CN103245771A - 人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验装置，其包括模型箱和模型土体、冻结支架系统、冻结循环系统、测量设备、数据采集设备和水压控制设备。本发明还公开了一种人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验方法。本发明克服了冻结法设计只能考虑短期施工阶段影响的缺陷，在达到设计的冻结温度和冻结强度的前提下，控制积极冻结方式和维护冻结，可以对不同冻结温度、冻结时间以及不同冻结方式和解冻方式下对比分析周围土体温度场，应力场和位移场的变化，对其变形机理进行研究。同时可以验证缩尺模型在冻结领域中的应用。

Description

人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，涉及一种隧道联络通道人工地层冻结法施工引起环境效应的模型试验方法及其装置。

背景技术

人工冻结技术是采用人工制冷的方法，降低地下工程周围土体的温度使土体的含水土层形成冻结体，以抵抗地压并隔绝与地下水联系的一种土木工程特殊施工技术。这种施工方法通常不受支护范围和支护深度的限制，能有效防止涌水以及城市挖掘、钻凿施工中相邻土体的变形，基本不影响城市的正常运行。伴随着我国人口数量高峰的来临，东部沿海广大经济发达的软粘土地区城市(如上海、杭州、广州、天津、宁波等地区)的“城市病”(人口众多、房屋密集、街道狭窄、车辆拥挤)越来越严重，而开发地下空间、建设立体交通网络是解决交通拥挤状况的重要途径，其中地下步行街、越江隧道建设、地铁建设就是其中的重要组成部分。在软粘土地区地下空间的开发过程中，冻结法施工作为一种较好的地层加固方法发挥了重要作用，其主要运用于施工难度很大的地下商业街逃生通道、隧道联络通道及地下泵房建设等。

在工程实践中发现冻结法施工对地铁隧道及其周围土体存在较大影响，存在着一些主要问题：冻结时软粘土中的孔隙水由液相转变为固相，体积增大，导致土体冻结后发生地面隆起及对地铁隧道管壁产生冻胀力，隧道管片受冻胀力作用而破损，产生安全隐患；冻结施工结束后，在施工区域有大量的残余冻土存在，在其融化过程中孔隙水由固相转变为液相，体积变小，导致隧道轴线变形进而引起地面沉降与地表建筑物开裂；在地铁运营期间，由于冻胀力作用使冻融土体结构受损，导致其在地铁行车振动荷载作用下土体变形较大，存在土体后期变形引起隧道结构受损与行车安全隐患。因此，研究冻结法施工对周围工程环境效应的影响是非常必要和具有重大意义的。

目前，在人工冻结法施工研究领域，尚无相关环境效应的模型试验装置和方法。要么单纯的室内研究东融特性，其规模无法采用和人工地层冻结法类似的冻结方式，要么是现场测试系统，即使有相关模型试验系统，也只是对温度场的简单模拟，即重点在冻结法施工过程，没有考虑到周围环境效应问题。与本发明相似的产品主要是各种冻结法现场施工方法和监测，或者室内冻融特性测试等，如上海隧道工程股份有限公司杨国祥等人的发明专利“软土层水平冻结法连接通道的施工方法”（专利公开号：CN1614152A）、上海隧道工程股份有限公司吴惠明等人的发明专利“地铁盾构区间隧道联络通道的施工方法”（专利公开号：CN1916362A）、黑龙江省水利科学研究院钟华等人的专利“冻土力学模型试验装置”（专利公开号：CN101551373A）及刘建坤等人的发明专利“能施加动荷载的土冻融试验系统”（专利公开号：CN101699284A）。此类装置和方法要么是对现场冻结法施工方法的补充，要么是对纯粹的土体冻融特性的研究，并未涉及到人工冻结法对隧道周围环境效应的影响方面的研究，尤其是针对隧道周围饱和软粘土在冻结法施工的冻融作用后期的变形机理和特性，更是涉及甚少。目前尚无既能在完全模拟人工低层冻结法的冻结方式、又能研究其对周围土体的环境影响的公开技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道联络通道常用的人工地层冻结法施工引起的周围土体环境效应的模型试验方法及其装置，探讨人工地层冻结法对隧道周围软粘土冻融特性的影响及变形机理的研究。通过对冻结法冻结过程的模拟，监测隧道周围软粘土的温度场变化，应力场变化特点以及冻胀融沉位移变化量等来探讨冻结法对周围环境效应的影响。另外，相比昂贵的冻结现场试验，缩尺模拟在冻结法中的应用得以验证。

