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申请/专利权人：石家庄铁道大学

摘要：本发明适用于土木技术领域，提供了一种土体冰点测量系统，包括用于插入待测土体内部的探测单元、制冷单元、数据分析单元、测温单元；探测单元设有密闭的第一腔体，制冷单元的出液口和进液口均与第一腔体导通，制冷单元用于控制制冷剂在第一腔体内循环，测温单元固定安装在探测单元上，测温单元连接数据分析单元，测温单元用于采集土体的温度值，并将采集的温度值传送至数据分析单元，数据分析单元对温度值进行分析。此系统结构简单，体积小，便于携带到现场进行测试，不需要对土体重塑取样，实现对原始状态的土体进行测试，提高测试的准确性。

主权项：1.一种土体冰点测量系统，其特征在于，包括用于插入待测土体内部的探测单元、制冷单元、数据分析单元、测温单元；所述探测单元设有密闭的第一腔体，所述制冷单元的出液口和进液口均与所述第一腔体导通，所述制冷单元用于控制制冷剂在所述第一腔体内循环，所述测温单元固定安装在所述探测单元上，所述测温单元连接所述数据分析单元，所述测温单元用于采集土体的温度值，并将采集的温度值传送至所述数据分析单元，所述数据分析单元对温度值进行分析；所述探测单元包括管体，所述管体的一端安装有锥形钻头，另一端安装有密封塞，所述管体、所述锥形钻头和所述密封塞形成所述第一腔体，所述密封塞上设有进液口和出液口，所述密封塞上的进液口连接所述制冷单元的出液口，所述密封塞上的出液口连接所述制冷单元的进液口，所述测温单元固定安装在所述管体的外表面上；所述测温单元包括环带，所述环带套接在所述管体的外表面上，所述环带上设有若干个测温机构，每个测温机构包括安装在所述环带上带有第二腔体的绝热壳，所述绝热壳上镶嵌有导热体，所述导热体贯穿所述绝热壳，所述第二腔体内部设有与所述导热体接触的温度传感器，每个测温机构中的温度传感器均连接所述数据分析单元；所述第二腔体内部填充有绝热材料；所述制冷单元包括冷浴机、第一液管和第二液管，所述第一液管的一端连接所述冷浴机的出液口，所述第一液管的另一端穿过所述密封塞上的进液口并延伸至靠近所述锥形钻头的位置，所述第一液管的端部和所述锥形钻头之间设有间隙，所述第二液管的一端连接所述冷浴机的进液口，所述第二液管的另一端穿过所述密封塞上的出液口与所述第一腔体导通；所述管体的外表面设有通道，所述数据分析单元和所述测温单元之间的连接线位于所述通道内；所述数据分析单元包括处理器、输入器和显示器，所述处理器分别连接所述输入器、所述显示器和测温单元。

全文数据：土体冰点测量系统及土体冰点测量方法技术领域本发明属于土木技术领域，尤其涉及一种土体冰点测量系统及土体冰点测量方法。背景技术随着经济技术的发展，地下空间的开发利用成为主流发展趋势，地下空间的开发是解决当前人口密集问题和交通堵塞问题以及缩短区域距离的一种重要手段。冻结法作为应用于地下空间开发的一种加固工法，具有显著的技术优势和较大的经济优势。冻结法施工最先应用于煤炭行业，主要是冻结凿井法，并取得了较多的研究成果，随着冻结法施工技术的完善，目前广泛应用于沿海地区等富水地区的城市建设。不同土体结冰温度各不相同，采用冻结法进行加固设计时需要高精度的土体冰点数据，保证冻结施工时在设计的冻结时间范围内冻结壁厚度达到设计值，形成有效的防水封闭层，沿海地区地层含盐量往往较高，导致土体冰点较低，因此需要测得土体结冰温度。目前土体冰点测量设备复杂，体积较大，只能够对待测土体进行取样，带回实验室进行测试，并不能够在现场进行测试。发明内容有鉴于此，本发明实施例提供了一种土体冰点测量系统及土体冰点测量方法，以解决现有技术中土体冰点测试设备复杂、体积大的问题。为解决上述技术问题，本发明第一实施例提供了一种土体冰点测量系统，包括用于插入待测土体内部的探测单元、制冷单元、数据分析单元、测温单元；所述探测单元设有密闭的第一腔体，所述制冷单元的出液口和进液口均与所述第一腔体导通，所述制冷单元用于控制制冷剂在所述第一腔体内循环，所述测温单元固定安装在所述探测单元上，所述测温单元连接所述数据分析单元，所述测温单元用于采集土体的温度值，并将采集的温度值传送至所述数据分析单元，所述数据分析单元对温度值进行分析。