CN104316391A - 模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置及方法，该装置包括试验土样、单向冻融仪、冷冻液制冷循环设备、量测设备和数据采集设备，单向冻融仪包括顶盖、土样腔、底板、土样盖板、连杆和支架，底板连接土样腔的一端，土样腔的另一端盖设顶盖，支架分别固定连接底板和顶盖，土样盖板置于土样腔内，连接连杆的下端，连杆的上端穿过顶盖，试验土样置于土样腔内，冷冻液制冷循环设备连接底板的冷冻液出入口，量测设备连接单向冻融仪，测量试验土样的试验参数，数据采集设备连接量测设备，采集并处理试验参数。与现有技术相比，本发明可以模拟多种土质的土体在不同冻结温度下的冻融过程，研究土体温度、水土压力等变化规律。

Description

模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，尤其是涉及一种模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置及方法。

背景技术

人工地层冻结法是随着人工制冷技术的发展而产生的一种较好的地层加固技术。人工地层冻结法即在预加固土体四周布置冻结管，通过管内低温冷媒剂的循环，向地层连续或间断供冷，使地层中的水结冰，将天然岩土转变为人工冻土，加固软弱地层，隔绝地下水与地下工程的联系，在冻结壁的保护下进行掘进和衬砌。人工地层冻结法最早由德国工程师F.H.Poetech于1883年应用于矿井开凿，之后被逐渐应用于其他地下工程。20世纪90年代以来，我国东南沿海地区开始大规模地开发利用地下空间，由于这一地区软黏土分布较广，为地下施工带来极大不便，人工地层冻结法以其冻土强度高、隔水性好等优点而逐渐被广泛应用。

然而，人工地层冻结法施工也对环境带来了许多不利影响。对于粉土及黏性土，施工过程中，土层中水分迁移而形成分凝冰层，产生冻胀，造成地面上鼓、道路开裂；施工结束后，土层中冰融化，由于土体结构受到破坏，产生融沉而引起不均匀沉降，使得地铁轨道不平顺、周边建筑物开裂，影响地铁运营安全及周围建筑物的使用安全。因此研究人工土层冻结法施工过程中冻胀融沉规律、温度分布规律、土体内部水土压力变化规律以及分凝冰层形成规律是很有必要的。

目前，在人工地层冻结法研究领域，一些试验装置可以对土体的冻胀融沉进行量测，但是还没有将冻融量测、温度量测、水土压力量测、分凝冰层形成观测集为一体的模拟人工地层冻结法试验方法，本发明将填补这一空白。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置及方法，可以模拟多种土质的土体在不同冻结温度下的冻融过程，研究土体的不同变化规律。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置，该装置包括试验土样、单向冻融仪、冷冻液制冷循环设备、量测设备和数据采集设备，所述单向冻融仪包括顶盖、土样腔、底板、土样盖板、连杆和支架，所述底板连接土样腔的一端，所述土样腔的另一端盖设顶盖，所述支架分别固定连接底板和顶盖，所述土样盖板置于土样腔内，连接连杆的下端，所述连杆的上端穿过顶盖，所述试验土样置于土样腔内，所述冷冻液制冷循环设备连接底板的冷冻液出入口，提供冻结冷量，所述量测设备连接单向冻融仪，测量试验土样的试验参数，所述数据采集设备连接量测设备，采集并处理试验参数。

所述试验土样为原状或重塑的土体，所述土体为单层或多层。

所述冷冻液制冷循环设备设有循环泵，设置冻结液温度后，循环泵使冷冻液在冷冻液制冷循环设备与单向冻融仪之间循环流动。

所述土样腔包括两个半对开的半圆腔壁，通过环箍固定连接，其中一半圆腔壁设有用于使温度传感器穿过的小孔。

所述量测设备包括土压计、孔压计、温度传感器和位移传感器，所述温度传感器通过土样腔腔壁上的小孔插入试验土样中，所述土压计和孔压计分别通过双面胶粘于单向冻融仪的土样腔内壁，所述位移传感器置于连杆的上端，分别测量试验土样中不同区域的土压力、孔隙水压力、温度和试验土样的冻胀融沉量。

所述温度传感器为热电偶。

所述数据采集设备包括温度采集仪、应变仪和相机，所述的温度采集仪连接温度传感器，所述应变仪分别连接土压计、孔压计和位移传感器，所述相机的镜头对准土样腔内的试验土样。

