一种分层伸缩式检测土冻胀装置实现的检测方法

摘要

一种分层伸缩式检测土冻胀装置实现的检测方法。在寒区工程建设中，由于施工现场地质条件复杂，冻土冻胀变形监测难度大，难以同时获得一个区域内不同深度的冻胀数据。冻胀装置中多个套管式单体从下至上依次设置在底盘上，锚盘套装在管体外，位移传感器设置在管体内壁上，管体的顶端加工有凸台，管体的底端加工有槽，一个套管式单体的管体分别通过凸台和槽与其相邻的两个套管式单体滑动配合；根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，通过冻胀装置获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形情况。本发明用于垂直或水平方向上冻土冻胀量的监测。

权利要求

1.一种分层伸缩式检测土冻胀装置实现的检测方法，其特征在于：根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每个测点处对应安装一个冻胀装置；

冻胀装置包括底盘和伸缩测量管，伸缩测量管包括多个套管式单体，多个套管式单体从下至上依次设置在底盘上，套管式单体包括管体、锚盘和位移传感器，所述锚盘套装在管体外，位移传感器设置在管体内壁上，管体的顶端加工有凸台，管体的底端加工有槽，一个套管式单体的管体分别通过凸台和槽与其相邻的两个套管式单体滑动配合；

位移传感器为拉线式直线位移传感器，位移传感器包括测头、拉线和固定件，测头通过拉线与固定件相连接，测头设置在其对应的凸台侧壁上，固定件设置在该管体底端的槽内的另一个凸台内；

伸缩测量管的顶部设置有密封盖；

通过冻胀装置获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形情况；

冻胀装置的检测过程包括以下内容：

步骤一：查阅地质资料，在一个测点处，根据检测要求开挖垂直或水平方向的孔洞，根据孔洞的深度选择N个套管式单体，人工夯平孔洞底部后，将套管式单体逐一安装在孔洞中，测量并记录相邻套管式单体中两个锚盘之间的初始距离分别为L0、L1、L2…LN，以及整个冻胀装置中最顶部的锚盘和底盘之间的距离L总，启动每个套管式单体中位移传感器，使位移传感器处于最小量程状态，再回填原土，分层捣实；

步骤二：在一个套管式单体中，将位移传感器与记录仪表连接，将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录、保存，套管式单体在冻土层冻胀变形带动下向上移动，一个套管式单体中的位移传感器监测到其锚盘与下方相邻的另一个套管式单体中锚盘之间的距离变化量为ΔL1，ΔL1即是该套管式单体所在冻土层的冻胀变形；

该套管式单体所在冻土层的冻胀率即为ΔL1/L1，依次类推，获取其他套管式单体所在冻土层的冻胀率为ΔL2/L2…ΔLN/LN，整个冻胀装置所在测点的冻胀率为(ΔL1+ΔL2+…ΔLN)/L总。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每个测点处对应安装一个冻胀装置，通过冻胀装置获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形情况，依据地质勘查报告将测试区域进行划分，划分原则是根据冻胀敏感和冻胀非敏感的性质进行划分，确定并统计测试区域内冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区的个数，在每个冻胀敏感冻土区内确定测点个数和每个冻胀非敏感冻土区内确定测点个数，确定过程如下：

当冻胀敏感冻土区的个数为n个时，一个冻胀敏感冻土区的面积A1，该冻胀敏感冻土区的地表面上划分多个第一小格，每个第一小格的面积为S1，该冻胀敏感冻土区内设置测点的个数N1=A1/S1，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为N2、N3…Nn；

当冻胀非敏感冻土区的个数为m个时，一个冻胀非敏感冻土区的面积B1，该冻胀非敏感冻土区的地表面上划分多个第二小格，每个第二小格的面积为S2，该冻胀敏感冻土区内设置测点的个数M1=B1/S2，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为M2、M3…Mm；

N1、N2、N3…Nn以及M1、M2、M3…Mm的总和即为测试区域中总测点数，再准备对应数目的冻胀装置。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：拉线式直线位移传感器替换为拉杆式直线位移传感器或滑块式直线位移传感器。

