CN107024498A - 一种基于透明土的井筒冻结实验装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高等学校教学实验装置领域，涉及一种透明土的冻结实验装置及使用方法，适用于实验室的实验研究和理论教学等方面。本发明所述的一种基于透明土的冻结实验装置，由实验台面、实验箱体、冻结管、供液管、配液圈、集液圈、塑料软管、控制阀门、去路盐水干管、回路盐水干管、水位观察管、温度传感器、位移传感器、计算机、数码摄像机、电缆组成。通过透明土能够直观的看到冻结时土体内部的结构变化，对冻结孔布置、冻结壁扩展情况、冻结壁温度场、位移场的变化等都能够直观的观测到，在给学生或刚接触到冻结法施工的技术人员来讲这些知识的时候，空间概念就很容易能够理解。另外，还能够与工程实际相结合。

Description

一种基于透明土的井筒冻结实验装置及其安装方法

技术领域

本发明属于普通高校教学实验装置领域，涉及一种透明土的井筒冻结实验装置，本发明适用于实验室的实验研究和理论教学等方面。

背景技术

松散地层人工冻结法是采用人工制冷技术，将低温冷媒剂送入地层，将地层中的水冻结成冰，形成粘聚力大、强度高、压缩性低、隔水性好的冻土体。冻土体作为一种临时的承载和隔水结构，可以保证地下工程的顺利施工。人工土冻结的应用开始于上个世纪。在此后的一个多世纪里，人工土冻结法在许多国家的煤矿、隧道、地铁和建筑基础等领域中得到不断应用和发展。

我国于1955年首次将冻结技术应用于矿井建设中,并取得了成功，目前已成为立井井筒穿过松散含水地层最常用的方法之一。随着近年来地下工程的迅速发展,冻结加固技术因为其防水效果好,对周围环境影响小，无污染等特点，而越来越多的被应用于城市地铁建设中的旁通道施工、盾构掘进机进出洞施工、桥墩基础施工、地下商场施工、城市地下管廊施工等工程。

发明内容

本发明所解决现有技术中存在的技术问题是目前对于冻结孔布置、冻结壁扩展情况、冻结壁温度场、位移场的变化等都无法直观的看到，实际操作中也只能通过温度的变化及技术人员的经验来判断，因此，在给学生或刚接触到冻结法施工的技术人员来讲这些知识的时候，很难有一个空间的概念和直观的认识。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于透明土的井筒冻结实验装置，由实验台以及设置在实验台上的数码摄像机、计算机和实验箱组成，所述数码摄像机设置在实验箱相邻两侧壁的外侧且数码摄像机与计算机通过电缆相连，所述计算机也与设置在实验箱上的温度传感器组和位移传感器组通过电缆相连；所述实验箱为透明有机玻璃箱体并且内部装满密实度为60%的透明土，透明土内垂直插入冻结管，冻结管在平面上呈圆形布置，每个冻结管通过两根塑料软管分别和供液圈和集液圈相连接，所述供液圈和集液圈均为一端开口一端封口的环形管道结构，供液圈的开口端与去路盐水干管连接，集液圈的开口端与回路盐水干管连接，所述去路盐水干管与盐水泵连接，盐水泵和盐水箱下部连接，所述回路盐水干管与盐水箱上部连接，从而形成盐水循环系统；所述位移传感器分别设置在实验箱四个侧面外部的中心位置，用于监测箱体的形变，所述温度传感器设置在测温管内且每个测温管内从低到高放置3～5个温度传感器，所述测温管插入到透明土内部且等距排列。

进一步，所述透明土为熔融石英砂与蔗糖溶液制配而成的，其密实度为60%，所述石英砂的粒径为0.075～4.0mm。

进一步，所述测温管为直径10mm的下端封闭的钢管，所述测温管从所述冻结管布置所成圆形的圆心开始沿着圆的半径方向等距排列设置，测温管的数量为3～5个，温度传感器通过电缆连接到计算机上，可对管内温度实现在线监测，得出温度变化曲线。

进一步，所述冻结管的数量为8～16个，冻结管两端密闭且顶部设置2个接头，第一接头连通冻结管内部的供液管，第二接头连通冻结管，所述供液管伸入冻结管底部并通过第一接头、第一塑料软管和供液圈连接，所述冻结管通过第二接头、第二塑料软管和集液圈连接，所述第一塑料软管和供液圈连接处、第二塑料软管和集液圈连接处均设置有阀门。