一种模拟人工地层冻结法的冻融试验方法，包括以下步骤：

步骤Sl：确定试验土样，并测定试验土样的含水率、抗剪强度指标、渗透系数，试验土样直径为单向冻融仪的土样腔内径的三倍；

步骤S2：通过双面胶将土压计、孔压计粘于土样腔内壁；

步骤S3：试验土样经切削后其直径与土样腔直径相同，将试验土样置于土样腔内：

步骤S4：将土样腔竖直，在试验土样上下各放一滤纸，将土样腔放于底板之上，温度传感器通过土样腔腔壁上的孔洞插入试验土样中，依次放入土样盖板、顶盖，连杆下端连接土样盖板，上端穿过顶盖连接位移传感器，孔压计、土压计的连线通过土样盖板、顶盖上的小孔穿出，拧紧支架顶端螺母使土样腔上下分别与顶板、底板紧合；

步骤S5：在土样腔外部包裹一层保温材料，留一条宽缝，架设相机，使相机镜头对准宽缝；

步骤S6：将土压计、孔压计、温度传感器和位移传感器的数据线连接数据采集设备，计算机连接数据采集设备，初始化预设参数；

步骤S7：设置冷冻液制冷温度，开启冷冻液制冷循环设备，待冷冻液温度低至预设温度时，开始循环制冷；

步骤S8：将试验土样冻结至预设状态后，停止循环制冷，令试验土样自然解冻，同时计算机读取整个过程中数据采集设备的试验参数并处理。

所述土样腔内壁上涂有一层凡士林。

还包括步骤S9：对自然解冻后的试样土样进行取样，测定冻融土物理力学性质。

与现有技术相比，本发明具有以下优点；

1)本发明提供一种模拟人工地层冻结法的冻融试验方法，采用单向冻结试验土样的方法，选用不同土质的试验土样，土样腔内壁涂一层凡士林，减小土样与内壁间摩擦，可以模拟多种土质的土体在不同冻结温度下的冻融过程，研究土体冻胀融沉规律、温度场分布规律、分凝冰层形成规律、土中应力(包括土压力、超空隙水压力)的变化规律等；

2)本发明通过合理设置土压计、孔压计、温度传感器和位移传感器的检测位置，采集冻结法冻融试验过程中土样的温度、应变等数据，保证采集到的数据真实且多角度反应土样变化情况，测出冻融过程中土体中水土压力的变化、冻胀融沉量、温度梯度分布、观测分凝冰层形成过程，实现将冻融量测、温度量测、水土压力量测、分凝冰层形成观测集为一体，进行模拟人工地层冻结法试验，同时为人工地层冻结法的施工提供一定的指导；

3)本发明采用相机对冻融试验中的土样进行遥控摄像，可以清楚地拍摄土样变化情况，直观地反应试验过程，同时通过对融土取样可以得到冻融过程水分迁移规律；

4)本发明土样腔包括两个半对开的半圆腔壁，试验时，试验前放置土样和试验后取出土样都可以先通过拆卸两个半圆腔壁外的环箍实现，操作方便；

5)本发明方法还包括对自然解冻后的试样土样进行取样，测定冻融土物理力学性质，通过对比前后土样的物理力学参数变化，从物理力学性质方面研究冻结前后土样的变化。

附图说明

图1为本发明模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置结构示意图。

图中：1、试验土样，2、冷冻液制冷循环设备，3、土压计，4、孔压计，5、温度传感器，6、位移传感器，7、温度采集仪，8、应变仪，9、相机，10、计算机，11、顶盖，12、土样腔，13、底板，14、土样盖板，15、连杆，16、支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置，该装置包括试验土样1、单向冻融仪、冷冻液制冷循环设备2、量测设备和数据采集设备，单向冻融仪包括顶盖11、土样腔12、底板13、土样盖板14、连杆15和支架16，底板13连接土样腔12的一端，土样腔12的另一端盖设顶盖11，支架16分别固定连接底板13和顶盖11，土样盖板14置于土样腔12内，连接连杆15的下端，连杆15的上端穿过顶盖11，试验土样1置于土样腔12内，冷冻液制冷循环设备2连接底板13的冷冻液出入口，提供冻结冷量，量测设备连接单向冻融仪，测量试验土样1的试验参数，数据采集设备连接量测设备，采集并处理试验参数。