说明书

一种分层伸缩式检测土冻胀装置实现的检测方法

技术领域

[0001] 本发明属土木工程技术领域，具体涉及一种分层伸缩式检测土冻胀装置实现的检测方法。

背景技术

[0002] 冻结过程中由于水分迁移引起的冻胀量远远大于孔隙水原位冻结引起的体积膨胀量，冻土区的冻胀、融沉给道路和建筑物造成很大的危害，如出现裂缝、沉陷、结构断裂等
现象。我国越来越多的交通基础设施,如高速公路、高铁等将在冻土区修建，各项工程建设
之前,必须对工程所在地区的土体冻胀特性做出评价,以便采取相应措施,确保工程构筑物
的安全可靠。

[0003] 再者，冻结法技术即用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗
土压力，隔绝地下水，现在已广泛应用于地铁、深基坑、矿井建设等工程中。采用冻结法施工
时，须研究地层冻结时的膨胀和解冻时的下沉变形，以隧道土体为例，包括地表沉降监测；
隧道的沉降位移监测；隧道的水平及垂直方向的收敛变形监测；地面建筑物沉降监测等。因
此，无论在实验室研究冻土冻胀与融沉的发展过程还是施工现场准确获得水平或垂直方向
上的冻土冻胀变形的特征值，都需要可靠的冻胀装置和方法。

[0004] 专利(201410068723.5一种激光传感器测量冻土冻胀位移的装置)提出了利用激光位移传感器在不接触土样的情况下精确测量冻土整体的冻胀位移，操作简单，可靠，大大
的提高了试验的测试效率和精度，但该方法目前仅能适用于实验室土样，不能用于施工现
场。同样专利“CN108572189A一种考虑温度梯度下土体涨缩特性的静动力综合试验系统”、
“CN108519405A一套用于研究土体冻胀过程中力与变形关系的试验设备”、“CN108445192A
一种多功能冻胀、融沉试验装置”、“CN108333323A一种土体冻胀率测量装置和测量方法”、
“CN207557254U一种可控温土体冻胀试验装置”等等都是将传感器置于土体外部监测整个
土体的冻胀变形，适用于实验室模拟现场环境条件的试验装置或试验系统。

[0005] 然而，现场土体冻胀变形由于各地冻结深度、地质条件的不同,其冻胀率值相差很大,因此需要获得工程建设区域冻胀变形的实际值。获得土体冻胀的一个重要手段是现场
观测季节性冻胀层的冻胀量,如埋置数个冻胀钉,固定冻胀钉间距,用水准仪定期观测冻胀
钉的高程。通过各冻胀钉高程的变化量反映各点的冻胀量。如果冻胀量变化微小，通过监测
冻胀钉高程变化很难满足精度要求；发明专利“CN104929098A现场观测季节性冻土区高速
铁路土层冻胀的方法及装置”提出在冻土层中开挖孔洞，埋置下锚盘，用等径接头连接测杆
位移计与上锚盘，季节冻土层冻胀变形带动上、下锚盘移动，通过测杆位移计观测季节冻土
层的冻胀量。为了防止土体冻胀变形后上锚盘上抬，上锚盘与塑料管、填充的低温润滑脂形
成真空腔体,产生负压吸附上锚盘，在上锚盘安装通气管,使通气管伸到土层外面，通气孔
一方面与外部连通干扰了土体温度，另一方面限制了该装置的水平设置。专利
“CN103966993A土体冻胀冻胀装置和检测土体冻胀量方法”，在冻胀层开挖检测孔，将管体
和测杆通过锚固件固定于未冻胀层中，检测孔的孔口处设置位移测量器，管体上间隔设置
有多个环形弱化区，当土体冻胀时，弱化区将管体分成多个能独立运动的管段，保证土体冻
胀测量的基准点不发生变化。该测量装置的弊端是在检测孔的孔口设置在地表处，位移测
量器需设置在地表，不能快速获得同一区域不同深度冻土层的冻胀变形，管体和检测孔孔
壁之间的间隙填充填料，为非弱化区填充水泥浇筑层，而弱化区填充散沙层。两种填料的分
别回填就可能导致了观测区域土体特性发生改变，直接影响测量结果；因此，土体冻融循环
过程中冻胀变形以及冻结法施工过程中水平或垂直方向上的变形的监测对冻土地区基础
设施建设具有重要意义，需要现场土体冻胀变形准确、可靠且快速的获取手段。总之，由于
施工现场地质条件复杂以及实验室局部土体冻胀与融沉过程的研究需要，冻土的冻胀变形
监测难度大、准确度差，导致了冻土地区基础设施建设质量受到严重影响，具体表现为在寒
区工程建设中，由于施工现场地质条件复杂，冻土冻胀变形监测难度大，难以同时获得一个
区域内不同深度的冻胀数据，至今未得到很好解决。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种分层伸缩式检测土冻胀装置实现的检测方法，以解决由于施工现场地质条件复杂以及实验室局部土体冻胀与融沉过程研究的需要，局部冻土层的
冻胀变形监测难度大、准确度差而导致冻土地区基础设施建设质量控制难以保证的问题。

