31就形成自由管段。可使用各種硬塑膠來製造套管和直接頭，硬塑膠例如可為硬質聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚乙烯、交聯聚乙烯、三型聚丙烯、聚丁烯、工程塑膠等，這些材料均是該領域的技術人員所熟知的，並且能主動做出適當的選擇。
圖4顯示了形成弱化區15的第二種方式，圖5是圖4中的套管51的B向視圖。在這種方式中，管體11包括多個直接順次相連套管。圖5示意性地顯示了相連的兩個套管51和52。在套管51的內壁上設定有環形槽54。在環形槽54的外側壁56上設定有沿軸向的缺口53。例如，環形槽54可由以下方式形成：在套管51內部，在內壁上設定擋環57，在套管51的端部設定卡環56，擋環57和卡環56之間就形成環形槽54。在這種情況中，擋環57形成環形槽54的內側壁，卡環56形成環形槽54的外側壁，缺口53則形成在卡環56上。在管上52設定有凸起55。凸起55的尺寸與缺口53和環形槽54匹配，使得能將凸起55與環形槽54配合在一起而實現弱化區15。當土體16發生凍脹時，環形槽54和/或凸起55會被拉斷而將弱化區15破壞掉，套管51就形成自由管段。套管的材質可為各種硬塑膠，例如可為硬質聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、聚乙烯、交聯聚乙烯、三型聚丙烯、聚丁烯、工程塑膠等，這些材料均是該領域的技術人員所熟知的，並且能主動做出適當的選擇。在一個優選的實施例中，環形槽54的軸向尺寸構造為大於凸起55的軸向尺寸，如圖6所示。這樣，套管51本身就能相對於其餘的套管而獨立運動。在測量凍脹量時，套管51的獨立運動會順應凍脹，從而管體11整體不被破壞掉，裝置10也因此能重複使用，這降低了測量成本，避免了浪費。應注意地是，在安裝裝置10期間，由於土體16的推擋、檢測孔70的底端的阻擋作用以及其他作用，下層的套管的凸起已經被推到與擋環相接觸，如圖6所示，凸起55與擋環57相接觸。這樣在土體16凍脹時，上部的套管就能夠自由運動，如圖6所示，套管51的運動距離為運動空間58的軸向距離。
下面根據圖2來說明，使用裝置10來檢測土體凍脹量的方法。
首先，在土體16中設定檢測孔70。檢測孔70從地表延伸穿過土體最大凍結深度，終止於土體的非凍脹層23。接著向檢測孔70內設定管體11和測桿12，在檢測孔70的孔口處設定位移測量器13。管體和測桿通過錨固件14固定於非凍脹層23中。當土體16發生凍脹時，檢測位移測量器13相對於測桿12的測量部的豎向位移而得到土體16的凍脹量。
優選地，還在管體11和檢測孔70的孔壁之間的間隙中填充填料71以用於滲水而破壞裝置10。在一個優選的實施例中，填料71包括處於管體11的非弱化區的水泥澆築層和處於管體11的弱化區15的散沙層。這種填料易於獲得，並且價格低廉，從而能降低檢測成本。當然，該領域的技術人員也可以使用其他類型的填料。
榮譽表彰
2020年7月14日，《土體凍脹檢測裝置和檢測土體凍脹量方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