一种基于透明土的井筒冻结实验装置的安装方法，按如下步骤进行：

（S1）制作透明土：筛选粒径为0.075～4.0 mm的熔融石英砂，与蔗糖溶液一起配制成密实度为60%的透明土，放进实验箱内部；

（S2）安设冻结管：将供液管放入冻结管，并在冻结管上端安设第一接头和第二接头，其中第一接头和供液管连接；将8～16个冻结管垂直箱体平面插入透明土中，冻结管在平面的中心成圆形布置；

（S3）设置供液圈和集液圈：将直径为25mmPPR管作为供液圈和集液圈，供液圈和集液圈弯成圆形，其直径和冻结管形成的圆形直径相匹配，供液圈和集液圈下部分别开设和冻结管数量一致的孔，分别安设阀门，阀门分别与第一塑料软管和第二塑料软管相连接，第一塑料软的另一端与第一接头连接，第二塑料软管的另一端与第二接头连接；

（S4）设置盐水循环系统：供液圈通过去路盐水干管与盐水泵连接，集液圈通过回路盐水干管与盐水箱连接，盐水泵与盐水箱直接有管路相连，从而形成盐水箱-盐水泵-去路盐水干管-供液圈-供液管-冻结管-集液圈-回路盐水干管-盐水箱的循坏回路；

（S5）设置温度传感器：在实验箱内从圆心开始沿圆的半径布置3～5个10mm的钢管作为测温管，测温管垂直插入透明土内，将3～5个温度传感器均匀布置在测温管内不同深度，并将传感器通过电缆连接到计算机上，可通过计算机在线监测管内温度；

（S6）设置位移传感器：在实验箱四个侧面放置4个位移传感器，位移传感器通过电缆与计算机连接，可通过计算机在线监测箱体的变形量；

（S7）设置数码摄像机：在试验箱体的正面和侧面呈90度各安设一台数码摄像机，可对透明土的冻结扩展情况进行实时记录。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：通过透明土能够更直观的看到冻结时土体内部的结构变化，对冻结孔布置、冻结壁扩展情况、冻结壁温度场、位移场的变化等都能够直观的观测到，利用盐水循环回路的冷冻作用使得实验装置简便，并且使得实验过程连续；在给学生或刚接触到冻结法施工的技术人员来讲这些知识的时候，空间概念就很容易能够理解，并且通过计算机监测相关数据，能够更明确的了解冻结实验的规律。

附图说明

图1为本发明整体结构俯视示意图。

图2为本发明中实验箱剖面示意图。

图3为本发明中盐水循环系统的工作示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1和图2所示，一种基于透明土的井筒冻结实验装置，由实验台1以及设置在实验台上的数码摄像机、计算机4和实验箱2组成，所述数码摄像机有两台，即第一数码摄像机3和第二数码摄像机5，它们分别设置在实验箱2相邻两侧壁的外侧且两台数码摄像机均与计算机4通过电缆相连，所述计算机4还与设置在实验箱上的温度传感器9和位移传感器6通过电缆相连。

所述实验箱2为透明有机玻璃箱体并且内部装满密实度为60%的透明土，有机玻璃厚度为15mm，箱体的尺寸为1.5m×1.5m×1.0m，所述透明土为熔融石英砂与蔗糖溶液制配而成的，其中的石英砂粒径为0.075～4.0 mm；所述实验箱2内部的透明土布置有由八个冻结管11围绕形成的圆形中心圈，每个冻结管通过第一接头10、第一塑料软管19和供液圈15连接，通过第二接头12、第二塑料软管20和集液圈14相连接，所述供液圈15和集液圈14均为一端开口一端封口的环形管道结构，且环形管道为直径25mm的PPR管，所述供液圈15的开口端与去路盐水干管17连接，所述集液圈14的开口端与回路盐水干管16连接，所述去路盐水干干管17与盐水泵7连接，所述回路盐水干管16与盐水箱8上部通过管路18连接，从而形成盐水循环系统。