试验土样1为原状或重塑的土体，土体为单层或多层。

冷冻液制冷循环设备2设有循环泵，设置冻结液温度后，循环泵使冷冻液在冷冻液制冷循环设备2与单向冻融仪之间循环流动。

土样腔12包括两个半对开的半圆腔壁，通过环箍固定连接，其中一半圆腔壁设有用于使温度传感器5穿过的小孔。

量测设备包括土压计3、孔压计4(孔隙水压力计)、温度传感器5和位移传感器6。温度传感器5为热电偶，通过土样腔12腔壁上的小孔插入试验土样1中；土压计3和孔压计4分别通过双面胶粘于单向冻融仪的土样腔12内壁；位移传感器6置于连杆15的上端；分别测量试验土样1中不同区域的土压力、孔隙水压力、温度和试验土样1的冻胀融沉量。

数据采集设备包括温度采集仪7、应变仪8和相机9，的温度采集仪7连接温度传感器5，应变仪8分别连接土压计3、孔压计4和位移传感器6，相机9的镜头对准土样腔12内的试验土样1。

采用上述模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置，进行冻融试验，其方法包括以下步骤：

步骤S1：确定试验土样1，并测定试验土样1的含水率、抗剪强度指标、渗透系数；

本实施例选用上海第四层淤泥质原状土，试验土样1高度24cm；取试验土样1的原状土样或制备其重塑土样，为保证尽可能少地使土样受到扰动，同时使试验前土样的含水率的损失降到最低，直径为单向冻融仪的土样腔12内径的三倍左右；

步骤S2：在土样腔12内壁涂一层凡士林，减小试验土样1与内壁间摩擦：用双面胶将六个土压计3分别对称地贴于土样腔12内壁上，将孔压计4粘于土样腔12内壁上；

步骤S3：试验土样1经切削后其直径与土样腔12直径相同，将试验土样1置于土样腔12内；

放置试验土样1时，将土样腔12的不开设小孔的半圆腔壁平置，待试验土样1放入后，将另一半圆腔壁合于试验土样1之上，用环箍将两个半圆腔壁紧密合拢，方便对试验土样1进行放置与取出；

步骤S4：将土样腔12竖直，为使取样时试验土样1能够顺利与底板13及土样盖板14分离，在试验土样1上下各放一滤纸，将土样腔12放于底板13之上，温度传感器5通过土样腔12腔壁上的小孔插入试验土样1中，即将十三个热电偶通过土样腔12腔壁上的小孔从低到高插入试验土样1中，通过尺子量出插入长度，使得热电偶端部位于土样中心，依次放入土样盖板14、顶盖11，连杆15下端连接土样盖板14，上端穿过顶盖11连接位移传感器6，孔压计4、土压计3的连线通过土样盖板14、顶盖11上的小孔穿出，拧紧支架16顶端螺母使土样腔12上下分别与顶板、底板13紧合，保证装置的密封性；

步骤S5：在土样腔12外部包裹一层保温材料，留一条宽缝，通过三角架将单反相机或摄像机固定，使相机镜头对准宽缝，调整相机9使其可以清楚地拍摄土样变化情况；

步骤S6：将土压计3、孔压计4、温度传感器5和位移传感器6的数据线连接数据采集设备，计算机10连接数据采集设备，初始化预设参数；

其中，温度采集仪7采用2700型数据采集仪，将热电偶另一端与之连接，进行A/D转换等处理获得温度数值；应变仪8采用YE2539高速静态应变测试系统，分别将士压计3、孔压计4、位移传感器6与之连接，亦进行A/D转换等处理获得相应试验参数，将温度采集仪7和应变仪8均与计算机10相连；

计算机10设置温度采集仪7的设备参数，每30秒测读一次，设置应变仪8的设备参数，同时可通过遥控相机9的快门控制，每5分钟拍摄一张照片；

步骤S7：冷冻液制冷循环设备采用上海吉众仪器生产的低温恒温反应浴室，通过橡胶管将其出液口、进液口分别与单向冻融仪的进液口、出液口相连，设置冷冻液制冷温度为-25℃，开启冷冻液制冷循环设备2，待冷冻液温度低至-25℃时，开启循环开关，使冷冻液进入单向冻融仪底板13循环；

步骤S8：将试验土样1冻结至预设状态后，停止循环制冷，令试验土样1自然解冻，同时计算机10读取整个过程中数据采集设备的试验参数并处理，得到土体冻胀融沉规律、温度场分布规律、分凝冰层形成规律和土中应力的变化规律；

