土体冻胀敏感性测试方法及相关设备

摘要

本申请提供一种土体冻胀敏感性测试方法及相关设备，涉及测试技术领域。该方法包括：将待测土样的一部分作为试验土样，对试验土样进行冻结；取冻结结束后的试验土样的外层土样，测定外层土样的含水率；基于初始含水率和外层土样的含水率，或基于外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，确定待测土样的冻胀敏感性。该方法能便捷地获取土样的冻胀敏感性，满足工程上对经济成本、时间和准确性的要求。

权利要求

1.一种土体冻胀敏感性测试方法，其特征在于，包括：将待测土样的一部分作为试验土样，对所述试验土样进行冻结；

取冻结结束后的试验土样的外层土样，测定所述外层土样的含水率；

基于初始含水率和所述外层土样的含水率，或基于所述外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，确定所述待测土样的冻胀敏感性；

其中，所述冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，通过取冻结结束后的试验土样的内层土样，测定所述内层土样的含水率得到；

基于初始含水率和所述外层土样的含水率，确定所述待测土样的冻胀敏感性的步骤，包括：根据所述外层土样的含水率和所述初始含水率相减得到含水率变化值，并依据所述含水率变化值落入的设定区间，确定待测土样的冻胀敏感性级别；

基于所述外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，确定所述待测土样的冻胀敏感性的步骤，包括：根据所述外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率相减得到含水率差值，并依据所述含水率差值落入的设定区间，确定待测土样的冻胀敏感性级别。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括获得初始含水率的步骤，该步骤包括：将所述待测土样的一部分作为初始测定土样；

测定所述初始测定土样的含水率作为初始含水率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括获得初始含水率的步骤，该步骤包括：将冻结结束后的试验土样取所述外层土样之后的剩余部分作为剩余土样；

测定所述剩余土样的含水量；

将所述外层土样的含水量与所述剩余土样的含水量相加，得到总含水量；

将所述总含水量除以所述试验土样冻结之前或冻结结束后的总质量，得到的总含水率作为初始含水率。

4.根据权利要求1‑3任一项所述的方法，其特征在于，所述对所述试验土样进行冻结的步骤包括：将所述试验土样的上下表面用热绝缘材料进行绝热处理；

将绝热处理后的试验土样放入冷冻箱内进行冻结。

5.根据权利要求1‑3任一项所述的方法，其特征在于，所述试验土样是环刀切取的柱状土样；所述取冻结结束后的试验土样的外层土样的步骤包括：用环刀切割所述试验土样的外层得到所述外层土样。

6.根据权利要求1‑3任一项所述的方法，其特征在于，所述含水率通过以下步骤测定：烘干测得土样水分流失的质量作为含水量；

根据该土样的总质量和测得的含水量得到含水率。

7.一种土样冻结仪器，其特征在于，用于对权利要求1‑6任一项所述的试验土样进行冻结，所述土样冻结仪器包括：隔热部件；

环刀，所述环刀的一面开口与所述隔热部件可拆卸连接；

隔热盖，与所述环刀另一面开口可拆卸连接；当所述环刀的一面开口与所述隔热部件连接、另一面开口与所述隔热盖连接时，所述隔热盖与所述隔热部件的底面平行；

制冷器，使制冷介质流动于所述隔热部件的底面和所述隔热盖之间的所述环刀外侧的空间；

将所述试验土样放置于所述隔热部件的底面和所述隔热盖之间的所述环刀内侧的情况下，基于所述制冷介质的流动，实现对所述试验土样的冻结。

8.一种土样冻结测试仪器，其特征在于，用于对权利要求1‑6任一所述的试验土样进行冻结测试，所述土样冻结测试仪器包括：箱体；

第一环刀和第二环刀，所述第一环刀的直径大于所述第二环刀的直径；

所述第一环刀用于盛放所述试验土样；所述第二环刀用于将所述试验土样的径向外围一部分切出，作为外层土样；

所述箱体内固定有冷冻箱，用于冷冻所述试验土样；所述冷冻箱包括与第一环刀可拆卸的连接结构；

所述箱体内有加热器，用于烘干去除土样的水分，以测定含水量；

所述箱体内有电子秤，用于为土样称重。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备用于执行如权利要求1‑6任一项所述的方法。

