CN106706697A - 模拟地下水流动作用下预降温冻结法施工的模型试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟地下水流动作用下预降温冻结法施工的模型试验装置，包括模型箱、水流控制系统、低温冷冻液循环系统、高温解冻液循环系统和测量系统。水流控制系统通过模型箱两侧水箱内的水位差使地下水发生流动并控制流速大小；冻结管模拟隧道开挖形成冻结区，通过埋设在冻结区上游的预降温管和外部低温冷冻液循环泵实现地下水预降温，通过埋设在冻结区下游的解冻管和外部高温解冻液循环泵实现地下水升温；测量系统包括温度测量系统和表面位移测量系统。本发明适用于隧道及地下工程技术领域，可有效研究各种条件下冻结区范围及表面变形规律，能够广泛应用于各类地下水流动作用下砂性土预降温冻结法研究。

Description

模拟地下水流动作用下预降温冻结法施工的模型试验装置
技术领域
本发明属于隧道及地下工程技术领域，尤其是涉及一种模拟地下水流动作用下预降温冻结法施工的模型试验装置。
背景技术
近年来，随着我国城市地下隧道建设规模的不断扩大，冻结法也越来多的应用于隧道开挖施工。然而，冻结法施工效果也极大程度上受到地质条件的影响，不当的冻结法施工也将造成巨大的灾害。
在地下水流动作用条件下，冻结管往往难以形成有效的冻结区，地下水流速、冻结管温度、冻结时间与冻结壁厚度这四者之间的关系尚无定论，这将很大程度上影响后期开挖工序。为此学者提出预先降低地下水温度等一系列治理措施，但是对于预降温范围、预降温时间的研究仍亟待展开。另外，预先降低地下水温度后将在冻结区下游方向形成较大范围的多余冻结区，而这部分冻结区的形成将造成地表发生严重的冻胀融沉灾害。现有装置尚无法直接针对以上问题开展试验研究。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种设备易得、组装方便、测量准确率高的模拟地下水流动作用下预降温冻结法施工的模型试验装置。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种模拟地下水流动作用下预降温冻结法施工的模型试验装置，包括模型箱、水流控制系统、低温冷冻液循环系统、高温解冻液循环系统和测量系统；
所述模型箱的两侧设置有水箱；所述水流控制系统通过模型箱两侧的水箱内的水位差使模拟地下水发生流动，水箱内的水位通过水位控制器控制；
所述低温冷冻液循环系统由冻结系统和预降温系统两部分组成；所述冻结系统包括埋设在冻结区砂土内的多根冻结管和外部低温冷冻液循环泵；所述预降温系统包括埋设在冻结区上游砂土内的多根预降温管和外部低温冷冻液循环泵；所述低温冷冻液循环泵为共用设备，用于根据试验需求分别对每根冻结管和每根预降温管进行温度控制。
所述高温解冻液循环系统包括埋设在冻结区下游砂土内的多根解冻管和外部高温解冻液循环泵；所述高温解冻液循环泵用于根据试验需求分别对每根解冻管进行温度控制。
所述测量系统由温度测量系统和表面位移测量系统组成；所述温度测量系统由多个测温传感器和数据采集仪组成；所述表面位移测量系统由多个位移传感器组成。
作为本发明的进一步改进，所述模型箱的外侧框架由角钢组成，其四周及底部面板由透明钢化玻璃组成。
作为本发明的进一步改进，所述水箱与模型箱之间采用筛板隔离。
本发明的有益效果如下：
本发明的装置适用于隧道及地下工程技术领域，可有效研究地下水流速、冻结管温度、冻结时间、预冻结范围、预冻结管温度、预冻结时间、解冻范围、解冻管温度、解冻时间、冻结壁厚度、冻结区范围等多方面因素在地下水流动作用下预降温冻结法施工中的影响及土体表面变形规律，能够为实际隧道和地下工程冻结法施工设计提供指导。
附图说明
图1为本发明的模型试验装置的正视图；
图2为本发明的模型试验装置的俯视图。
图中：1为模型箱，2为水箱，3为水位控制器，4为筛板，5为砂土，61为冻结管，62为预降温管，63为解冻管，7为测温传感器，8为数据采集仪，9为位移传感器，10为低温解冻液循环泵，11为高温解冻液循环泵。
具体实施方式
下面结合附图1～2和实施例对本发明具体实施方式进行详细说明。
实施例
一种模拟地下水流动作用下预降温冻结法施工的模型试验装置，本发明正视图如图1所示，俯视图如图2所示，包括模型箱1、水流控制系统、低温冷冻液循环系统、高温解冻液循环系统和测量系统。