进一步地，所述探测单元包括管体，所述管体的一端安装有锥形钻头，另一端安装有密封塞，所述管体、所述锥形钻头和所述密封塞形成所述第一腔体，所述密封塞上设有进液口和出液口，所述密封塞上的进液口连接所述制冷单元的出液口，所述密封塞上的出液口连接所述制冷单元的进液口，所述测温单元固定安装在所述管体的外表面上。进一步地，所述测温单元包括环带，所述环带套接在所述管体的外表面上，所述环带上设有若干个测温机构，每个测温机构包括安装在所述环带上带有第二腔体的绝热壳，所述绝热壳上镶嵌有导热体，所述导热体贯穿所述绝缘壳，所述第二腔体内部设有与所述导热体接触的温度传感器，每个测温机构中的温度传感器均连接所述数据分析单元。进一步地，所述第二腔体内部填充有绝热材料。进一步地，所述绝缘材料为挤塑聚苯乙烯泡沫塑料。进一步地，所述绝热壳为有机玻璃制作而成。进一步地，所述制冷单元包括冷浴机、第一液管和第二液管，所述第一液管的一端连接所述冷浴机的出液口，所述第一液管的另一端穿过所述密封塞上的进液口并延伸至靠近所述锥形钻头的位置，所述第一液管的端部和所述锥形钻头之间设有间隙，所述第二液管的一端连接所述冷浴机的进液口，所述第二液管的另一端穿过所述密封塞上的出液口与所述第一腔体导通。进一步地，所述管体的外表面设有通道，所述数据分析单元和所述测温单元之间的连接线位于所述通道内。进一步地，所述数据分析单元包括处理器、输入器和显示器，所述处理器分别连接所述输入器、所述显示器和测温单元。本发明的第二实施例提供了一种土体冰点测量方法，包括：将管体插入待测土体预设深度，开启冷浴机对土体进行降温；测温单元采集土体的温度值，并将采集的温度值传送至数据分析单元；数据分析单元对测温单元采集的温度值进行处理，生成土体温度变化曲线图。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明设计了一种土体冰点测量系统，现场测试时，将探测单元插入待测区域的土体内，安装在探测单元上的测温单元一同插入待测土体内，开启制冷单元，制冷单元控制制冷剂在探测单元上的第一腔体内循环，通过热传导原理使探测单元周围的土体降温，测温单元实时对土体的温度进行采集，并将采集的温度值传送至数据分析单元，数据分析单元对温度值进行处理，生成土体温度变化曲线，实验人员通过观测土体温度变化曲线可以对土体的结冰温度进行研究。此系统结构简单，体积小，便于携带到现场进行测试，不需要对土体重塑取样，实现对原始状态的土体进行测试，提高测试的准确性。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例提供的土体冰点测量系统的结构示意图；图2是本发明实施例提供的测温机构的结构示意图；图3是本发明实施例提供的土体冰点测量方法流程图；图4是本发明实施例提供的降温过程中土体温度变化曲线。图中：1、锥形钻头；2、管体；3、第一腔体；4、环带；5、绝热壳；6、导热体；7、温度传感器；8、第二腔体；9、第一液管；10、第二液管；11、把手；12、冷浴机；13、铜片；14、锡块。具体实施方式以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。如图1和图2所示，土体冰点测量系统包括用于插入待测土体内部的探测单元、制冷单元、数据分析单元、测温单元；探测单元设有密闭的第一腔体3，制冷单元的出液口和进液口均与第一腔体3导通，制冷单元用于控制制冷剂在第一腔体3内循环，测温单元固定安装在探测单元上，测温单元连接数据分析单元，测温单元用于采集土体的温度值，并将采集的温度值传送至数据分析单元，数据分析单元对温度值进行分析。现场测试时，将探测单元插入待测区域的土体内，安装在探测单元上的测温单元一同插入待测土体内，开启制冷单元，制冷单元控制制冷剂在探测单元上的第一腔体3内循环，通过热传导原理使探测单元周围的土体降温，测温单元实时对土体的温度进行采集，并将采集的温度值传送至数据分析单元，数据分析单元对温度值进行处理，生成土体温度变化曲线，实验人员通过观测土体温度变化曲线可以对土体的结冰温度进行研究。此系统结构简单，体积小，便于携带到现场进行测试，不需要对土体重塑取样，实现对原始状态的土体进行测试，提高测试的准确性。