说明书

土体冻胀敏感性测试方法及相关设备

技术领域

[0001] 本申请涉及测试技术领域，尤其涉及土体冻胀敏感性测试方法及相关设备。

背景技术

[0002] 目前，工程领域确定土样的冻胀敏感性大多依据土样在试验中测出的冻胀率，或最大冻胀率，要求模拟工程实际环境下土体的冻胀量，试验周期很长。试验的方法常采用一维土柱冻结试验，如图1，一维土柱冻结试验是将直径100毫米、高度100毫米的样品置于轴向冻结装置中，样品顶部接触冷板，样品底部接触暖板，样品四周包裹隔热材料以消除径向热通量。冷冻时，冷板温度设置在冰点以下，暖板温度设置高于冰点，且暖板连有管子供水。装置冷板固定，而暖板连接在一个可上下移动的加载杆上。发生冻胀时，土样膨胀并将暖板向下推动，从而记录轴向位移，计算冻胀率。此过程还需要按标准规定的时间、温度进行冻结，如图2同时控制暖板和冷板的温度，且测试过程耗时长，以获得较好的冻胀量的效果。

[0003] 一维土柱冻结试验测定土样的冻胀敏感性结果直观较为准确，但就测试本身而言，分析仪器体积庞大、价格昂贵，且安装与使用复杂，仅适用于实验室环境，对于例如寒区工程中实地研究、设计路基、地基，测试土壤稳定性、地基或路基结构的稳定性等实际工程中的应用不利。因此，如何用一种成本较低、耗时较短的方法测试土样进而确定冻胀敏感性，是需要解决的技术问题。

发明内容

[0004] 本申请的目的在于提供一种土体冻胀敏感性测试方法及相关设备，以解决现有技术中确定土样冻胀敏感性的成本高、耗时长的技术问题。

[0005] 为实现上述目的，本申请实施例采取了如下技术方案。

[0006] 第一方面，本申请实施例提供一种土体冻胀敏感性测试方法，包括：将待测土样的一部分作为试验土样，对所述试验土样进行冻结；取冻结结束后的试验土样的外层土样，测定所述外层土样的含水率；基于初始含水率和所述外层土样的含水率，或基于所述外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，确定所述待测土样的冻胀敏感性；其中，所述冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，通过取冻结结束后的试验土样的内层土样，测定所述内层土样的含水率得到。

[0007] 可选地，基于初始含水率和所述外层土样的含水率，确定所述待测土样的冻胀敏感性的步骤，包括：根据所述外层土样的含水率和所述初始含水率相减得到含水率变化值，并依据所述含水率变化值落入的设定区间，确定待测土样的冻胀敏感性级别；基于所述外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，确定所述待测土样的冻胀敏感性的步骤，包括：根据所述外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率相减得到含水率差值，并依据所述含水率差值落入的设定区间，确定待测土样的冻胀敏感性级别。

[0008] 可选地，所述方法还包括获得初始含水率的步骤，该步骤包括：将所述待测土样的一部分作为初始测定土样；测定所述初始测定土样的含水率作为初始含水率。

[0009] 可选地，所述方法还包括获得初始含水率的步骤，该步骤包括：将冻结结束后的试验土样取所述外层土样之后的剩余部分作为剩余土样；测定所述剩余土样的含水量；将所述外层土样的含水量与所述剩余土样的含水量相加，得到总含水量；将所述总含水量除以所述试验土样冻结之前或冻结结束后的总质量，得到的总含水率作为初始含水率。