所述冻结管密闭且顶部安设有第一接头10和第二接头12，所述第一接头10连通内部供液管13，第二接头12连通冻结管11，所述供液管13伸入冻结管底部并通过第一接头10、第一塑料软管19和供液圈15连接，所述冻结管11通过第二接头12、第二塑料软管20和集液圈14连接，所述第一塑料软管和供液圈连接处、第二塑料软管和集液圈连接处均设置有阀门，所述供液管13、第一塑料软管19、第二塑料软管20均为直径6mm的塑料软管。

所述位移传感器的数量为四个，且通过电缆连接到计算机4上，这四个位移传感器分别设置在实验箱四个侧面外部的中心位置，用于监测箱体的形变；所述温度传感器9放置在测温管内且通过电缆连接到计算机4上，所述测温管为直径10mm的下端封闭的钢管，每个测温管内设置4个温度传感器且这4个温度传感器设置的高度不同，所述测温管从所述冻结管形成的圆形中心圈的圆心开始沿着圆的半径方向排列插入到透明土内部，测温管的数量按需求设置为5个且等距排列，起始的测温管位于圆形中心圈的圆心，终端的测温管位于圆形中心圈的外侧。

一种基于透明土的井筒冻结实验装置的安装方法，按如下步骤进行，从而形成如上所述的实验装置：

（S1）制作透明土：筛选粒径为0.075～4.0 mm的熔融石英砂，与蔗糖溶液一起配制成密实度为60%的透明土，放进实验箱2内部；

（S2）安设冻结管：将供液管13放入冻结管11，并在冻结管11上端安设第一接头10和第二接头12，其中第一接头10和供液管13连接；将八个冻结管垂直箱体平面插入透明土中，冻结管在平面的中心成圆形布置；

（S3）设置供液圈和集液圈：将直径为25mmPPR管作为供液圈和集液圈，供液圈15和集液圈14弯成圆形，其直径和冻结管形成的圆形直径相匹配，供液圈和集液圈下部分别开设和冻结管数量一致的孔，分别安设阀门，阀门分别与第一塑料软管19和第二塑料软管20连接，第一塑料软的另一端与第一接头连接10，第二塑料软管的另一端与第二接头12连接；

（S4）设置盐水循环系统：供液圈15通过去路盐水干管17与盐水泵7连接，集液圈14通过回路盐水干管16与盐水箱8连接，盐水泵7与盐水箱8直接有管路18相连，从而形成盐水箱-盐水泵-去路盐水干管-供液圈-供液管-冻结管-集液圈-回路盐水干管-盐水箱的循坏回路；

（S5）设置温度传感器：在实验箱内从圆心开始沿圆的半径布置5个10mm的钢管作为测温管，测温管垂直插入透明土内，将4个温度传感器均匀布置在测温管内不同深度，并将传感器通过电缆连接到计算机上，通过计算机在线监测管内温度；

（S6）设置位移传感器：在实验箱四个侧面放置4个位移传感器，位移传感器通过电缆与计算机连接，通过计算机在线监测箱体的变形量；

（S7）设置数码摄像机：在试验箱体的正面和侧面呈90度各安设一台数码摄像机，对透明土的冻结扩展情况进行实时记录。

本发明的工作原理是通过盐水循环回路的提供温度为-25℃～-32℃的盐水，使得插入透明土内部的冻结管作为冷冻源，对实验箱内部的透明土进行冻结，透明土内设置的测温管内的温度传感器监测不同深度温度变化，传感器通过电缆连接到计算机上，可对管内温度实现在线监测，得出温度变化曲线，实验箱侧壁上的位移传感器测量冻结时实验箱体的变形量；当低温盐水在冻结管内开始循环时，靠近冻结管的透明土开始降温，温度降到冰点以下时，蔗糖水溶液开始结冰，靠近冻结管的透明土会形成一个圆柱形的冰冻体，随着温度进一步降低，冰冻体直径逐渐扩展，当邻近两个圆柱形的冰冻体交汇到一起时，称之为“冻结壁交圈”。在冻结壁扩展过程中，透明土体积膨胀，导致有机玻璃箱体产生膨胀，在玻璃箱体四个侧面中心位置布置四个位移传感器，来在线监测箱体变形量，计算出透明土的体积变化，最后算出透明土在不同温度下的冻涨率。