本发明的一个实施例中，探测单元包括管体2，管体2的一端安装有锥形钻头1，另一端安装有密封塞，管体2、锥形钻头1和密封塞形成第一腔体3，密封塞上设有进液口和出液口，密封塞上的进液口连接制冷单元的出液口，密封塞上的出液口连接制冷单元的进液口，测温单元固定安装在管体2的外表面上。使用时，将带有锥形钻头1的管体2的一端插入土体内，锥形钻头1的设计能够使土体分离，便于管体2整体的插入；制冷单元可以控制制冷剂在第一腔体3内进行循环，实现对土体的持续降温，以保证达到待测土体的冰点结冰温度，测温单元固定安装在管体2的外表面，并且测温单元位于靠近锥形钻头1的一端，以保证测温单元能够进入到土体的内部，实现对土体温度的实时采集。本发明的一个实施例中，测温单元包括环带4，环带4套接在管体2的外表面上，环带4上设有若干个测温机构，每个测温机构包括安装在环带4上带有第二腔体8的绝热壳5，绝热壳5上镶嵌有导热体6，导热体6贯穿所述绝缘壳，第二腔体8内部设有与导热体6接触的温度传感器7，每个测温机构中的温度传感器7均连接数据分析单元。将温度传感器7安装在绝热壳5的第二腔体8内，在插入土体内部时，可以保护温度传感器7不受损坏，绝热壳5使用绝热材料能够实现管体2和温度传感器7之间的没有热传导或最大限度的降低管体2和传感器之间的热传导，提高温度传感器7采集土体温度的准确性，同时绝热壳5上镶嵌的导热体6并且温度传感器7和导热体6接触，导热体6可以将土体的温度传递到第二腔体8内，实现温度传感器7对土体温度的精确采集。此外设置若干个测温机构，每个测温机构分布安装在管体2的周围，每个测温机构中的温度传感器7采集对应位置土体的温度值，数据分析单元可以接收多个温度传感器7采集的温度值，然后对若干个温度传感器7采集的温度值取平均值，降低采集土体温度值的误差，提高采集的准确性。本发明的一个实施例中，绝热壳5的形状为中空的四棱锥，底面为平行四边形，平行四边形的钝角大于120度，平行四边形的长对角线和管体2的轴线平行，此设计能够降低管体2插入土体时绝热壳5和土体之间的摩擦力，便于管体2能够顺利插入土体中，同时能够降低周围土体的形变，提高测试的准确性。本发明的一个实施例中，第二腔体8内部填充有绝热材料，绝缘材料为挤塑聚苯乙烯泡沫塑料，此设计能够最大限度降低管体2和温度传感器7之间的热传导，从而降低温度传感器7采集土体温度值得干扰，提高温度传感器7采集的准确性；管体2可以选用低碳无缝钢管，具有强度大的特点，能够便于管体2插入土体，同时也具有良好的导热性，实现对管体2周围土体的降温；导热体6可以选用铜片13和锡块14的结合，铜片13贯穿绝热壳5，将土体的实际温度传递到第二腔体8内，锡块14安装在铜片13上，温度传感器7安装在锡块14上，由于铜片13和锡块14均具有良好的导热性，因此温度传感器7可以准确采集土体的实时温度值；绝热壳5为有机玻璃制作而成，有机玻璃具有强度大和导热性差的特点，可以很好的起到保护温度传感器7的作用，同时能够起到隔热的作用，最大限度降低管体2和温度传感器7之间的热交换，提高温度传感器7采集的准确性。本发明的一个实施例中，制冷单元包括冷浴机12、第一液管9和第二液管10，第一液管9的一端连接冷浴机12的出液口，第一液管9的另一端穿过密封塞上的进液口并延伸至靠近锥形钻头1的位置，第一液管9的端部和锥形钻头1之间设有间隙，第二液管10的一端连接冷浴机12的进液口，第二液管10的另一端穿过密封塞上的出液口与第一腔体3导通。冷浴机12能够实现恒温输出，实验前可以对冷浴机12的降温温度进行设定，冷浴机12即可以设定的温度对土体进行降温，便于实验人员对测试条件的灵活控制；第一液管9即为进液管，第二液管10即为出液管，第一液管9的端部延伸至靠近锥形钻头1的位置，在管体2处于插入土体状态时，制冷剂由管体2的底部进入，由管体2的顶部流出，实现制冷剂在第一腔体3内快速循环，提高对土体降温的效率。本发明的一个实施例中，冷浴机12中的制冷剂选用乙二醇，乙二醇的冰点为-25摄氏度，满足各种环境下土体冰点实验的要求。本发明的一个实施例中，管体2的外表面设有通道，数据分析单元和测温单元之间的连接线位于通道内。通道的设计可以起到保护系统中连接线的作用，提高系统整体的稳定性。