[0010] 可选地，所述对所述试验土样进行冻结的步骤包括：将所述试验土样的上下表面用热绝缘材料进行绝热处理；将绝热处理后的试验土样放入冷冻箱内进行冻结。

[0011] 可选地，所述试验土样是环刀切取的柱状土样；所述取冻结结束后的试验土样的外层土样的步骤包括：用环刀切割所述试验土样的表面得到所述外层土样。

[0012] 可选地，所述含水率通过以下步骤测定：烘干测得土样水分流失的质量作为含水量；根据该土样的总质量和测得的含水量得到含水率。

[0013] 可选地，所述待测土样通过以下至少一种方式得到：对待处理土样添加设定量的水，得到所述待测土样；对待处理土样进行加热蒸发处理，得到所述待测土样；对待处理土样浸水后蒸发设定量的水，得到所述待测土样；对待处理土样进行蒸发处理后添加设定量的水，得到所述待测土样。

[0014] 第二方面，本申请实施例提供一种土样冻结仪器，用于对第一方面所述的试验土样进行冻结，包括：隔热部件；环刀，所述环刀的一面开口与所述隔热部件可拆卸连接；隔热盖，与所述环刀另一面开口可拆卸连接；当所述环刀的一面开口与所述隔热部件连接、另一面开口与所述隔热盖连接时，所述隔热盖与所述隔热部件的底面平行；制冷器，使制冷介质流动于所述隔热部件的底面和所述隔热盖之间的所述环刀外侧的空间；将所述试验土样放置于所述隔热部件的底面和所述隔热盖之间的所述环刀内侧的情况下，基于所述制冷介质的流动，实现对所述试验土样的冻结。

[0015] 第三方面，本申请实施例提供一种土样冻结测试仪器，用于对第一方面所述的试验土样进行冻结测试，包括：箱体；第一环刀和第二环刀，所述第一环刀的直径大于所述第二环刀的直径；所述第一环刀用于盛放所述试验土样；所述第二环刀用于将所述试验土样的径向外围一部分切出，作为外层土样；所述箱体内固定有冷冻箱，用于冷冻所述试验土样；所述冷冻箱包括与第一环刀可拆卸的连接结构；所述箱体内有加热器，用于烘干去除土样的水分，以测定含水量；所述箱体内有电子秤，用于为土样称重。

[0016] 可选地，所述冷冻箱还包括至少两个隔热结构，与所述第一环刀顶面和底面可拆卸连接。

[0017] 第四方面，本申请实施例提供一种电子设备，用于执行第一方面所述的土体冻胀敏感性测试方法。

[0018] 相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：

[0019] 本申请实施例提供的土体冻胀敏感性测试方法及相关设备，通过对土样冻结，测定含水率的分布或含水率的变化，实现了对冻胀敏感性的确定，进而无需采用现有技术中的一维土柱冻结试验的复杂设备，因此本申请的技术方案成本低，耗时短，满足工程上对经济成本、时间和准确性的要求。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