还包括步骤S9：取下土样腔12使其平置，拔出温度传感器，打开环箍，将设有小孔的半圆腔壁取下，从另一半圆腔壁中取出试验土样1，再根据试验需要对试样土样1进行取样，测定冻融土物理力学性质，通过对比前后土样的物理力学参数变化，从物理力学性质方面研究冻结前后土样的变化。

Claims (10)

1.一种模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置，其特征在于，该装置包括试验土样、单向冻融仪、冷冻液制冷循环设备、量测设备和数据采集设备，所述单向冻融仪包括顶盖、土样腔、底板、土样盖板、连杆和支架，所述底板连接土样腔的一端，所述土样腔的另一端盖设顶盖，所述支架分别固定连接底板和顶盖，所述土样盖板置于土样腔内，连接连杆的下端，所述连杆的上端穿过顶盖，所述试验土样置于土样腔内，所述冷冻液制冷循环设备连接底板的冷冻液出入口，提供冻结冷量，所述量测设备连接单向冻融仪，测量试验土样的试验参数，所述数据采集设备连接量测设备，采集并处理试验参数。

2.根据权利要求1所述的模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置，其特征在于，所述试验土样为原状或重塑的土体，所述土体为单层或多层。

3.根据权利要求1所述的模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置，其特征在于，所述冷冻液制冷循环设备设有循环泵，设置冻结液温度后，循环泵使冷冻液在冷冻液制冷循环设备与单向冻融仪之间循环流动。

4.根据权利要求1所述的模拟人工地层冻结法的冻融试验方法，其特征在于，所述土样腔包括两个半对开的半圆腔壁，通过环箍固定连接，其中一半圆腔壁设有用于使温度传感器穿过的小孔。

5.根据权利要求1所述的模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置，其特征在于，所述量测设备包括土压计、孔压计、温度传感器和位移传感器，所述温度传感器通过土样腔腔壁上的小孔插入试验土样中，所述土压计和孔压计分别通过双面胶粘于单向冻融仪的土样腔内壁，所述位移传感器置于连杆的上端，分别测量试验土样中不同区域的土压力、孔隙水压力、温度和试验土样的冻胀融沉量。

6.根据权利要求5所述的模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置，其特征在于，所述温度传感器为热电偶。

7.根据权利要求5所述的模拟人工地层冻结法的冻融试验模型装置，其特征在于，所述数据采集设备包括温度采集仪、应变仪和相机，所述的温度采集仪连接温度传感器，所述应变仪分别连接土压计、孔压计和位移传感器，所述相机的镜头对准土样腔内的试验土样。

8.一种利用如权利要求1所述装置模拟人工地层冻结法的冻融试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：确定试验土样，并测定试验土样的含水率、抗剪强度指标、渗透系数，试验土样直径为单向冻融仪的土样腔内径的三倍；

步骤S2：通过双面胶将土压计、孔压计粘于土样腔内壁；

步骤S3：试验土样经切削后其直径与土样腔直径相同，将试验土样置于土样腔内；

步骤S4：将土样腔竖直，在试验土样上下各放一滤纸，将土样腔放于底板之上，温度传感器通过土样腔腔壁上的孔洞插入试验土样中，依次放入土样盖板、顶盖，连杆下端连接土样盖板，上端穿过顶盖连接位移传感器，孔压计、土压计的连线通过土样盖板、顶盖上的小孔穿出，拧紧支架顶端螺母使土样腔上下分别与顶板、底板紧合；

步骤S5：在土样腔外部包裹一层保温材料，留一条宽缝，架设相机，使相机镜头对准宽缝；

步骤S6：将土压计、孔压计、温度传感器和位移传感器的数据线连接数据采集设备，计算机连接数据采集设备，初始化预设参数；

步骤S7：设置冷冻液制冷温度，开启冷冻液制冷循环设备，待冷冻液温度低至预设温度时，开始循环制冷；

步骤S8：将试验土样冻结至预设状态后，停止循环制冷，令试验土样自然解冻，同时计算机读取整个过程中数据采集设备的试验参数并处理。

9.根据权利要求8所述的模拟人工地层冻结法的冻融试验方法，其特征在于，所述土样腔内壁上涂有一层凡士林。

10.根据权利要求8所述的模拟人工地层冻结法的冻融试验方法，其特征在于，还包括步骤S9：对自然解冻后的试样土样进行取样，测定冻融土物理力学性质。