[0007] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

[0008] 一种分层伸缩式检测土的冻胀装置，包括底盘和伸缩测量管，伸缩测量管包括多个套管式单体，多个套管式单体从下至上依次设置在底盘上，套管式单体包括管体、锚盘和
位移传感器，所述锚盘套装在管体外，位移传感器设置在管体内壁上，管体的顶端加工有凸
台，管体的底端加工有槽，一个套管式单体的管体分别通过凸台和槽与其相邻的两个套管
式单体滑动配合。

[0009] 作为优选方案：位移传感器为拉线式直线位移传感器，位移传感器包括测头、拉线和固定件，测头通过拉线与固定件相连接，测头设置在其对应的凸台侧壁上，固定件设置在
该管体底端的槽内的另一个凸台内。

[0010] 作为优选方案：伸缩测量管的顶部设置有密封盖。

[0011] 作为优选方案：管体长度的取值范围为20～40cm。

[0012] 作为优选方案：凸台的高度与槽的深度相配合。

[0013] 作为优选方案：凸台的高度的取值范围为3～6cm。

[0014] 作为优选方案：拉线式直线位移传感器替换为拉杆式直线位移传感器或滑块式直线位移传感器

[0015] 一种利用具体实施方式一所述的一种分层伸缩式检测土的冻胀装置实现的检测方法，根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每
个测点处对应安装一个冻胀装置，通过冻胀装置获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀
量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形情况。

[0016] 作为优选方案：根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每个测点处对应安装一个冻胀装置，通过冻胀装置获取不同时段各个测点
所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀
变形情况，依据地质勘查报告将测试区域进行划分，划分原则是根据冻胀敏感和冻胀非敏
感的性质进行划分，确定并统计测试区域内冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区的个数，
在每个冻胀敏感冻土区内确定测点个数和每个冻胀非敏感冻土区内确定测点个数，确定过
程如下：

[0017] 当冻胀敏感冻土区的个数为n个时，一个冻胀敏感冻土区的面积A1，该冻胀敏感冻土区的地表面上划分多个第一小格，每个第一小格的面积为S1，该冻胀敏感冻土区内设置
测点的个数N1＝A1/S1，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为N2、N3…Nn；

[0018] 当冻胀非敏感冻土区的个数为m个时，一个冻胀非敏感冻土区的面积B1，该冻胀非敏感冻土区的地表面上划分多个第二小格，每个第二小格的面积为S2，该冻胀敏感冻土区
内设置测点的个数M1＝B1/S2，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为M2、
M3…Mm；

[0019] N1、N2、N3…Nn以及M1、M2、M3…Mm的总和即为测试区域中总测点数，再准备对应数目的冻胀装置。

[0020] 作为优选方案：冻胀装置的检测过程包括以下内容：

[0021] 步骤一：查阅地质资料，在一个测点处，根据检测要求开挖垂直或水平方向的孔洞，根据孔洞的深度选择N个套管式单体，人工夯平孔洞底部后，将套管式单体逐一安装在
孔洞中，测量并记录相邻套管式单体中两个锚盘之间的初始距离分别为L0、L1、L2…LN，以及
整个冻胀装置中最顶部的锚盘和底盘之间的距离L总，启动每个套管式单体中位移传感器，
使位移传感器处于最小量程状态，再回填原土，分层捣实；