[0021] 图1为现有技术中的一维土柱冻结试验的装置结构示意图；

[0022] 图2为现有技术中的一维土柱冻结试验的温度和冻胀量变化示意图；

[0023] 图3为本申请实施例的土体冻胀敏感性测试方法流程图；

[0024] 图4为本申请实施例的一种环刀的示意图；

[0025] 图5为本申请实施例的环刀切除的一些土样的示意图；

[0026] 图6为本申请实施例的同一土样不同温度冻结测试结果对比图；

[0027] 图7为本申请实施例的一种土样冻结仪器的结构示意图；

[0028] 图8为本申请实施例的另一种土样冻结仪器的结构示意图；

[0029] 图9为本申请实施例的黏土、粉土、砂土在不同初始含水率、不同盐分条件的Δωoi、Δωo0和Vh测试结果对比图；

[0030] 图10为本申请实施例的测试结果根据Δωo0、Vh分类关系曲线；

[0031] 图11为本申请实施例的测试结果根据Δωo0、Vh分类结果对比图。

具体实施方式

[0032] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

[0033] 因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0034] 在本申请的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0035] 术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0036] 术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。关于术语“土样”、“土体”，土样也可理解为土体，“土样”与“土体”可以互相替换，均指具有一定体积的土样品；或者可以理解为，土样为土体的样本，土样是土体的一部分，土样可以视作土体的代表，对土样的测试就相当于对土体的测试。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0037] 下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0038] 现有的测定土样的冻胀敏感性结果直观较为准确，但存在一系列的缺点：分析仪器体积庞大、价格昂贵，且安装与使用比较复杂，仅适用于实验室环境，土样制作的困难，试验周期较长，且一台试验装置只能进行一个试验，试验的容错性、准确性不高。

[0039] 为了克服以上问题，可参阅图3，本申请的一个实施例提供一种土体冻胀敏感性测试方法，也可称为土样冻结测试方法，包括：

[0040] S301，将待测土样的一部分作为试验土样，对试验土样进行冻结；

[0041] S302，取冻结结束后的试验土样的外层土样，测定外层土样的含水率；

[0042] S303，基于初始含水率和外层土样的含水率，或基于外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，确定待测土样的冻胀敏感性。

[0043] 其中，冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，通过取冻结结束后的试验土样的内层土样，测定内层土样的含水率得到。

[0044] 通过上述步骤对含水率变化测定和分析，实现了对冻胀敏感性的确定，进而无需采用现有技术中的一维土柱冻结试验的复杂设备，因此本实施例的技术方案成本低，耗时短，满足工程上对经济成本、时间和准确性的要求。另外，S303可以仅基于初始含水率和外层土样的含水率，不需要测定内层含水率的变化；或者S303可以仅基于外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，不需要测定初始含水率，从而使试验步骤得到最大的简化。

[0045] S301、S302中，为了使测试结果更准确、更容易对比，还可以标准化试验土样和外层土样的形状，试验土样可以是圆柱体，也可以是扁平的圆柱体，可以控制圆柱体两底面绝热，从而控制制冷从圆柱体侧面表面向圆柱体的轴线方向传导。为了方便制作圆柱体土样，可以采用环刀如图4，环刀形状为短管状，用环刀切取即可在环刀内部得到圆柱体土样。于是，一种可选的实现方式中，试验土样是环刀切取的柱状土样；取冻结结束后的试验土样的外层土样的步骤包括：用环刀切割试验土样的外层得到外层土样。由此利用环刀法得到所需土样，试验土样为圆柱体，外层土样可以为管状，形状规则，工具简单，利于操作，易于实现，省时省力。

[0046] 申请人还发现，从众多尺寸的环刀中，选择合适尺寸的环刀可以形成良好的试验效果，过大的试验土样无益于内外层含水率变化更加明显，过小的试验土样容易形成较大误差，同时，过大的试验土样导致采集困难。因此，一种可选的实现方式中，环刀的尺寸范围为直径40mm～65mm。如图5，一种可选的实现方式中，可以切除不同的环形、管状土样，或者说空心圆柱体土样，以及圆柱体土样，作为前述的内层土样或外层土样；例如，R22.5‑R25作为外层土样，R7.5‑R10作为内层土样，或者R5以内的圆柱体土样作为内层土样，可以形成各种可行的尺寸和组合。也可以测出切除的所有层土样的含水率，基于所有层土样的含水率，例如基于其之间的差值的最大值或各相邻层土样含水率差值的平均值，确定待测土样对水的迁移的敏感性，进而确定待测土样的冻胀敏感性。

[0047] 一种可选的实现方式中，试验土样是采用环刀制备的饱和土样，环刀是直径61.8mm、高度20mm的环刀。可以进一步用r＝28.0mm的环刀切割试验土样的表面得到外层土样。

