CN106645261A - 大型多功能人工冻结平台 - Google Patents
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Abstract
本发涉及大型多功能人工冻结平台。本发明解决了下述问题:因冻结法施工造价高,为了在较低成本的情况下,研究冻结过程中温度场、应力场、水分场等变化规律,以及相互影响关系,需要进行模型试验来模拟实际工程情况。本发明包括制冷系统,模型试验采集系统和试验平台。制冷系统由箱体、室外冷凝机组、外循环管路组成;模型试验采集系统由计算机、温度采集原件、压力采集原件、水分采集原件组成;试验平台由圆柱形基坑和架在基坑上方的反力架组成。本发明相对于实际人工冻土工程,具有结构简单,成本低,功能较多等优点。降低了冻土研究的成本,使得冻土研究不会受时间、地点等因素的限制,方便研究人员对人工冻土展开大量研究。
Description
技术领域
本发明涉及模型试验和人工冻土工程,具体说是通过模型试验方法将现场原型上的基本物理力学现象(冻结壁温度场、应力场、水分场变化规律及相互影响关系),按照一定几何缩比进行设计,在模拟同等的边界条件下进行室内试验(在室内进行人工多线圈管冻结壁水、热、力耦合模型试验)。
背景技术
模型试验方法是将体现在现场原型上的基本物理力学现象,按一定几何缩比进行设计,在模拟同等的边界条件下进行室内试验。以尽可能小的人力、物力、财力条件下,从本质掌握现场实际物理、力学现象。
冻土即温度低于0℃的土或岩石。冰作为胶结材料,将相邻土颗粒或岩块体胶结连接而结构体的强度增大,同时降低其透水性,所以在冻土工程中,能够利用的冻土有利特性包括其稳定性、高强度、隔水性等,但利用冻结法的工程往往困难程度高,工程造价昂贵。
发明内容
因为冻结法施工造价高,所以,为了在较低成本的情况下,研究冻结过程中温度场、应力场、水分场变化规律,以及相互影响关系,需要进行模型试验来模拟实际工程情况。为了解决上述问题,本发明提出大型多功能人工冻结平台。
为了实现上述目的,解决方案如下:
大型多功能人工冻结平台:
A.制冷系统:包括箱体、室外冷凝机组、外循环管路。可以实现以下功能:在箱体内实现通过压缩制冷剂(如:氟利昂)将冷媒剂(如:酒精)降低(或升高)到指定温度并保持恒温,通过控制系统使冷媒剂进入外循环系统,在外部的循环管路中进行外循环,当冷媒剂循环经过插在土体中的冻结管时,达到降低土体温度的目的。
(1)箱体:箱体应可以实现以下功能。①实现制冷功能。通过压缩制冷剂(如:氟利昂)将冷媒剂(如:酒精)降低(或升高)到指定温度并保持恒温,通过控制系统使降温后的冷媒剂,进入箱体外的管路。冷媒剂流经插在土体内的冻结管(其中冻结管应由导热系数较大的金属材料制成),依据热传导原理,达到降低土体温度的目的,再由外循环管路流回箱体内部,重新进行降温。②可以对制冷温度以及冷媒剂(如:酒精)的循环进行调节与控制。
(2)室外冷凝机组:箱体内部在压缩制冷剂降温的过程中,会产生热量,这些热量通过冷凝机组排放到室外。
(3)外循环管路:冷媒剂在箱体内降温后,通过循环动力系统进入外循环管路中的去路酒精干路,冷媒剂再流入各支路中,之后需要流入与各支路相连的插在土中的金属冻结管,再由各回路支路流入回路酒精干路。其中金属冻结管的构造是上端开口,下端封闭的空心圆柱形金属管。
B.模型试验采集系统:由计算机、温度采集原件、压力采集原件、水分采集原件组成。可以实现以下功能:能够通过计算机实时对土体温度、水分、内部应力进行监测、收集。
(1)温度采集原件:土体温度变化是试验的基础和关键,因此对温度采集要求较高。要求温度传感器能够在低温条件下工作,温度采集仪要求测量精度达到±0.5℃。