[0022] 步骤二：在一个套管式单体中，将位移传感器与记录仪表连接，将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录、保存，套管式单体在冻土层冻胀变形带动下向上移动，
一个套管式单体中的位移传感器监测到其锚盘与下方相邻的另一个套管式单体中锚盘之
间的距离变化量为ΔL1，ΔL1即是该套管式单体所在冻土层的冻胀变形；

[0023] 该套管式单体所在冻土层的冻胀率即为ΔL1/L1，依次类推，获取其他套管式单体所在冻土层的冻胀率为ΔL2/L2…ΔLN/LN，整个冻胀装置所在测点的冻胀率为(ΔL1+ΔL2
+…ΔLN)/L总。

[0024] 本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

[0025] 1、本发明中的冻胀装置结构简单，适用范围灵活，填埋深度和填埋方向灵活不受限，用于测量短距离的土体冻胀量，获取冻土冻胀量简单直接且准确。监测难度低，对现场
土体造成的扰动小，能够在短时间内快速得到各个深度的冻胀数据。

[0026] 2、多个套管式单体形成的冻胀装置长度可调，检测深度可调，根据检测目标的具体要求可拆可组，使用灵活。

[0027] 3、本发明中的方法的操作步骤简单且方便，步骤合理且操作后获取数据有效可靠。

[0028] 4、本发明不但能够用于局部区域的单独测点的检测，还能够用于区域较大的多测点的检测，从而对实验室及现场土体的冻胀与融沉作出全面评价。

[0029] 5、本发明的检测目标为相邻的锚盘之间的冻土，二者之间的距离变化能够反映出二者之间土体的冻胀程度，通过相邻两个位移传感器的距离变化实时、间接且准确的记录，
检测结果可靠。

[0030] 6、本发明既可用于实验室又可应用于施工现场。既能够精确测得各冻土层的冻胀变形值，又能够计算或监测冻土整体的冻胀量，应用范围广泛。

[0031] 7、本发明结构简单、制作成本低，操作步骤简单，难度低，省时省力。

附图说明

[0032] 图1是本发明的主视结构剖面示意图；

[0033] 图2是本发明的第一工作状态示意图；

[0034] 图3是本发明的第二工作状态示意图；

[0035] 图4是套管式单体的主视结构剖面图；

[0036] 图中，1‑底盘；2‑套管式单体；2‑1‑管体；2‑2‑锚盘；2‑3‑位移传感器；2‑3‑1‑测头；2‑3‑2‑拉线；2‑3‑3‑固定件；2‑4‑凸台；2‑5‑槽；3‑拉线；4‑密封盖；12‑孔洞；14‑冻胀层。

具体实施方式

[0037] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范
围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的
概念。

[0038] 在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其
他细节。

[0039] 具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式包括底盘1和伸缩测量管，伸缩测量管包括多个套管式单体2，多个套管式单体2从下至上依次设置在底盘1
上，套管式单体2包括管体2‑1、锚盘2‑2和位移传感器2‑3，所述锚盘2‑2套装在管体2‑1外，
位移传感器2‑3设置在管体2‑1内壁上，管体2‑1的顶端加工有凸台2‑4，管体2‑1的底端加工
有槽2‑5，一个套管式单体2的管体2‑1分别通过凸台2‑4和槽2‑5与其相邻的两个套管式单
体2滑动配合。

[0040] 进一步的，一个套管式单体2的管体2‑1通过其顶端的凸台2‑4与其上方相邻的另一个套管式单体2中的槽2‑5滑动配合，该凸台2‑4设置在该槽2‑5内，该凸台2‑4的外壁与该
槽2‑5的内壁滑动配合；该套管式单体2的管体2‑1通过其底端的槽2‑5与其下方相邻的另一
个套管式单体2中的凸台2‑4滑动配合，该槽2‑5内设置有该凸台2‑4，该槽2‑5的内壁与该凸
台2‑4的外壁滑动配合。管体2‑1的顶端和底端设置的凸台2‑4和槽2‑5能够实现套管式单体
2与上下相邻的两个套管式单体2之间长度可调。