本发明的解决方案是：人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验装置包括以下组成部分：模型箱、模型土体、冻结支架系统、冻结循环系统、测量设备、数据采集设备和水压控制设备。模型箱底部安放和固定冻结管支架系统，箱内铺填研究区域的模型土体，冻结循环系统的箱内冻结管系统部分由冻结管支架系统支撑于模型土体的中间部位；并在模型箱的模拟材料区域内设置测量设备进行参数测量；数据采集设备与测量设备相连，实时采集和处理测量设备量测到的各参数；水压控制设备与模型箱相连，为模型箱提供水压以及冻结过程的水分补给。

所述的模型箱由建筑钢板焊成并刷防锈漆，密封不漏水，外墙四围采用聚乙烯泡沫材料保温；所述的模型土体为研究区域的原状土体，根据相应的模型比设计厚度分层铺设各土层，模型箱内壁与试验用土模型接触的部位设有的隔热层。

所述的冻结管支架系统由底座、下宽底板、前壁、后壁、冻结管支梁及连接钢条构成。底座与冻结管支梁和下宽底板焊接成整体，前壁、后壁和下宽底板构成一槽型空间，搁置冻结总管，上述部分分为左右两翼对称布置在模型箱底部，连接钢条通过底座底部的螺栓孔使左右部分连接成整体。

所述底座采用两块高强角钢，每块下部各设有一个螺栓孔，调节螺栓孔使其紧贴箱壁；所述冻结管支梁采用一定厚度的平直钢条，每隔一定距离开设一个半圆形的凹槽，各冻结直管放置其中；所述连接钢条包括四条开有螺栓孔的钢板，通过底座上下分布的螺栓孔使冻结管左右单翼相连，构成稳固的整体。

所述冻结循环系统包括低温恒温槽、冻结循环入液管道、冻结循环出液管道和冻结管系统。冻结循环入液管道和出液管道一端分别和低温恒温槽连接，另一端分别和冻结管系统的入口和出口连接，构成低温液体循环回路。

所述冻结管系统均采用黄铜管，由冻结回路入总管、出总管和各冻结支管构成，冻结回路入总管中间开设回路入口，两边等间距开设小孔通过高强三通阀门连接各冻结支管一端，其另一端汇合于冻结回路出总管处等间距分布的三通阀门。

所述的测量设备，包括温度传感器、压力传感器和位移传感器，所述的温度传感器采用电缆组串式模型土体不同位置处的温度分布；所述的压力传感器包括土压计和孔压计，布置于一层或多层土体内；位移传感器布置在土体表层。

所述的数据采集设备包括温度采集子系统和压力采集子系统，所述的温度采集子系统与温度传感器连接，所述的压力采集子系统分别与土压计、孔压计和位移传感器连接。

所述的水压控制设备包括集水箱、水分补给管和透水砂层构成，集水箱悬挂于试验模型箱上方的墙面，水分补给管上端和集水箱相连，下端和透水砂层连接，集水箱中的水分通过水分补给管接通透水砂层从而保证整个试验系统的水分补给。

所述集水箱采用隔热陶瓷水箱加工制作而成，顶盖上设计了曝气溢出孔，箱壁上设计了源水进水口、出水口和高水位溢出口三个液路出口，所述的源水进水口和出水口均设有控制通断的球阀；