(2)压力采集原件:为了测量在土体冻结过程中引起的内部冻胀力,需要在土体中埋置微型压力盒,选用电阻应变式传感器。电阻应变式传感器工作原理:土压力作用在传感器的弹性膜上,使得膜产生变形,粘贴在弹性膜内表面的电阻应变片的阻值发生变化,从应变仪上得到膜受力后产生的应变值,再根据试验前标定的“压力-应变”曲线换算得到土压力值。
(3)水分采集原件:土体冻结过程,将引起土体内部水分的迁移,水分迁移的同时引起土体内部压力的变化。可选用以能量脉冲为基本原理的水分传感器,通过测量一定体积土体中含水量的变化引起的电压变化,再通过建立二者的函数关系,换算得出土体含水量的变化,来实现对水分变化数据的采集、监测。
(4)计算机:安装冻结模型试验监测监控系统,能够通过计算机实时对监测数据进行采集保存。该系统界面由试验控制界面、温度数据采集界面、水分数据采集界面以及冻结应力数据采集界面构成。
C.试验平台:模型试验平台由直径3.0m,深度1.8m的圆柱形基坑和距离平台顶端1.5m的反力架组成。
(1)基坑:为搭建试验模型提供空间。
(2)反力架:为外循环管路(配液圈和集液圈)提供支撑。当需要测量冻土承载力时,还可在反力架下部安装千斤顶等装置。
本发明的有益技术效果体现在:
1、在实际进行冻结施工前,可通过本发明在室内进行相似模型试验,为实际施工提供设计参数及经验,为实际工程节约大量成本。
2、冻结施工成本较高,所以科研人员想要对冻结施工中土体的各种物理、力学性质进行研究时,往往会受到成本的限制,无法展开大量研究。本发明可以在较小成本的前提下,对实际工程进行模拟,使研究人员的研究不会受到资金、时间和地点等因素的限制,方便研究。
附图说明:
下面结合附图,通过实施例对本发明进一步地说明。
图1是箱体、室外冷凝机组和外循环管路的连接图。其中图1中1为配液圈,2为回液管,3为供液管,4为集液圈,5为冻结管,6为被冻结的土体,7为去路酒精干路,8为回路酒精干路,9为箱体,10和11为箱体和冷凝机组的连接管,12为冷凝机组。图1中1配液圈,2回液管,3供液管,4集液圈,5冻结管,7去路酒精干路,8回路酒精干路,以上部分构成外循环管路。
图2是试验平台的示意图。图2中13为反力架,14为室内地面,15为基坑,16为基坑内壁。
具体实施方式:
实施实例1:
研究人工冻结条件下土体冻结及融化过程各物理量变化规律
第一步:物理模型设计
确定土壤类型(如黏土、粉土等)。依照相似模型理论求得几何缩比、温度缩比、时间缩比,从而确定模型的几何尺寸,冻结管圈如何分布,冻结温度以及冻结时间。确定温度采集原件、应力采集原件、水分采集原件的布置位置。
第二步:模型搭建
首先,按照设计要求,在15基坑内部填土,搭建土体模型,并于搭建模型的过程中,在土体中的指定位置埋置温度采集原件、应力采集原件和水分采集原件。土体模型搭建完成后,开始布置冻结管路。其中1配液圈和2集液圈放置于13反力架上方,冻结管通过3供液管和2回液管与1配液圈和2集液圈相连。按照设计布置图,在土体模型的指定位置埋入5冻结管。在冻结管埋置完成后,将预先留出的试验采集原件的连接线同数据采集仪器相连。
第三步:试验实施
试验模型搭建完成后,启动制冷系统,开始模型试验,进行冻结过程温度采集。按照试验设计的冻结时间,当冻结过程达到指定时间后,应停止制冷装置,并在设计的融化温度下,对土体进行解冻,在融化过程中,任然要对土体进行各物理量的监测,土体完全融化后,试验结束。
第四步:数据处理及分析
试验结束后,将得到冻结各个过程中的物理量。对试验结果进行处理分析,研究变化规律。
实施实例2:往复荷载下冻土地基承载力研究
第一步:物理模型设计