[0041] 进一步的，位移传感器2‑3为拉线式直线位移传感器，位移传感器2‑3包括测头2‑3‑1、拉线2‑3‑2和固定件2‑3‑3，测头2‑3‑1通过拉线2‑3‑2与固定件2‑3‑3相连接，位移传感
器2‑3处于工作状态时，拉线2‑3‑2处于绷直状态。拉线2‑3‑2为非弹性绳体。测头2‑3‑1设置
在其对应的管体2‑1的凸台2‑4的侧壁上，固定件2‑3‑3设置在该管体2‑1底端的槽2‑5内的
另一个凸台2‑4内。测头2‑3‑1和固定件2‑3‑3的安装位置均需稳定不易松动。

[0042] 进一步的，固定件2‑3‑3为圆环体，由轻质高强金属材料制成即可。位移传感器2‑3通过测头2‑3‑1与其所对应的管体2‑1的凸台2‑4侧壁可拆卸连接。圆环体通过螺钉或其他
连接件定位在其对应管体2‑1下方的凸台2‑4侧壁上。其他现有的可拆卸的固定方式也可替
换。同理于测头2‑3‑1与其对应凸台2‑4之间的定位方式。

[0043] 进一步的，位移传感器2‑3的测头和固定件2‑3‑3分别固定连接在相邻的两个管体2‑1上，位移传感器2‑3的测头和固定件2‑3‑3之间通过拉线2‑3‑2相连接，拉线2‑3‑2为非弹
性绳体。固定件2‑3‑3设置在相邻的下面的一个管体2‑1的顶部，与该管体2‑1上的位移传感
器2‑3的测头2‑3‑1上下相邻。拉线式直线位移传感器的测头2‑3‑1用螺钉固定在套管2‑1内
壁上，拉线2‑3‑2所在直线务必要与测头2‑3‑1的下端面相垂直。

[0044] 进一步的，伸缩测量管的顶部设置有密封盖4，由高分子材料制成，如塑料或其他轻质材料即可，起到密封、防尘的作用。

[0045] 进一步的，管体2‑1长度的取值范围为20～40cm，管体2‑1内径取值范围为8cm～10cm，管体2‑1的管壁和锚盘2‑2处的厚度为1～1.5cm，锚盘2‑2的外径为15cm～20cm。管体
2‑1为圆筒形，所选用的材料为轻质高强的高分子材料，根据各地区非冻层土的深度，管体
2‑1的长度、直径进行对应的调整。

[0046] 进一步的，凸台2‑4的高度与槽2‑5的深度相配合。凸台2‑4的高度与槽2‑5的深度相等。

[0047] 进一步的，凸台2‑4的高度的取值范围为3～6cm。

[0048] 进一步的，底盘1的顶部加工有凸起部，其结构、尺寸、形状、设置目的和工作过程与凸台2‑4相同，用于配合与底盘1直接连接的套管式单体2进行检测工作。

[0049] 具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，位移传感器2‑3为直线位移传感器，有多种类型可供选择，如拉杆式直线位移传感器或滑块式直线位移传感
器。位移传感器2‑3为现有产品，其使用过程与现有产品的使用过程相同。

[0050] 具体实施方式三：结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式包括以下内容：

[0051] 根据地质勘查报告确定测试区域的冻土层深度，根据冻土层深度确定冻胀装置中套管式单体2的个数，将冻胀装置安装在测试区域中，通过冻胀装置获取不同时段冻胀层的
冻胀量数据，根据冻胀装置反馈的冻胀量数据得到测试区域内冻土冻胀变形情况。

[0052] 具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式三的进一步限定，本实施方式还包括以下内容：

[0053] 根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，在每个测点处对应安装一个冻胀装置，通过冻胀装置获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻
胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形情况。

[0054] 根据地质勘查报告将测试区域进行划分，划分原则是根据冻胀敏感和冻胀非敏感的性质进行划分，冻胀敏感和冻胀非敏感的划分依据来源于地质勘查报告的数据，划分原
则为现有技术，将测试区域划分后分别统计冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻土区的个数，
在每个冻胀敏感冻土区内确定测点个数和每个冻胀非敏感冻土区内确定测点个数，确定过
程如下：

[0055] 当冻胀敏感冻土区的个数为n个时，一个冻胀敏感冻土区的面积A1，该冻胀敏感冻土区的地表面上划分多个第一小格，每个第一小格的面积为S1，该冻胀敏感冻土区内设置
测点的个数N1＝A1/S1，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为N2、N3…Nn；S1
2
的取值范围为0.25～1m ，每个第一小格内设置有一个冻胀装置，即冻胀敏感冻土区内每两
个相邻测点之间的间距G1为50～100cm，为了计算方便，第一小格的形状为正方形；S1的确定
依据是相邻两个冻胀装置之间互不影响前提下进行密集布点。