一种人工地层冻结法施工引起的周围土体环境效应的模型试验方法，其包括以下步骤：

第一步，确定所需研究的影响因素，根据人工冻结法传热理论，考虑模拟土体的尺寸，深度及模型箱平面尺寸，冻结管尺寸，数量及间距，采用量纲分析法来确定各相似比；或者在此基础上平行设计几组不同模型相似比，在模拟同种原型工况前提下对比模型结果以验证传统缩尺模型在冻结领域中的应用性，提高该模型试验方法及其装置结果的准确性。

第二步：确定模型材料，包括模型土体和冻结管模型材料；

第三步：模型试验前期准备，包括制作模型箱，准备冻结循环模块、测量模块、数据采集模块，上位PC机调试；

第四步：进行模型试验，包括以下几个步骤：

（1）模型箱设计，建筑钢板焊成并刷防锈漆，前立面为方便土层观测，采用钢化玻璃，外加聚苯乙烯发泡塑料保温材料；

（2）水位控制系统设计和冻结管支架系统安装；在完成模型试验排水设计的布置后，将放置冻结管的冻结管支架系统放入模型箱中；

（3）填土前模型箱内铺好隔热材料，根据模型设计确定的土层厚度开始向模型箱中自下而上地分层填土；用钢尺标定各传感器的位置记号，预填到设计位置处准备埋设传感器；

（4）将试验土每2cm一层均匀摊铺在模型箱中，用铁抹子轻轻的压平，然后用长木板把土层刮平，确保土层在同一水平面上，并洒水养护；砂土与粘土的交界面铺一层皱纹纸，以防止淤泥质粘土与地层透水砂层和顶层覆盖砂层相互混合；表层覆盖的薄砂层在铺设前应用筛孔小于2mm的筛子过筛，然后均匀铺在模型箱中，并洒少量水湿润，用以防止模型测试土体的水分蒸发；

（5）严格控制各传感器埋设位置；温度传感器组串，采用细绳绑定冻结管的方法进行严格空位，在细绳上标记好离冻结管平面的各精确测试位置，填土过程中拉直参考；而粘土中埋放土压计时，在其位置上挖一个直径2cm小坑，填少量的砂子，水平放入土压计，再用砂子盖住，并轻轻压实，使土压计表面与土接触紧密，同时可在孔压计表面形成过滤层，便于量测；

（6）模型土体制备好后，将其置于实验室设定的恒温、恒湿环境中一段时间，以减少填土过程对模型土体初始温度场的影响，模型箱上方覆盖一层土工布防止模型土水分的蒸发；

（7）铺土完成后用集水箱通过水分补给管为透水砂层加水压；自重固结，固结时间根据土层性质而定；

（8）冻结循环模块连接调试运行，设定低温恒温槽循环冻结液体温度，开启冻结循环及测量。

本发明主要解决了已有模型试验装备无法模拟人工地层冻结法的土体内管道冻结方式的问题，实现了对整个冻结法过程周围软粘土的温度场、应力场和位移场的监控，更加实现了对融解过程及后期再固结过程的各环境效应评估量的室内模型试验监测。在封闭环境下，采用不同冻结温度和冻结时间及冻结方式下对周围土体环境效应的对比分析，可为冻结法在软粘土中的应用提供多方面的指导意见。

附图说明

图1为本发明模型试验总系统示意图；其中1-低温恒温槽；2-集水箱；3-水分补给管；4-透水砂层；5-冻结管道；6-冻结管支架；7-压力传感器（土压、孔压）；8-温度传感器；9-位移传感器；10-上覆薄砂层；11-温度采集器；12-压力采集器；13-PC机；14-冻结循环入液管；15-冻结管循环出液管；16-模型箱。