本发明的一个实施例中，数据分析单元包括处理器、输入器和显示器，处理器分别连接输入器、显示器和测温单元。测温单元包括若干个温度传感器7，即若干个温度传感器7均与处理器连接，处理器接收多个温度传感器7采集的温度值，并对若干个温度值进行分析处理，生成土体温度变化曲线图，并通过显示器显示曲线图，实验人员通过曲线图对土体冰点进行研究。本发明的一个实施例中，管体2的外表面还设有把手11，实验人员可以通过把手11下压管体2，便于管体2插入到土体内部。如图3所示，土体冰点测量方法，包括：步骤S301，将管体2插入待测土体预设深度，开启冷浴机12对土体进行降温，可以预先设置冷浴机12的输出温度，设置输出温度范围为-10摄氏度至-5摄氏度，例如设置-5摄氏度，则冷浴机12以-5摄氏度的恒温对土体进行降温。步骤S302，测温单元采集土体的温度值，并将采集的温度值传送至数据分析单元。步骤S303，数据分析单元对测温单元采集的温度值进行处理，生成土体温度变化曲线图；降温制冷开始后，测温锥角上铜片13外部土体会经历降温阶段、过冷阶段、突变阶段、冻结阶段、继续冷却段等五个阶段，当外界传入的冷量与相变释放的潜热平衡时，温度上升停止，此时的温度就是该土的结冰温度，如图4所示，为一次实际测试过程中得出的土体温度变化曲线。以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种土体冰点测量系统，其特征在于，包括用于插入待测土体内部的探测单元、制冷单元、数据分析单元、测温单元；所述探测单元设有密闭的第一腔体，所述制冷单元的出液口和进液口均与所述第一腔体导通，所述制冷单元用于控制制冷剂在所述第一腔体内循环，所述测温单元固定安装在所述探测单元上，所述测温单元连接所述数据分析单元，所述测温单元用于采集土体的温度值，并将采集的温度值传送至所述数据分析单元，所述数据分析单元对温度值进行分析。2.根据权利要求1所述的土体冰点测量系统，其特征在于，所述探测单元包括管体，所述管体的一端安装有锥形钻头，另一端安装有密封塞，所述管体、所述锥形钻头和所述密封塞形成所述第一腔体，所述密封塞上设有进液口和出液口，所述密封塞上的进液口连接所述制冷单元的出液口，所述密封塞上的出液口连接所述制冷单元的进液口，所述测温单元固定安装在所述管体的外表面上。3.根据权利要求2所述的土体冰点测量系统，其特征在于，所述测温单元包括环带，所述环带套接在所述管体的外表面上，所述环带上设有若干个测温机构，每个测温机构包括安装在所述环带上带有第二腔体的绝热壳，所述绝热壳上镶嵌有导热体，所述导热体贯穿所述绝缘壳，所述第二腔体内部设有与所述导热体接触的温度传感器，每个测温机构中的温度传感器均连接所述数据分析单元。4.根据权利要求3所述的土体冰点测量系统，其特征在于，所述第二腔体内部填充有绝热材料。5.根据权利要求4所述的土体冰点测量系统，其特征在于，所述绝缘材料为挤塑聚苯乙烯泡沫塑料。6.根据权利要求3所述的土体冰点测量系统，其特征在于，所述绝热壳为有机玻璃制作而成。7.根据权利要求2所述的土体冰点测量系统，其特征在于，所述制冷单元包括冷浴机、第一液管和第二液管，所述第一液管的一端连接所述冷浴机的出液口，所述第一液管的另一端穿过所述密封塞上的进液口并延伸至靠近所述锥形钻头的位置，所述第一液管的端部和所述锥形钻头之间设有间隙，所述第二液管的一端连接所述冷浴机的进液口，所述第二液管的另一端穿过所述密封塞上的出液口与所述第一腔体导通。8.根据权利要求2所述的土体冰点测量系统，其特征在于，所述管体的外表面设有通道，所述数据分析单元和所述测温单元之间的连接线位于所述通道内。9.根据权利要求1至8任一项所述的土体冰点测量系统，其特征在于，所述数据分析单元包括处理器、输入器和显示器，所述处理器分别连接所述输入器、所述显示器和测温单元。10.一种土体冰点测量方法，其特征在于，包括：将管体插入待测土体预设深度，开启冷浴机对土体进行降温；测温单元采集土体的温度值，并将采集的温度值传送至数据分析单元；数据分析单元对测温单元采集的温度值进行处理，生成土体温度变化曲线图。

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