[0056] 本步骤中先确定冻胀敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距G1，再根据间距进行划格，最终确定测点个数N1＝A1/S1；

[0057] S1的取值范围是根据冻胀敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距G1计算得出，为了计算方便，第一小格的形状为正方形；每个第一小格中两条对角线的交点即
为一个测点位置，每两个相邻测点之间的间距G1是指两个锚盘2‑2的圆心之间的距离，间距
G1的取值范围是根据锚盘2‑2的外径以及锚盘2‑2之间互不干扰的最小距离要求确定的，锚
盘2‑2的外径是根据位移传感器4的量程、管体2‑1直径与锚盘2‑2尺寸之间配合要求决定
的，即G1为50～100cm，每两个相邻测点之间的间距G1的确定后，由于测点位置为所在第一小
2
格的中心位置，即可得出测点所在第一小格的面积，本步骤中S1的取值范围为0.25～1m ，在
进行实际划格操作，通过划格的方式能够确保测点最终的确定位置更加准确。

[0058] 当冻胀非敏感冻土区的个数为m个时，一个冻胀非敏感冻土区的面积B1，该冻胀非敏感冻土区的地表面上划分多个第二小格，每个第二小格的面积为S2，该冻胀敏感冻土区
内设置测点的个数M1＝B1/S2，同理，逐一确定其他冻胀敏感冻土区内测点个数分别为M2、
2
M3…Mm；S2的取值范围为4～16m ，每个第二小格内设置有一个冻胀装置，即冻胀非敏感冻土
区每两个相邻测点之间的间距G2为200～400cm，为了计算方便，第二小格的形状为正方形；
S2的确定依据是能够实现全面评价冻胀性能的抽样式零星布点。

[0059] 本步骤中先确定冻胀敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距G2，再根据间距进行划格，最终确定测点个数M1＝B1/S2；

[0060] S2的取值范围是根据冻胀非敏感冻土区内纵向或横向每两个相邻测点之间的间距G2计算得出，为了计算方便，第二小格的形状为正方形；每个第二小格中两条对角线的交
点即为一个测点位置，每两个相邻测点之间的间距G2是指两个锚盘2‑2的圆心之间的距离，
间距G2的取值范围是根据锚盘2‑2的外径以及锚盘2‑2之间互不干扰的最小距离要求确定
的，锚盘2‑2的外径是根据位移传感器4的量程、管体2‑1直径与锚盘2‑2尺寸之间配合要求
决定的，即G2为200～400cm，每两个相邻测点之间的间距G2的确定后，由于测点位置为所在
第二小格的中心位置，即可得出测点所在第二小格的面积，本步骤中S2的取值范围为4～
2
16m，在进行实际划格操作，通过划格的方式能够确保测点最终的确定位置更加准确。

[0061] N1、N2、N3…Nn以及M1、M2、M3…Mm的总和即为测试区域中总测点数，在准备对应数目的冻胀装置。

[0062] 冻胀敏感冻土区为测试区域中测点集中区域，根据冻胀敏感冻土区内测点分布位置情况安装冻胀装置，确保每个测点处安装有一个冻胀装置，通过冻胀装置获取不同时段
该区域内各个测点所在冻胀层14的冻胀量数据，根据各个冻胀敏感冻土区和冻胀非敏感冻
土区反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形的情况。同理于冻胀非敏感冻土
区的安装过程。

[0063] 本发明结合地质勘察情况结合样机进行多次试验，在冻胀敏感冻土区平面内横向及纵向间距50～100cm布置测点为最佳设置范围，而冻胀非敏感区平面内横向及纵向间距
200～400cm布置测点，此外，地质条件复杂、有特殊要求工程场地按照不等间距设置测点数
目。

[0064] 土的冻胀性常根据冻胀率0～1％、1～3.5％、3.5～6％、6～10％和10％以上区间分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀。冻胀、强冻胀和特强冻胀属于冻胀敏感冻
土，而不冻胀、弱冻胀属于冻胀非敏感冻土。