图2(a)为图1所示模型箱中冻结管支架系统的冻结管支架单翼示意图(系统包括左右对称的两翼)。

图2(b)为图1所示模型箱中冻结管支架系统的两翼连接钢条示意图；其中，17-冻结管支架单翼；18-连接钢条。

图3(a)为冻结管支架系统的底座角钢部位示意图。

图3(b)为冻结管支架系统的冻结管支梁示意图。

图3(c)为冻结管支架系统的下宽底板示意图。

图3(d)为冻结管支架系统的前壁示意图。

图3(e)为冻结管支架系统的后壁示意图。

图3(f)为冻结管支架系统的螺栓孔示意图；其中19-底座角钢；20-冻结管支梁；21-下宽底板；22-前壁；23-后壁；24-螺栓孔。

图4为冻结管系统示意图；其中25-冻结循环入液口；26-冻结循环出液口；27-冻结支管；28-橡胶软管接头；29-聚乙烯塑料保温管；30-冻结回路总管。

图5(a)为传感器布置平面示意图。

图5(b)为传感器布置立面示意图。

图5(c)为地表位移传感器布置平面示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1-3，本发明提供一种隧道联络通道常用的人工地层冻结法施工引起的周围土体环境效应的模型装置，其包括模型箱16和模型土体、冻结支架系统、冻结循环系统、测量设备、数据采集设备和水压控制设备。

模型箱16是模型试验的主体容器，尺寸大小可根据试验需求而定，模型箱底部安放和固定冻结管支架系统，箱内铺填研究区域的模型土体，冻结循环系统的箱内冻结管系统部分由冻结管支架系统支撑于模型土体中间部位；测量设备放置于模型箱16内的模型土体内部和表层，数据采集设备与测量设备相连，实时采集和处理测量设备量测到的各参数；水压控制设备与模型箱相连，为模型箱提供水压以及冻结过程的水分补给。

冻结管支架系统（参阅图2-3）由底座19、冻结管支梁20、下宽底板21、前壁22、后壁23及连接钢条18构成。底座19采用两块80mm×80mm×8mm的高强角钢，与冻结管支梁20和下宽底板21焊接成整体；前壁22、后壁23和下宽底板21构成一槽型空间，搁置冻结总管30，以上部分连接组成冻结管支架单翼17左右对称布置在模型箱底部，连接钢条18包括四条钢条通过底座上下分布的螺栓孔24使冻结管左右单翼相连，构成稳固的整体。冻结管支梁采用1cm厚的钢条，且每隔4cm开一个半圆形的凹槽，可以将各冻结支管27固定在凹槽中并用扎带扎紧。

冻结循环系统（参阅图1）包括低温恒温槽1、冻结循环入液管道14、冻结循环出液管道15和冻结管系统（参阅图4）。冻结循环入液管道和出液管道一端分别和低温恒温槽1相连，另一端分别和冻结管系统的入口25和出口26连接，构成低温液体循环回路。

低温恒温槽采用DLSB-20/40型低温冷却泵控制温度和循环流量，最低温度可达-42℃，温度控制精度可达0.2摄氏度，额定电压采用动力电压380V，可自由调节设定目标温度和冻结时间。

冻结管系统（参阅图4）均采用黄铜管，由冻结循环入液口25、冻结循环出液口26，冻结总管30和各冻结支管27构成，其具体尺寸根据具体实验相似比来确定。冻结回路入总管30中间开设入液口25，两边等间距开设小孔通过高强三通阀门连接各冻结支管27一端，其另一端汇合于冻结回路出总管30上开设的各等间距小孔，冻结循环液体经冻结循环出液口流出。

低温冻结液从低温恒温槽1出发，从冻结循环入液管道14进入冻结循环入液口25，通过冻结循环总管30，流经各冻结支管27，完成冻结液体与周围土体的热量交换，再汇合到冻结循环总管30，最后经由冻结循环出液口26通过冻结循环出液管道，流回低温恒温槽完成一次冻结循环。

测量设备，包括温度传感器8、压力传感器7和位移传感器9，温度传感器采用电缆组串式测量模型土体不同位置处的温度分布；压力传感器包括土压计和孔压计，布置于一层或多层土体内；位移传感器布置在土体表层。各传感器具体放置位置根据自己的研究精度要求而定，以能获得所需参数的足够数据2为准。

数据采集设备包括温度采集子系统11和压力采集子系统12，温度采集子系统采用搜博公司提供的SLET3000T温度采集器，压力采集系统采用YE2539高速静态应变测试系统。