[0048] 为了使测试结果更准确、更容易对比，可以标准化S301对试验土样进行冻结的过程。一种可选的实现方式中，对试验土样进行冻结的步骤包括：将试验土样的上下表面用热绝缘材料进行绝热处理；将绝热处理后的试验土样放入冷冻箱内进行冻结。由此，试验土样的内部冻结可以分为两个方向，上下方向绝热，而制冷从其余方向传导，从而无需考虑上下方向的水的迁移和上下方向的含水率的变化，简化试验数据的测定。当试验土样为圆柱体时，可以控制圆柱体两底面绝热，从而控制制冷从圆柱体侧面表面向圆柱体的轴线方向传导，为径向冻结，此时土样冻结测试为径向冻结测试。

[0049] 对于上述热绝缘材料的选择，可以选用EPS泡沫材料，于是一种可选的实现方式中，将试验土样的上下表面用EPS泡沫材料进行绝热处理，以消除垂向方向的热通量。EPS泡沫是一种成本低廉、便捷高效的绝热方式。

[0050] 标准化S301对试验土样进行冻结的过程还可以限定温度和冷冻时长，例如对试验土样进行冻结的步骤是恒温冷冻箱内，调节温度在‑5℃～‑20℃，冷冻时长不低于6h。一种可选的实现方式中，设置冷冻温度为恒温‑20℃，冷冻6小时。这样可以确保试验土样完全冻结，水在土样中的分布固定。

[0051] 进一步地，申请人通过实验发现，冻结温度的高低对确定待测土样的冻胀敏感性影响较小，即待测土样的冻胀敏感性的确定结果对冻结温度不敏感。冻结前，含水率分布呈均匀、相等的试验土样，将冻结过程的环境温度设置为‑5℃、‑10℃和‑20℃，利用类似图5的环刀切除各个位置的土样，在冻结之后，实验结果如图6，各温度得到的试验土样的水分布情况一致，数值、趋势相差很小，说明冻结温度的高低不会对该方法的测试结果造成影响，很大程度放宽了测试条件。由此可以用更低的温度，对试验土样进行更快速的冻结。

[0052] 通常本领域技术人员为了控制经费或者受资源限制，没有其他有效的冷冻方法；为此本申请还提出，在预算充足或时间要求紧迫的情况下，为了快速冷冻，使用液态氮气等特殊介质的低温环境对样本冻结，还可以对多个样本同时冻结。对试验土样进行冻结的步骤可以使用干冰、液氮等制冷，可以使用干冰、液氮等对空气制冷进而对试验土样制冷。可以把干冰和乙醇等有机溶剂混合后制冷，能快速达到持续稳定的低温效果。一般乙醇少量，干冰需要过量，根据具体的低温范围，可适当增加乙醇。

[0053] 对整个实施例来说，含水量的变化与初始含水率等各个状态的含水率相关，与初始含水率相关性较高，因此，可以采集特定自然条件下的含水量，譬如选定季节，选定雨后的土样等特定天气的土样；还可以对土样进行含水量的人工干预处理。于是一种可选的实现方式中，待测土样通过以下至少一种方式得到：对待处理土样添加设定量的水，得到待测土样；对待处理土样进行加热蒸发处理，得到待测土样；对待处理土样浸水后蒸发设定量的水，得到待测土样；对待处理土样进行蒸发处理后添加设定量的水，得到待测土样。以此可以对试验土样的含水率进行标准化处理，获得接近预期的含水率，或者获得更大的初始含水率，方便含水率变化的观察。

[0054] 一种可选的实现方式中，方法还包括获得初始含水率的步骤，该步骤包括：将待测土样的一部分作为初始测定土样；测定初始测定土样的含水率作为初始含水率。

[0055] 由初始测定土样获得的初始含水率，相较于按照经验或历史数据推测初始含水率，是可靠得到初始含水率的方式。

[0056] 初始含水率还可以用另一种可选的实现方式获得，例如将冻结结束后的试验土样取外层土样之后的剩余部分作为剩余土样；测定剩余土样的含水量；将外层土样的含水量与剩余土样的含水量相加，得到总含水量；将总含水量除以试验土样冻结之前或冻结结束后的总质量，得到的总含水率作为初始含水率。这样，就不需要在冻结之前测定含水率，只需要冻结之后测定含水率，这是一种简化试验步骤的方式。