[0065] 具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式三或四的进一步限定，冻土的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀，原位冻胀是由土骨架的弹性变形和水‑冰相变增量变形组成，分
凝冻胀取决于温度场的变化和未冻水迁移量，冻胀敏感型冻土区、冻胀非敏感型冻土区以
及监测区域都决定传感器量程的选择和测点布置数目，重要基础设施工程、路基、路面下面
的土体含水量丰富、局域差异大均需要增加监测点个数，如河流沿岸的季节性冻土区，由于
土体的含水率普遍偏高，平面内每横向、纵向间隔50～100cm布置一个测点，远离河流，每间
隔200～400cm布置一个测点，地质条件复杂、有特殊要求工程场地按照不等间距设置测点
数目。

[0066] 具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式三、四或五的进一步限定，冻胀装置的检测过程包括以下两个步骤：

[0067] 根据测试区域的冻土类型确定测试区域内测点个数以及各个测点的分布位置，根据每个测点的检测深度要求选择安装至少两个套管式单体组成的冻胀装置，通过套管式单
体获取不同时段该测点所在冻胀层的冻胀量数据，依次类推，获取各个测点反馈的冻胀量
数据，汇总各个测点的冻胀量数据得到测试区域内冻土冻胀变形情况。

[0068] 冻胀装置的检测过程包括以下两个步骤：

[0069] 步骤一：查阅地质资料，在一个测点处，根据检测要求开挖垂直或水平方向的孔洞12，根据孔洞12的深度选择N个套管式单体2，人工夯平孔洞12底部后，将套管式单体2逐一
安装在孔洞12中，测量并记录相邻套管式单体2中两个锚盘2‑2之间的初始距离分别为L0、
L1、L2…LN，以及整个冻胀装置中最顶部的锚盘2‑2和底盘1之间的距离L总，启动每个套管式
单体2中位移传感器2‑3，使位移传感器2‑3处于最小量程状态，再回填原土，分层捣实；

[0070] 步骤二：在一个套管式单体2中，将位移传感器2‑3与记录仪表连接，将其输出的电压信号按照预先设置的通道采集、记录、保存，套管式单体2在冻土层冻胀变形带动下向上
移动，一个套管式单体2中的位移传感器2‑3监测到其锚盘2‑2与下方相邻的另一个套管式
单体2中锚盘2‑2之间的距离变化，二者之间距离的变化量ΔL1，ΔL1即是该套管式单体2所
在冻土层的冻胀变形；

[0071] 该套管式单体2所在冻土层的冻胀率即为ΔL1/L1，依次类推，获取其他套管式单体2所在冻土层的冻胀率为ΔL2/L2…ΔLN/LN，整个冻胀装置所在测点的冻胀率为(ΔL1+ΔL2
+…ΔLN)/L总；

[0072] 具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式三、四、五或六的进一步限定，冻胀装置的安装过程如下：

[0073] 首先，将底盘1安装在孔洞12中，将套管式单体2从下至上逐一安装在底盘1上，将每个套管式单体2中的位移传感器2‑3的测头2‑3‑1固定安装在管体2‑1的凸台2‑4的内壁
上，将该位移传感器2‑3的拉线2‑3‑2通过固定件2‑3‑3固定安装在下方相邻套管式单体2的
凸台2‑4的内侧壁上，直接与底盘1相配合的套管式单体2，其固定件2‑3‑3设置在底盘1的凸
起部的内侧壁上，将位移传感器2‑3的量程调节至最小量程；用密封盖8密封住多个套管式
单体2中处于最顶部的套管式单体2上，在伸缩测量管的外侧分层回填原土，分层捣实；

[0074] 最后将测试区域内各个测点通过冻胀装置记录的冻胀层14的冻胀量汇总，将各测点平面位置与其冻胀变形量绘制三维图像以及随时间的变化趋势，当测试区域中的一个局
部区域冻胀变形过大时，说明该局部区域土体含水率偏高，后续可采取相应的技术措施降
低冻胀的影响，通过冻胀量最大值、最小值及平均值的分析可全面评价出测定区域内冻胀
层14的冻胀情况。