水压控制设备包括集水箱2、水分补给管3和透水砂层4构成，集水箱2悬挂于试验模型箱上方的墙面，水分补给管3上端和集水箱2相连，下端和透水砂层4相通，集水箱2中的水分通过水分补给管3接通透水砂层4从而保证整个试验系统的水分补给。

集水箱2采用隔热陶瓷水箱加工制作而成，顶盖上设计了曝气溢出孔，箱壁上设计了源水进水口、出水口和高水位溢出口3个液路出口，源水进水口和出水口均设有控制通断的球阀；

在铺土之前将模型箱16的左、右、后立面和底面用电动磨光机打磨光滑，先刷一层防锈漆，接着再刷一层油漆，最大限度的降低边界效应。前立面的钢化玻璃硅胶处理，密封不漏水。待将模型箱打磨光滑，防锈和保温处理完成，随后安装冻结管支架系统和水分补给设备，连接好冻结管支架系统各部件后安装于模型箱底部，检查其是否和箱壁紧贴，4个连接钢条与长螺栓孔的扣合度是否紧凑；连接集水槽2和水分补给管3，并将其另一端埋设在铺设完成的透水砂层4中，调试管道连通性。然后，将现场取回的模型土体，根据模型设计确定的土层厚度开始向模型箱中自下而上地分层填土；在铺土的同时根据试验方案，埋设测量设备，压力传感器7和位移传感器9。用钢尺贴于模型箱玻璃里面内壁，用于标定各传感器的位置记号，当填到设计位置处准备埋设传感器；温度传感器采用组串式测量模型土体不同位置处的温度分布，压力传感器包括土压计、孔压计分别精确测量整个试验过程中（包括冻结和解冻）模型土体的土压力和孔隙水压力变化；位移传感器用于测量试验过程土体表面位移发展规律。温度传感器8采用组串式，5个数字温度传感器串联成一组，位置方便灵活，精度可达0.2℃，具有高灵敏性和延迟小特点。温度传感器组串采用细绳绑定冻结管的方法进行严格空位，在细绳上标记好离冻结管平面的各精确测试位置，填土过程中拉直参考；而粘土中埋放土压计时，在其位置上挖一个直径2cm小坑，填少量的砂子，水平放入土压计，再用砂子盖住，并轻轻压实，使土压计表面与土接触紧密，同时可在孔压计表面形成过滤层，便于量测；将试验土每2cm一层均匀摊铺在模型箱中，用铁抹子轻轻的压平，然后用长木板把土层刮平，确保土层在同一水平面上，并洒水养护；砂土与粘土的交界面铺一层皱纹纸，以防止淤泥质粘土与地层透水砂层和顶层覆盖砂层相互混合；表层覆盖的薄砂层在铺设前应用筛孔小于2mm的筛子过筛，然后均匀铺在模型箱中，并洒少量水湿润，用以防止模型测试土体的水分蒸发；当模型土体铺填至冻结管支梁所在的高度处时放置冻结管系统，然后继续按照以上所述的铺土和各传感器埋设方法完成以上部分模型土体的铺填和各传感器的布置。根据工程地质勘察资料或其他相关资料，铺土完成后控制集水箱2水位为模型土体加水加压，实验开始前先使集水箱2达到预定水位，确保水分补给管3和透水砂层4充满水分。然后在自重作用下进行固结同时设置试验室温度为模拟原始地层的温度，待模型土体固结完成和温度稳定后，连接冻结循环系统，采用止水胶布做好一切防漏措施，一切外置管道都包裹保温材料，保证循环过程的热量损失；首先设定低温恒温槽冻结循环的温度以及最大冻结时间，预运行到目的温度后，连通冻结管系统调试其连通性。打开上位PC机，数据采集系统及测量模块，调试其连通性；一切检查就绪后，正式开启低温恒温槽循环功能，打开各测试系统，采集系统，点击计算机试验模块的“试验开始”，经过大约几十秒的自动调整，冻结液体开始在模型被测试土体里循环，进行热量交换，点击“监测曲线”可以实时观测到各预设位置的温度变化曲线，土压、孔压及地表位移变化曲线。实验开始后将源水进水口水阀微开，使冻结循环过程中被测试土体若发生任何水分迁移，模型土体能够及时获得补充。根据监测处于冻结圈壁处的温度传感器读数来确定冻结循环积极冻结的完成，再可根据不同试验方案调整维护冻结温度和时间继续试验；随后进行解冻和长期沉降监测。