本项发明的保护范围不限于说明书上的内容，凡是与上述实施结构相同，或者依据本发明技术原理所作的技术变形，均属于本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于透明土的井筒冻结实验装置，其特征在于，由实验台以及设置在实验台上的数码摄像机、计算机和实验箱组成，所述数码摄像机设置在实验箱相邻两侧壁的外侧且数码摄像机与计算机通过电缆相连，所述计算机也与设置在实验箱上的温度传感器组和位移传感器组通过电缆相连；

所述实验箱为透明有机玻璃箱体并且内部装满密实度为60%的透明土，透明土内垂直插入冻结管，冻结管在平面上呈圆形布置，每个冻结管通过两根塑料软管分别和供液圈和集液圈相连接，所述供液圈和集液圈均为一端开口一端封口的环形管道结构，供液圈的开口端与去路盐水干管连接，集液圈的开口端与回路盐水干管连接，所述去路盐水干管与盐水泵连接，盐水泵和盐水箱下部连接，所述回路盐水干管与盐水箱上部连接，从而形成盐水循环系统；

所述位移传感器分别设置在实验箱四个侧面外部的中心位置，用于监测箱体的形变，所述温度传感器设置在测温管内且每个测温管内从低到高放置3～5个温度传感器，所述测温管插入到透明土内部且等距排列。

2.根据权利要求1所述的一种基于透明土的井筒冻结实验装置，其特征在于，所述透明土为熔融石英砂与蔗糖溶液制配而成的，其密实度为60%，所述石英砂的粒径为0.075～4.0mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于透明土的井筒冻结实验装置，其特征在于，所述测温管为直径10mm的下端封闭的钢管，所述测温管从所述冻结管布置所成圆形的圆心开始沿着圆的半径方向等距排列设置，测温管的数量为3～5个，温度传感器通过电缆连接到计算机上，可对管内温度实现在线监测，得出温度变化曲线。

4.根据权利要求1所述的一种基于透明土的井筒冻结实验装置，其特征在于，所述冻结管的数量为8～16个，冻结管两端密闭且顶部设置2个接头，第一接头连通冻结管内部的供液管，第二接头连通冻结管，所述供液管伸入冻结管底部并通过第一接头、第一塑料软管和供液圈连接，所述冻结管通过第二接头、第二塑料软管和集液圈连接，所述第一塑料软管和供液圈连接处、第二塑料软管和集液圈连接处均设置有阀门。

5.一种基于透明土的井筒冻结实验装置的安装方法，其特征在于，按如下步骤进行：

（S1）制作透明土：筛选粒径为0.075～4.0 mm的熔融石英砂，与蔗糖溶液一起配制成密实度为60%的透明土，放进实验箱内部；

（S2）安设冻结管：将供液管放入冻结管，并在冻结管上端安设第一接头和第二接头，其中第一接头和供液管连接；将8～16个冻结管垂直箱体平面插入透明土中，冻结管在平面的中心成圆形布置；

（S3）设置供液圈和集液圈：将直径为25mmPPR管作为供液圈和集液圈，供液圈和集液圈弯成圆形，其直径和冻结管形成的圆形直径相匹配，供液圈和集液圈下部分别开设和冻结管数量一致的孔，分别安设阀门，阀门分别与第一塑料软管和第二塑料软管相连接，第一塑料软的另一端与第一接头连接，第二塑料软管的另一端与第二接头连接；

（S4）设置盐水循环系统：供液圈通过去路盐水干管与盐水泵连接，集液圈通过回路盐水干管与盐水箱连接，盐水泵与盐水箱直接有管路相连，从而形成盐水箱-盐水泵-去路盐水干管-供液圈-供液管-冻结管-集液圈-回路盐水干管-盐水箱的循坏回路；

（S5）设置温度传感器：在实验箱内从圆心开始沿圆的半径布置3～5个10mm的钢管作为测温管，测温管垂直插入透明土内，将3～5个温度传感器均匀布置在测温管内不同深度，并将传感器通过电缆连接到计算机上，可通过计算机在线监测管内温度；

（S6）设置位移传感器：在实验箱四个侧面放置4个位移传感器，位移传感器通过电缆与计算机连接，可通过计算机在线监测箱体的变形量；

（S7）设置数码摄像机：在试验箱体的正面和侧面呈90度各安设一台数码摄像机，可对透明土的冻结扩展情况进行实时记录。