[0075] 进一步的，上述步骤中孔洞11的开设直径为15～25cm，直径的最佳取值为20cm，该直径具有通用性。

[0076] 具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步限定，本发明的监测周期长且监测数据准确全面，监测周期为整个冬季，具体时间为第一年
的平均气温接近0℃的秋末起始至第二年的平均气温回升至0℃以上的春初。

[0077] 结合本发明的有益效果说明以下实施例：

[0078] 实施例一：

[0079] 测试区域为东北H市X地区路肩，获得地质勘查报告获知测试区域土壤未冻层的深度为2100mm，根据测试区域的尺寸、该区域不同位置水分和冻胀深度的不同，划分测试区域
内冻胀敏感冻土区的个数n以及冻胀非敏感冻土区的个数为m，在每个冻胀敏感冻土区和每
个冻胀非敏感冻土区内设置多个测点，每个测点处对应填埋一个冻胀装置。

[0080] 利用该冻胀装置进行检测时的具体操作过程如下：

[0081] 步骤一：查阅地质资料，获得测试区域中冻胀装置需要填埋的深度，开挖孔洞12，人工夯平孔洞12底部后，11月25日，将有两个套管式单体2的冻胀装置安装在孔洞12中，将
每个套管式单体2中的位移传感器2‑3的量程调节至最小量程；利用位移传感器2‑3测量并
记录每个套管式单体2中锚盘2‑2与下方相邻的另一个套管式单体2中锚盘2‑2之间初始距
离L0和L1为250mm；

[0082] 步骤二：将两个位移传感器2‑3分别与记录仪表连接，记录一次测试时间为12月25日上午8时，与底盘1直接接触的一个套管式单体2为第一段套管式单体，第一段套管式单体
上位移传感器2‑3监测到其锚盘2‑2与底盘1之间距离的变化量ΔL0为0.25mm，即第一段套
管式单体的锚盘2‑2与底盘1之间距离的变化量ΔL0为0.25mm，第一段套管式单体对应的冻
土层的冻胀量即为ΔL0，第一段套管式单体对应的冻土层的冻胀率为ΔL0/L0＝0.25/250＝
0.1％；处于第一段套管式单体的上方与其滑动配合的另一个套管式单体2为第二段套管式
单体，第二段套管式单体上位移传感器2‑3监测到的锚盘2‑2与第一段套管式单体的锚盘2‑
2之间距离的变化量ΔL1为0.5mm，即两个锚盘2‑2之间距离的变化量ΔL1为0.5mm，第二段套
管式单体对应的冻土层的冻胀量即为ΔL1，第二段套管式单体对应的冻土层的冻胀率为Δ
L1/L1＝0.5/250＝0.2％。

[0083] 随着土体的冻胀上移，相邻的套管式单体2之间的距离不断增大，使位移传感器2‑3监测到两个锚盘2‑2之间的距离逐渐增大，在次年1月25日上午8时，在同一测点处第一段
套管式单体在测得底盘1与位移传感器2‑3之间的距离变化量ΔL0为1.5mm，从而得到第一
段套管式单体对应土体的冻胀率为ΔL0/L0＝1.5/250＝为0.6％，同理得到ΔL1为0.5mm，即
第二段套管式单体的变化量ΔL1为2.5mm，第二段套管式单体所在土体的冻胀率为ΔL1/L1
＝0.5/250＝0.2％，监测结果表明前后两个时间点上下两个冻土层的冻胀变形规律是不一
致的，表明第一段套管式单体所在的冻土层的环境温度对该测点对应的土体冻胀变形影响
显著，而第二段套管式单体所在的冻土层在12月末至次年1月末，没有变化，表明第二段套
管式单体所在的冻土层的环境温度对该测点对应的土体冻胀变形影响不大，以此类推，对
其他测点进行测试，还可根据需要获取其他冻土层的冻胀信息，或获取整个冻胀装置检测
的数据，将各测点平面位置与其冻胀变形量汇总绘制三维图像，并标注随时间的变化趋势，
以定量评价测试区域冻胀变形的程度，给出指导意见。当测试区域中的一个局部区域冻胀
变形过大时，说明该局部区域土体含水率偏高，后续可采取相应的技术措施降低冻胀的影
响，通过冻胀量最大值、最小值、平均值及随时间的变化规律的分析可全面评价出测定区域
内冻胀层14的冻胀情况。