所述的模型箱1外侧框架由角钢组成，保证其具有足够的强度和稳定性，模型箱1四周及底部面板由透明钢化玻璃，保证其具有良好的观测性，在施加水压后，地下水水位和土体的变形可以直观被观察。
所述的水流控制系统通过模型箱两侧水箱2内的水位差使地下水发生流动，水箱2内水位通过水位控制器3控制，从而实现地下水流速控制；水箱2与模型箱1之间采用筛板4隔离，保证水箱2内水均匀入渗到模型箱1并隔离模型箱内砂土5。
所述的低温冷冻液循环系统由冻结系统和预降温系统两部分组成；
所述的冻结系统包括埋设在冻结区砂土5内的10根冻结管61和外部低温冷冻液循环泵10，可以模拟隧道开挖形成冻结区；所述的预降温系统包括埋设在冻结区上游砂土5内的15根预降温管62和外部低温冷冻液循环泵10，可对冻结区上游地下水进行预降温，便于冻结区的形成；所述的低温冷冻液循环泵10为共用设备，可根据试验需求分别对10根冻结管61和15根预降温管62进行温度控制。
所述的高温解冻液循环系统包括埋设在冻结区下游砂土5内的15根解冻管63和外部高温解冻液循环泵11，可对冻结区下游地下水进行解冻，减小下游多余冻结区范围；所述的高温解冻液循环泵11可根据试验需求分别对15根解冻管63进行温度控制。
所述的测量系统由温度测量系统和表面位移测量系统组成；
所述的温度测量系统由30个测温传感器7和数据采集仪8组成，可对模型箱内土体温度场分布进行实时测量；所述的表面位移测量系统由11个位移传感器9组成，可对模型箱内土体表面变形进行实时测量。
具体实施中，首先设定两侧水箱2内水位，水通过筛板4进入模型箱1内砂土5中形成地下水流，待水流稳定后测量地下水流速。将测温传感器7与数据采集仪8连接实时测量地下水温度场变化，利用位移传感器9实时测量砂土表面位移变化。按照试验设计开启外部低温冷冻液循环泵10并控制预降温管62温度；当冻结区温度达到预定预设目标时开启外部低温冷冻液循环泵10并控制冻结管61温度，待地下水温度场稳定后确定冻结区范围；开启外部高温解冻液循环泵11并控制解冻管63温度，待地下水温度场稳定后确定冻结区及解冻区范围。通过数据整理与分析可以获得地下水流速、冻结管温度、冻结时间、预冻结范围、预冻结管温度、预冻结时间、解冻范围、解冻管温度、解冻时间、冻结壁厚度、冻结区范围等多方面因素在地下水流动作用下预降温冻结法施工的影响及土体表面变形规律。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.模拟地下水流动作用下预降温冻结法施工的模型试验装置，其特征在于：包括模型箱(1)、水流控制系统、低温冷冻液循环系统、高温解冻液循环系统和测量系统；
所述模型箱(1)的两侧设置有水箱(2)，所述水流控制系统通过模型箱(1)两侧的水箱(2)内的水位差使模拟地下水发生流动，水箱(2)内的水位通过水位控制器(3)控制；
所述低温冷冻液循环系统由冻结系统和预降温系统两部分组成；所述冻结系统包括埋设在冻结区砂土内的多根冻结管(61)和外部低温冷冻液循环泵(10)；所述预降温系统包括埋设在冻结区上游砂土内的多根预降温管(62)和外部低温冷冻液循环泵(10)；所述低温冷冻液循环泵(10)为共用设备，用于根据试验需求分别对每根冻结管(61)和每根预降温管(62)进行温度控制；
所述高温解冻液循环系统包括埋设在冻结区下游砂土内的多根解冻管(63)和外部高温解冻液循环泵(11)；所述高温解冻液循环泵(11)用于根据试验需求分别对每根解冻管(63)进行温度控制；
所述测量系统由温度测量系统和表面位移测量系统组成；所述温度测量系统由多个测温传感器(7)和数据采集仪(8)组成；所述表面位移测量系统由多个位移传感器(9)组成。
2.根据权利要求1所述的模拟地下水流动作用下预降温冻结法施工的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱(1)的外侧框架由角钢组成，其四周及底部面板由透明钢化玻璃组成。
3.根据权利要求1所述的模拟地下水流动作用下预降温冻结法施工的模型试验装置，其特征在于：所述水箱(2)与模型箱(1)之间采用筛板(4)隔离。
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