CN109239123A - 大型冻结试验模型箱及模拟试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型冻结试验模型箱和大型冻结模拟试验平台，包括：地下水循环系统、地层模拟系统、制冷循环系统和监测系统四部分，地层模拟系统用于模拟不同土层的分布状态，地下水循环系统用于模拟不同的地下水流速，制冷循环系统用于模拟不同工况下地层冻结施工方案，监测系统用于记录冻结过程中各监测量的变化趋势。本发明提供的大型冻结试验模型箱及模拟试验平台，能够最大程度地模拟试验土层内地下水流动，通过自动数据采集和处理，分析温度场扩展及变化规律，研究冻结壁(帷幕)或底板的形成过程，确定厚度控制变量，得到地下水流速与冻结温度场及冻结设计参数之间的关系，优化冻结设计方案，提出应对措施。

Description

大型冻结试验模型箱及模拟试验平台

技术领域

本发明涉及人工冻结模型试验领域，特别涉及大型多功能冻结试验模型箱及试验平台，通过相似模拟理论利用本试验平台，模拟实际地层地下水渗流速度对冻结工程的影响，分析地下水渗流对冻结温度场及冻结壁特性的影响及作用机理。

背景技术

现代城市中，地上建筑物密集，地下各类管线密集，采用人工降水的方法会对建筑物和管线造成巨大的影响，不仅如此，由于城市政策的原因，许多城市如北京，施工过程中大量抽取地下水会造成巨额的经济损失，此外，面对现在城市水资源缺乏的现状，人工降水的方法也会造成水资源的浪费。同时，随着深部地下空间的不断开发，传统的降水措施已经不能满足日益加深的降水要求。基于此，人工冻结技术成为合理解决城市地铁建设中的地下水问题的有效途径。

人工冻结技术以其安全性好、适用性广、灵活可控、绿色环保等优点，广泛用于煤矿立井建设工程、地铁联络通道、盾构进出井、盾尾刷更换等工程领域。但流动的地下水会带走冻结管中的冷量，随着地下水流速的增加，冻结壁交圈时间逐渐增大，直至无法交圈，进而导致冻结失败。已往有关冻结研究通常不考虑地下水流速对冻结工程的影响，原因有两点：第一，冻结体量小，冷量供给充足，局部流速过高不会影响整体冻结效果；第二，地层渗透系数小，导致地下水流速很难达到规范给出的阈值5m/d。但在北京地区厚砂卵石地层(-30～-80m)中进行地铁车站的止水工程中易出现地下水流速过大导致冻结失败的情况，因此，需要发明一种大型多功能冻结试验平台，来研究地下水流速与冻结温度场及冻结设计参数之间的关系，分析地下水渗流对冻结壁形态影响的作用机理，通过模型试验平台推导有渗流作用条件下，冻结壁厚度及平均温度计算式，给出地下水流速对冻结温度场的影响，为后期数值模拟分析及工程指导提供重要的支撑。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种大型冻结试验模型箱及模拟试验平台，借助相似理论，研究地下水流速与冻结温度场及冻结设计参数之间的关系，分析地下水渗流对冻结壁形态影响的作用机理，通过模型试验平台推导有渗流作用条件下，冻结壁厚度及平均温度计算式，给出地下水流速对冻结温度场的影响，为后期数值模拟分析及工程指导提供重要的支撑。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明首先提供一种大型冻结试验模型箱，为标准节模型箱，由底板、前后面板、左右侧板和上盖板组成，其中，底板和前后面板焊接固定，形成U型框架，在U型框架的左右两侧，左右侧板采用螺栓与前后面板可拆卸连接，在U型框架的顶部，上盖板采用螺栓与前后面板可拆卸连接，各连接处有密封胶圈用于封水；所述前面板由钢骨架和钢板构成，前面板配置有分水槽，分水槽由围板和钢板围合而成，所述围板上有若干个均匀布设的进水口，所述进水口用于通过供水管路与地下水循环系统连接，所述钢板上对应围板的区域分布有均匀、密集排布的第一分水孔。

优选地，所述后面板由钢骨架和钢板构成，后面板的钢板上分布有均匀、密集排布的第一集水孔，后面板的外侧设置有集水槽，集水槽有回水口，回水口用于通过回水管路与地下水循环系统连接。

本发明首先提供另一种大型冻结试验模型箱，为标准节模型箱，由底板、前后面板、左右侧板和上盖板组成，其中，底板和前后面板焊接固定，形成U型框架，在U型框架的左右两侧，左右侧板采用螺栓与前后面板可拆卸连接，在U型框架的顶部，上盖板采用螺栓与前后面板可拆卸连接，各连接处有密封胶圈用于封水；所述前面板由钢骨架和钢板构成，前面板外侧有若干个均匀布设的进水口，所述进水口用于通过供水管路与地下水循环系统连接，前面板的钢板内侧设置有密孔透水板，密孔透水板上分布有均匀、密集排布的第二分水孔，密孔透水板与前面板的钢板之间围合形成分水腔。