一种人工地层冻结法施工引起的周围土体环境效应的模型试验方法，包括以下步骤：

第一步：确定几何相似比，本实施例中，按上海市隧道联络通道冻结法施工所处的地层深度资料，平均深度采用12.5m，模型箱深度1.0m，模型试验用土至少填满至0.5m，所以最终确定模型几何相似比为1:50；或者在1:50相似比的基础上，平行设计1:40,1:50和1:60三组平行模型试验，控制模型箱内填埋土体深度0.625m，0.5m和0.42m，从而模拟同种原型工况前提下的对比试验结果来确定传统缩尺效应在冻结领域的适用性和模型结果的准确性。

第二步：确定模型材料，即待测试对象到模型土体的转化与制备以及冻结管道系统材料设计；模型土体为研究区域的原状土体；冻结管采用不锈黄铜管，目前市场上能获取的最小直径是6mm，而工程实际中冻结管规格大多为就冻结系统的几何相似只能达到1:20，值得说明的是，这里即使通过特殊工艺制作出满足几何相似比的冻结管直径，热量交换的力学性质却无法满足，主要原因在于，管内流体的热力学过程，进行模型实验时并不能选用傅里叶数作为相似准则。冻结过程为达到一定的热交换功率，必须保证管内流体达到一定流速。因此在以模型土体为主要研究对象情况下，保证一定的热交换功率是冻结循环系统的设计关键；本实施例中依据试验设计方案，采用8根直径为6mm的冻结管，间距为4cm，而冻结圈设计厚度2cm。

第三步：模型试验前期准备，包括制作模型箱，冻结管支架系统，准备冻结循环系统设备、测量设备、数据采集设备，上位PC机调试；

第四步：进行模型试验，包括以下几个步骤：

1.将模型箱打磨光滑，防锈和保温处理，前立面的钢化玻璃硅胶处理，密封不漏水。

2.水位控制系统连接和冻结管支架系统安装；在完成模型试验水位控制系统的布置后，将放置冻结管的冻结管支架系统固定于模型箱底部；

3.将试验土每2cm一层均匀摊铺在模型箱中，用铁抹子轻轻的压平，然后用长木板把土层刮平，确保土层在同一水平面上，并洒水养护；砂土与粘土的交界面铺一层皱纹纸，以防止淤泥质粘土与地层透水砂层和顶层覆盖砂层相互混合；表层覆盖的薄砂层在铺设前应用筛孔小于2mm的筛子过筛，然后均匀铺在模型箱中，并洒少量水湿润，用以防止模型测试土体的水分蒸发；各土层厚度按照研究区域的实际土层铺设，并当模型土体铺填至冻结管支梁所在的高度处时放置冻结管系统；

4.填土过程中，根据研究需求埋设测量设备。严格控制各传感器埋设位置；温度传感器组串，采用细绳绑定冻结管的方法进行定位，在细绳上标记好离冻结管平面的各精确测试位置，填土过程中拉直参考；而粘土中埋放土压计时，在其位置上挖一个直径2cm小坑，填少量的砂子，水平放入土压计，再用砂子盖住，并轻轻压实，使土压计表面与土接触紧密，同时可在孔压计表面形成过滤层，便于量测。本实施例中，根据试验设计指导书，在预设位置埋设安装各传感器原件，包括4个温度传感器组串，压力传感器（7个土压和5个孔压）和位移传感器（5个），图5显示本实施例传感器埋设的详图（采用8根直径为6mm的冻结管，间距为4cm，而冻结圈设计厚度2cm）。三组温度传感器组串沿深度方向分别分布在冻结管之间，离冻结管平面2cm处（冻结圈位置）和离冻结管4cm位置处，另外第四组传感器分布于冻结管系统外围用于测量横向温度的影响，间距分别是2cm、2cm、4cm和4cm（图5（a））。而土压计和孔压计沿冻结管中心第5根位置处在上述三个平面内分别布置，其他相对位置如图5（b）所示；而5个位移计围绕中心点覆盖整个模型土体表面，四周4个位移计呈十字分布，离中心点距离都是14cm（如图5（c））。