确定土壤类型(如黏土、粉土等)。依照相似模型理论求得几何缩比、温度缩比、时间缩比,从而确定模型的几何尺寸,冻结管圈如何分布,冻结温度以及冻结时间。确定温度采集原件、应力采集原件以及荷载施加装置的布置位置。
第二步:模型搭建
按照设计要求,在15基坑内部填土,搭建土体模型,并于搭建模型的过程中,在土体中的指定位置埋置温度采集原件、应力采集原件、应变采集原件。土体模型搭建完成后,开始布置冻结管路。其中1配液圈和2集液圈放置于反力架上方,冻结管通过3供液管和2回液管与1配液圈和2集液圈相连。按照设计布置图,在土体模型的指定位置埋入5冻结管,并在13反力架下方安装千斤顶作为试验的加载装置。在冻结管埋置完成后,将预先留出的试验采集原件的连接线同数据采集仪器相连。
第三步:试验实施
试验模型搭建完成后,启动制冷系统,开始模型试验,进行冻结过程温度采集。当土体的温度达到指定温度后,保持其温度稳定,按照设计的加载方式,开始对冻结土体施加往复周期性加载,并对加载过程中的土中应力和土体应变数据进行采集。
第四步:数据处理及分析
对试验结果进行处理分析。
Claims (10)
1.大型多功能人工冻结平台,其特征在于:制冷系统,模型试验采集系统和试验平台。
A.制冷系统:包括箱体、外循环管路、室外冷凝机组。可以实现以下功能:在箱体内通过控制系统实现通过制冷剂将冷(如:氟利昂)媒剂(如:酒精)降低到指定温度并保持恒温,通过控制系统使冷媒剂进入外循环系统,在外部的循环管路中进行外循环,当冷媒剂循环经过插在土体中的冻结管时,达到降低土体温度的目的。
B.模型试验采集系统:由计算机、温度采集原件、应力采集原件、水分采集原件组成。可以实现以下功能:能够通过计算机实时对土体温度、水分、内部应力进行监测、收集。
C.试验平台:模型试验平台由圆柱形基坑和架在基坑上方的反力架组成。
2.根据权利要求1所述的制冷系统中的箱体,其特征在于:操作人员可以通过其中的操作系统,控制制冷温度,以及冷媒剂在内外循环管路中的循环。
3.根据权利要求1所述的外循环管路,其特征在于:箱体内部的冷媒剂在箱体中达到指定温度后,将通过循环动力系统提供的动力进入外循环管路,经由外循环管路到达土体中指定位置,从而对土体进行降温。
4.根据权利要求1所述的制冷系统中的室外冷凝机,其特征在于:箱体内部在压缩制冷剂降温的过程中,会产生热量,这些热量通过冷凝机组排放到室外。
5.根据权利要求1所述的模型试验采集系统中的温度采集原件,其特征在于:要求温度传感器能够在低温条件下工作,温度采集仪要求测量精度达到±0.5℃。
6.根据权利要求1所述的模型试验采集系统中的压力采集原件,其特征在于:为了测量在土体冻结过程中引起的内部冻胀力,需要在土体中埋置微型压力盒,选用可以在低温环境下工作的电阻应变式传感器。
7.根据权利要求1所述的模型试验采集系统中的水分采集原件,其特征在于:用以能量脉冲为基本原理的水分传感器,通过测量一定体积土体中含水量的变化引起的电压变化,再通过建立二者的函数关系,换算得出土体含水量的变化。
8.根据权利要求1所述的模型试验采集系统中的计算机,其特征在于:通过各类数据线与各个传感器相连,实时接收各温度器传来的数据信号。通过计算机实时对土体温度、水分、内部应力进行监测、收集。
9.根据权利要求1所述的试验平台中的圆柱形基坑,其特征在于:为搭建试验模型提供空间。
10.根据权利要求1所述的试验平台中的反力架,其特征在于:为外循环管路提供支撑。当需要测量冻土承载力时,还可在反力架下部安装千斤顶等装置,用于向土体施加荷载。
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