优选地，所述后面板由钢骨架和钢板构成，后面板的钢板内侧设置有密孔透水板，密孔透水板上分布有均匀、密集排布的第二集水孔，密孔透水板与后面板的钢板之间围合形成集水腔，在后面板外侧有若干个均匀布设的出水口，出水口用于通过回水管路与地下水循环系统连接。

优选地，所述每个进水口设有独立的阀门，通过调节阀门大小能够调节供水量大小。

本发明还提供一种大型冻结模拟试验平台，用于模拟地下水流速与冻结温度场及冻结设计参数之间的关系，其特征在于所述试验平台包括：地下水循环系统、地层模拟系统、制冷循环系统和监测系统四部分，地层模拟系统采用前述的大型冻结试验模型箱，五个模型箱通过螺栓左右拼装连接，箱内分层铺设试验土体，用于模拟不同土层的分布状态，地下水循环系统用于模拟不同的地下水流速，制冷循环系统用于模拟不同工况下地层冻结施工方案，监测系统用于记录冻结过程中各监测量的变化趋势。

优选地，所述地下水循环系统由供水循环槽、增压泵、溢流阀以及供水管路和回水管路连接而成，供水管路依次连接供水循环槽、增压泵、溢流阀、地层模拟系统，回水管路连接地层模拟系统和供水循环槽。

优选地，所述供水循环槽顶部设有检查口并由密封盖密封，其外包裹保温层，内安装加热棒、冷冻管和温度传感器探头，所述加热棒通过导线连接供水循环槽外的恒温控制柜，所述冷冻管伸出供水循环槽外并连接电磁阀的一端，电磁阀的另一端连接制冷循环系统，并且所述电磁阀的控制端连接恒温控制柜，所述温度传感器探头通过导线连接恒温控制柜。

优选地，所述制冷循环系统包括盐水箱、循环泵、制冷机、冷却塔以及冻结管，冻结管插入地层模拟系统中的试验土体内，冻结管连接配液管和回液管，配液管连接制冷机，回液管连接盐水箱。

优选地，所述监测系统由传感器、采集仪、电脑及连接线组成，传感器包括温度传感器、流量传感器、位移传感器和压力传感器，所述监测系统均采用计算机自动记录、保存数据，通过电脑端对数据进行后处理，绘制变化曲线。

本发明的优点和产生的有益效果：本发明提供的大型冻结试验模型箱及模拟试验平台，通过设置分水槽(腔)，以及进一步设置集水槽(腔)，避免了集中的大水流对土体的冲击，最大程度地模拟试验土层内地下水流动。供水循环槽通过设置溢流阀的压力值，使得超过额定压力的水量，经溢流阀回流至水箱，从而保证流入箱体内的地下水量维持恒定及地下水流速恒定。供水循环槽全天候监测循环水温度，模拟真实地下水循环情况，降低受外界环境因素的影响。试验过程中通过采集仪反馈的数据在电脑端进行实时监测和自动保存及处理数据，分析温度场扩展及变化规律，研究冻结壁(帷幕)或底板的形成过程，确定厚度控制变量，得到地下水流速与冻结温度场及冻结设计参数之间的关系，判断试验方案的可行性，优化冻结设计方案，提出应对措施，应用到实际工程中，防止因冻胀融沉、地层排水等因素造成对周边建筑物和构筑物的破坏。

附图说明

图1为本发明第一实施例标准节模型箱立体结构图；

图2为本发明第一实施例标准节模型箱前视图；

图3为本发明第一实施例标准节模型箱前面板内视图；

图4为本发明第一实施例标准节模型箱侧视图；

图5为本发明第一实施例标准节模型箱后视图；

图6为本发明第一实施例试验平台结构布置示意图；

图7为本发明第二实施例标准节模型箱爆炸图；

图8为图7的A区放大图；

图9为本发明第二实施例标准节模型箱后视俯视图；

图10为本发明第二实施例标准节模型箱前视俯视图；

图11为本发明第二实施例试验平台结构布置示意图；

图12为本发明供水循环槽的一种优选实施方式结构示意图；

图13为本发明监测系统结构示意图；

图14为本发明地层模拟系统使用供水管示意图；

图15为本发明水平板冻结模型试验冻结结构示意图；

图16为本发明盆型冻结模型试验冻结结构示意图；

图中：

1.地层模拟系统，101.底板，102.前面板，103.后面板，104.左侧板，105.右侧板，106.上盖板，107.密封胶圈，108.螺栓孔，109.钢框架，110.钢板，111.分水槽，112.进水口，113.第一分水孔，113’.第一集水孔，114.集水槽，115.回水口，116.密孔透水板，117.第二分水孔，117’.第二集水孔，118.分水腔，119.集水腔，120.试验土体；

2.地下水循环系统，201.供水循环槽，2011.保温层，2012.密封盖，2013.加热棒，2014.冷冻管，2015.温度传感器探头，2016.电磁阀，202.增压泵，203.溢流阀，204.供水管路，205.回水管路；

3.制冷循环系统，301.盐水箱，302.冷却塔，303.制冷机，304.循环泵，305.配液管，306.回液管，307.冻结管，308.冻土柱，309.冻结帷幕，310.冻结盆底；