5.铺土完成后用集水箱为模型土体加水加压；

6.连接冻结循环系统，设定低温恒温槽冻结循环的温度以及最大冻结时间。

7.自重作用下进行固结同时设置试验室温度为模拟原始地层的温度。

8.开始冻结循环及量测，具体根据不同的模型材料、及其大小及研究目的选择不同的冻结循环温度、冻结圈厚度以及解冻方式。比如本实施例，冻结圈设计厚度2cm，监测处于冻结圈壁处的温度传感器读数来确定冻结循环积极冻结的完成，再可根据不同试验方案调整维护冻结温度和时间继续试验；随后进行解冻和长期沉降监测。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验系统，其特征在于，其包括模型箱和模型土体、冻结支架系统、冻结循环系统、测量设备、数据采集设备和水压控制设备，模型箱内放置模拟研究区域的模型土体和冻结支架系统及冻结循环系统的箱内冻结管系统；并在模型箱的模拟材料区域内设置测量设备进行参数测量；数据采集设备与测量设备相连以实时采集和处理测量设备量测到的各参数；水压控制设备与模型箱相连为模型箱提供水压以及冻结过程的水分补给。

2.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的模型箱底部安放和固定冻结管支架系统；箱内铺填研究区域的模型土体，冻结循环系统的箱内冻结管部分由冻结管支架系统支撑于模型土体中间部位；或者，优选的：模型箱由建筑钢板构成并刷有防锈漆，密封不漏水，外墙四围设有保温材料，例如聚乙烯泡沫材料。

3.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的模型土体为研究区域的原状土体，根据相应的模型比设计厚度分层铺设各土层，模型箱内壁与试验用土模型接触的部位设有隔热层。

4.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的冻结管支架系统由底座、下宽底板、前壁、后壁、冻结管支梁及连接钢条构成；底座与冻结管支梁和下宽底板固定连接成整体，前壁、后壁和下宽底板构成一槽型空间用于搁置冻结总管，上述部分分为左右两翼对称的布置在模型箱底部，连接钢条通过底座底部的螺栓孔使左右部分连接成整体。

5.如权利要求4所述的模型试验系统，其特征在于：所述底座采用两块高强角钢，每块下部各设有一个螺栓孔，调节螺栓孔使其紧贴箱壁；所述冻结管支梁采用平直钢条，每隔一定距离开设一个半圆形的凹槽，各冻结支管放置于其中；所述连接钢条包括四条开有螺栓孔的钢板，通过底座上下分布的螺栓孔使冻结管支架系统的左右两翼相连，构成稳固的整体。

6.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述冻结循环系统包括低温恒温槽、冻结循环入液管道、冻结循环出液管道和冻结管系统，冻结循环入液管道和出液管道一端分别和低温恒温槽连接，另一端分别和冻结管系统的入口和出口连接，构成低温液体循环回路。

7.如权利要求6所述的模型试验系统，其特征在于：所述冻结循环系统中的低温恒温槽最低温度为-42℃，温度控制精度可达0.01摄氏度，额定电压采用动力电压380V，可自由调节设定目标温度和冻结时间。

8.如权利要求6所述的模型试验系统，其特征在于：所述冻结管系统均采用黄铜管制成，由冻结回路入总管、出总管和各冻结支管构成，冻结回路入总管中间开设回路入口，两边等间距开设小孔通过高强三通阀门连接各冻结支管一端，其另一端汇合于冻结回路出总管处等间距分布的三通阀门。

9.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的测量设备，包括温度传感器、压力传感器和位移传感器，所述的温度传感器采用电缆组串式测量模型土体不同位置处的温度分布；所述的压力传感器包括土压计和孔压计，布置于一层或多层土体内；位移传感器布置在土体表层。