[0057] S302、S303中的含水率可以通过含水量和质量取得，含水量可以通过多种方法测得。例如，要测得一个土样的含水量，可以使其充分蒸发，测得其重量由于蒸发的减少即为含水量。蒸发可以通过加热，降低气压或抽真空使水分加速蒸发。于是一种可选的实现方式中，测定含水率的步骤包括：烘干测得土样的水分流失的质量作为含水量；根据该土样的总质量和测得的含水量得到含水率。烘干可以快速得到含水量。一种可选的实现方式中，测定含水率的步骤包括：对土样置于低气压环境或抽真空使水分加速蒸发而流失，或者对土样吹干燥气体，或者对土样吹热的干燥气体，测得土样的水分流失的质量作为含水量；根据该土样的总质量和含水量得到含水率。

[0058] 通过上述方式测得的含水率或含水量简单准确，有助于提高整个对试验土样测试的效率。

[0059] 一种可选的实现方式中，S303包括基于初始含水率和外层土样的含水率，或基于外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，先确定待测土样对水的迁移的敏感性，进而确定待测土样的冻胀敏感性。

[0060] 通过先确定待测土样对水的迁移的敏感性，对待测土样得到一个更准确清晰的初始判断，有助于更准确地进一步确定待测土样的冻胀敏感性。

[0061] 一种可选的实现方式中，S303中的基于初始含水率和外层土样的含水率，确定待测土样的冻胀敏感性的步骤，包括：根据外层土样的含水率和初始含水率相减得到含水率变化值，并依据含水率变化值落入的设定区间，确定待测土样的冻胀敏感性级别。例如，含水率差值在区间0～0.3％时，确定待测土样的冻胀敏感性级别为微弱。

[0062] 或者另一种可选的实现方式中，S303中的基于外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，确定待测土样的冻胀敏感性的步骤，包括：根据外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率相减得到含水率差值，并依据含水率差值落入的设定区间，确定待测土样的冻胀敏感性级别。

[0063] 以含水率差值落入的设定区间作为媒介，可以简单有效地确定待测土样的冻胀敏感性级别。

[0064] 一种可选的实现方式中，S303中上述得到的含水率，包括一个或多个初始含水率和外层土样的含水率，或包括一个或多个外层土样的含水率和冻结结束后的试验土样的内层土样的含水率，经过函数运算，得到一个待测土样对水的迁移的敏感性值，根据对水的迁移的敏感性值，进而确定待测土样的冻胀敏感性。该函数可以是基于各层土样含水率之间的差值的最大值或各相邻层土样含水率差值的平均值落入的设定区间，确定待测土样的冻胀敏感性级别。

[0065] 通过函数运算，可以综合处理含水率的数据，为确定待测土样的冻胀敏感性降低误差。

[0066] 基于上述实施例，本申请实施例还提供一种土样冻结仪器，进而可以用于本申请任一实施例提供的方法，用于上述任一实施例的试验土样进行冻结，包括：隔热部件；环刀，环刀的一面开口与隔热部件可拆卸连接；隔热盖，与环刀另一面开口可拆卸连接；当环刀的一面开口与隔热部件连接、另一面开口与隔热盖连接时，隔热盖与隔热部件的底面平行；制冷器，使制冷介质流动于隔热部件的底面和隔热盖之间的环刀外侧的空间；将试验土样放置于隔热部件的底面和隔热盖之间的环刀内侧的情况下，基于制冷介质的流动，实现对试验土样的冻结。本实施例提供的土样冻结仪器，结构简单，成本较低，可以快速制备土样，使冻结过程高效。

[0067] 一种可选的实现方式中，环刀为多个，每个环刀可以有单独的隔热部件和隔热盖，也可以多个环刀公用一套隔热部件和隔热盖如图7侧视图。用多个环刀、共用一套隔热部件和隔热盖，对多个土样冻结，克服了现有技术中的一维土柱冻结试验测试方法的一系列的缺点：一维土柱冻结试验测试方法的土样制作的困难，试验周期较长，且一台试验装置只能进行一个试验，其降低了试验的容错性。多个环刀制备多个试验土样，同时测试，过程简单而耗时短。

[0068] 一种可选的实现方式中，隔热部件和隔热盖有互相配合连接的结构，隔热部件和隔热盖还可以形成一个完整的有通口的箱体，制冷器使制冷介质从箱体的通口处进入。图8给出了一种示例，制冷介质可以是冷空气。可以使用干冰、液氮等对空气制冷进而对试验土样制冷。

[0069] 本申请实施例还提供一种土样冻结测试仪器，进而用于本申请任一实施例提供的方法，用于上述任一实施例的试验土样进行冻结测试，包括：箱体；第一环刀和第二环刀，第一环刀的直径大于第二环刀的直径；第一环刀用于盛放试验土样；第二环刀用于将试验土样的径向外围一部分切出，作为外层土样；箱体内固定有冷冻箱，用于冷冻试验土样；冷冻箱包括与第一环刀可拆卸的连接结构；箱体内有加热器，用于烘干去除土样的水分，以测定含水量；箱体内有电子秤，用于为土样称重。由此组成的一套土样冻结测试仪器，可以集成于一个箱体内，方便研究人员携带，在野外实地快速测试。

[0070] 为了保障土样冻结测试仪器对试验土样冻结的热量流向进行控制，一种可选的实现方式中，冷冻箱还包括至少两个隔热结构，与第一环刀顶面和底面可拆卸连接。因此可以控制冻结时热量沿着环刀内圆柱体土样的径向传递。

[0071] 本申请实施例还提供一种电子设备或计算机存储介质，用于执行上述的土体冻胀敏感性测试方法。技术效果在于进一步节省人工劳动和计算成本。

[0072] 申请人对本申请的技术方案的原理作出研究：土体发生冻胀现场的成因是，当土层温度达到冰点时，土中自由水将冻结成冰晶体。随着冻结的持续，弱结合水开始冻结，结合水膜厚度变薄导致离子浓度增加，从而加强了渗透压力，促使未冻结区的弱结合水向冻结区迁移，然后再冻结再迁移，如此恶性循环导致冰晶不断扩大，土体发生冻胀破坏。水的迁移是引起土体冻胀的主要原因，因此土体对水分迁移的敏感性与冻胀敏感性存在很强的相关性。由实验得到的含水量分布曲线例如图6，说明冻结过程中未冻区水分逐渐向冻区迁移的特点。通过实验发现，对于不同土体，冻结后水的不均匀度变化和最大冻胀率的数据形态一致。因此，由土体对水分迁移的敏感性来确定冻胀敏感性是可行的。

[0073] 一个效果较好的实施例中，对粉土(silt)、黏土(clay)、砂土(sand)三种土测试，并对其进行了盐分和初始含水率的控制和测定。制作直径61.8mm、高度20mm的环刀试样作为试验土样，简称试样，将试样的上下表面用EPS泡沫材料进行绝热处理，可以用EPS泡沫材料盖住环刀的两面开口，以消除垂向方向的热通量，再将处理好的试样置入冷藏箱冻结。设置温度为‑20℃。约6个小时后，试样完全冷冻，用环刀切割试样得到多层试样，再用烘干法得到沿径向的含水量的分布。

[0074] 用最外层与最内层的含水量差值Δωoi作为水不均匀性的指标参数或者说作为表征水迁移的参数。用最外层含水量相对于初始含水量的增加，即含水率变化值，作为表征水迁移的参数或者说作为水不均匀性的指标参数，记作Δωo0。相比为了获取Δωoi需要对试样逐层切割以得到最内层，获取Δωo0只需要切割一次试样最外层即可，这在大型工程中能节省大量时间。