10.如权利要求9所述的模型试验系统，其特征在于：所述测量设备中的温度传感器采用电缆组串式，模型土体不同位置插设电缆线，不同深度处串联温度传感器。

11.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的数据采集设备包括温度采集子系统和压力采集子系统，所述的温度采集子系统与温度传感器连接，所述的压力采集子系统分别与土压计、孔压计和位移传感器连接。

12.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的水压控制设备包括集水箱、水分补给管和透水砂层，集水箱悬挂于试验模型箱上方的墙面，水分补给管上端和集水箱相连，下端和透水砂层连接，集水箱中的水分通过水分补给管接通透水砂层从而保证整个试验系统的水分补给。

13.如权利要求12所述的模型试验系统，其特征在于：所述集水箱采用隔热陶瓷水箱，顶盖上设有曝气溢出孔，箱壁上设有源水进水口、出水口和高水位溢出口三个液路出口，所述的源水进水口和出水口均设有控制通断的球阀。

14.一种人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验方法，其特征在于：其包括以下步骤：

（1）确定所需研究的影响因素，根据人工冻结法传热理论，确定模拟土体的尺寸，深度及模型箱平面尺寸，冻结管尺寸，数量及间距，采用量纲分析法来确定各相似比；或者在此基础上平行设计几组不同模型相似比，在模拟同种原型工况前提下对比模型结果以验证传统缩尺模型在冻结领域中的应用性，提高该模型试验方法及其装置结果的准确性；

（2）确定模型材料，包括模型土体和冻结管模型材料；

（3）模型试验前期准备，包括制作模型箱，准备冻结循环模块、测量模块、数据采集模块，上位PC机调试；

（4）进行模型试验。

15.如权利要求14所述的模型试验方法，其特征在于：

所述步骤（4）包括以下环节：

（1）以建筑钢板焊成模型箱并刷防锈漆，前立面为方便土层观测，采用钢化玻璃，外加聚苯乙烯发泡塑料保温材料；

（2）水位控制系统设计和冻结管支架系统安装；在完成模型试验排水设计的布置后，将放置冻结管的冻结管支架系统放入模型箱中；

（3）填土前模型箱内铺好隔热材料，根据模型设计确定的土层厚度开始向模型箱中自下而上地分层填土；标定各传感器的位置记号，预填到设计位置处准备埋设传感器；

（4）将试验土均匀摊铺在模型箱中，压平，然后把土层刮平，确保土层在同一水平面上，并洒水养护；砂土与粘土的交界面铺一层皱纹纸，以防止淤泥质粘土与地层透水砂层和顶层覆盖砂层相互混合；表层覆盖的薄砂层在铺设前应用筛子过筛，然后均匀铺在模型箱中，并洒少量水湿润，用以防止模型测试土体的水分蒸发；

（5）严格控制各传感器埋设位置；温度传感器组串，采用细绳绑定冻结管的方法进行严格空位，在细绳上标记好离冻结管平面的各精确测试位置，填土过程中拉直参考；而粘土中埋放土压计时，在其位置上挖一个小坑，填少量的砂子，水平放入土压计，再用砂子盖住，并轻轻压实，使土压计表面与土接触紧密，同时可在孔压计表面形成过滤层，便于量测；

（6）模型土体制备好后，将其置于实验室设定的恒温、恒湿环境中一段时间，以减少填土过程对模型土体初始温度场的影响，模型箱上方覆盖一层土工布防止模型土水分的蒸发；

（7）铺土完成后用集水箱通过水分补给管为透水砂层加水压；自重固结，固结时间根据土层性质而定；

（8）冻结循环模块连接调试运行，设定低温恒温槽循环冻结液体温度，开启冻结循环及测量。

16.如权利要求15所述的模型试验方法，其特征在于：环节（4）中是将试验土每2cm一层均匀摊铺在模型箱中；所述筛子的筛孔小于2mm；环节（5）中所述小坑的直径为2cm。

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