[0075] 试验结束后测得不同土样的Δωoi如图9(a)，Δωo0如图9(b)，以及直接测得的冻胀率V0如图9(c)，注意纵轴不同而横轴相同，对不同试样的Δωoi和Δωo0进行比较。虽然Δωoi数值大体是Δωo0的两倍，但二者图像形态特征大体一致，与冻胀率也一致。相比之下，获取Δωo0比Δωoi容易得多，更容易测定，因此，可以将Δωo0作为评价土体冻胀的水不均匀性指标。

[0076] 申请人还发现，本申请的方法对于土粒径较小的土样，譬如粉土精确度更高，于是一种可选的实现方式中，可以仅应用于土粒径较小的试验土样或粉土土样的测试，例如，可以选出最大土粒径小于0.1mm的试验土样，或选出最大土粒径小于0.2mm的试验土样，进行本申请土体冻胀敏感性测试方法的测试。

[0077] 本实施例对每一种土样均进行了径向冻结测试和一维土柱冻结试验，对比Δωo0和最大冻胀率Vh，如图10，发现二者线性相关，证实了利用Δωo0来确定土体冻胀敏感性是一种可靠、有效的方法。采用美国材料与试验协会(ASTM)提出的8小时冻胀率分级方法，土体冻胀敏感性依据Vh分为非常高、高、中等、低、非常低、微弱。

[0078] 将此分类标准应用于Δωo0的分类，通过大量数据比较，本实施例中采取将Δωo0划分为0～0.345％、0.345％～0.690％、0.690％～1.379％、1.379％～2.759％、2.759％～5.517％、5.517％及以上六个区域，分别表示土体冻胀敏感性微弱、非常低、低、中等、高、非常高，如下表。

[0079]

[0080] 通过多组实验，分别依据Vh和Δωo0对试样按冻胀敏感性分类，发现土体对水迁移的敏感性和冻胀的敏感性高度相关，依据美国材料与试验协会(ASTM)提出的冻胀率分级方法对土样Δωo0进行分类，结果几乎一致，可见本申请的技术方案的可靠性。试验结果仅在对冻胀不敏感土体的分类结果上略有分歧，如图11，灰色区域表明分类结果一致，白色区域则存在分歧。例如，在初始含水率较低的黏土中，根据Vh准则和Δωo0准则，其冻胀敏感性分别为低和非常低。在含盐黏土中，根据Vh准则和Δωo0准则，其冻胀敏感性分别为微弱和非常低。水不均匀性分级标准与冻胀速率分级标准的分歧主要出现在冻胀敏感性较低的土体中。

[0081] 虽有部分分歧，最终对土体定性结果的偏差不大。还可以通过更多的实验室测试和实地监测来克服这一限制，从而可以制定更准确的分类方法。

[0082] 总体来说，本申请提出了一种土样冻结测试方法、土样冻结仪器、土样冻结测试仪器和电子设备，可以用于寒区工程，可用于工程现场，可以便捷高效、快速获取土体冻胀敏感性，能够在一定程度满足工程上对经济成本、时间和准确性的要求，也能为研究、设计路基、地基，测试土壤稳定性等应用提供便利。还可以用于模拟工程所在区域土体冻胀下含水量的变化，并以此确定土体的冻胀敏感性。在工程现场试验中，测定含水量的变化要比测试冻胀量快捷方便的多。因此，通过测定土样含水率的变化或含水率的分布来确定土体的冻胀敏感性，能够在保证结果准确性的情况下，大大缩短测定土体冻胀敏感性的时间。现有技术中一维土柱冻结试验每台装置一次只能容纳一个试样；而本申请的冻结测试能一次进行多组试样试验，间接提高了试验的成功率和准确率。现有技术中一维土柱冻结试验对温度敏感，温度影响测试结果；而本申请相对于对温度不敏感，提高了试验的准确率和便捷性。

[0083] 以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

[0084] 以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。