4.监测系统，401.传感器，402.采集仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

还需要说明的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见附图1-5，一种大型冻结试验模型箱，为一种标准节模型箱，标准节尺寸确定，便于生产和装配，包括底板101、前面板102、后面板103、左侧板104、右侧板105和上盖板106(结合图7、8)，底板和前后面板焊接固定，形成U型框架，在U型框架的左右两侧，左右侧板采用螺栓与前后面板可拆卸连接，在U型框架的顶部，上盖板采用螺栓与前后面板可拆卸连接，各连接处有密封胶圈用于封水。

所述前面板102由钢骨架109和钢板110构成，前面板配置有分水槽111，分水槽由围板和钢板110围合而成，所述围板上有若干个均匀布设的进水口112，所述进水口用于通过供水管路与地下水循环系统连接，所述钢板上对应围板的区域分布有均匀、密集排布的第一分水孔113，参见图3。试验过程中模拟地下水流通过供水主管经进水口112流入分水槽111，分水槽111中的水源经均匀、密集排布的第一分水孔113形成流速均匀的发散水流，最大程度地模拟试验土层内地下水的层流运动状态。

所述后面板103由钢骨架和钢板构成，该钢骨架和钢板与前面板结构相同，后面板的钢板上分布有均匀、密集排布的第一集水孔113’，后面板的外侧设置有集水槽114，集水槽有回水口115，回水口用于通过回水管路与地下水循环系统连接，回水口115可设置在集水槽114的正面或者侧面。前述地下水经试验土层流至均匀、密集排布的第一集水孔113’，由第一集水孔113’汇集至集水槽114内，再由回水口115经回水管路回流至地下水循环系统，集水孔能够最大程度地模拟试验土层内地下水的层流运动状态。

再参见附图7-10，本发明大型冻结试验模型箱的另一种实施方式，前面板102由钢骨架109和钢板110构成，前面板外侧有若干个均匀布设的进水口112，所述进水口用于通过供水管路与地下水循环系统连接，前面板的钢板内侧设置有密孔透水板116，密孔透水板与前面板的钢板之间围合形成分水腔118，密孔透水板上分布有均匀、密集排布的第二分水孔117。通过将模拟地下水流先汇集于分水腔118，再经均匀、密集排布的第二分水孔117流入试验土层，避免了水流对土体的集中冲击，最大程度地模拟试验土层内地下水的层流运动状态。

所述后面板103由钢骨架和钢板构成，后面板的钢板内侧设置有密孔透水板116，密孔透水板上分布有均匀、密集排布的第二集水孔117’，密孔透水板与后面板的钢板之间围合形成集水腔119，在后面板外侧有若干个均匀布设的出水口，该出水口结构形式和布置数量与进水口112相同，出水口用于通过回水管路与地下水循环系统连接。前述地下水经试验土层流至均匀、密集排布的第二集水孔117’，由第二集水孔117’汇集至集水腔119内，再由出水口经回水管路回流至地下水循环系统，集水孔能够最大程度地模拟试验土层内地下水的层流运动状态。

前述每个进水口112可配置独立的阀门，通过设置阀门能够调节供水量大小，模拟不同地下水流速和流量状态下的冻结试验。

继续参见图6、11，在前述大型冻结试验模型箱的基础上，本发明继续提供一种大型冻结模拟试验平台，用于模拟地下水流速与冻结温度场及冻结设计参数之间的关系，该试验平台包括：地下水循环系统2、地层模拟系统1、制冷循环系统3和监测系统4四部分，地层模拟系统采用五个如前述的大型冻结试验模型箱，箱内分层铺设试验土体，用于模拟不同土层的分布状态，地下水循环系统用于模拟不同的地下水流速，制冷循环系统用于模拟不同工况下地层冻结施工方案，监测系统用于记录冻结过程中各监测量的变化趋势。各系统详细描述如下：

第一部分地层模拟系统：

具体地，五个模型箱通过螺栓左右拼装连接，五节拼装时通过旋紧相邻两个U型架的前后面板和上下横梁处的螺栓，将相邻两个U型架之间的密封胶圈压紧，达到箱体之间的密封效果。单个标准节模型箱的长×宽×高净尺寸为2m×3m×2.5m，待五个U型架拼接完成后，五连体U型架两端的左右侧板和上盖板也采用螺栓以相同的方式拼接完成，形成长10米宽3米高2.5米的模型试验箱，最大能够承受0.2MPa的水土压力。参见图14，模拟试验时，前面板可安装上供水主管，供水主管与进水口112连接，进液口采用总管分支路的配液方式，向模型箱内供水，供水主管另一端连接地下水循环系统。模型箱的后面板出液口采用分管汇总管的出液方式，完成地层模拟系统与地下水循环系统的连接，待确保所有管路连接正常无漏水点后方可开始相关试验。

第二部分地下水循环系统：

地下水循环系统2由供水循环槽201、增压泵202、溢流阀203以及供水管路204和回水管路205连接而成，供水管路依次连接供水循环槽、增压泵、溢流阀、地层模拟系统，回水管路连接地层模拟系统和供水循环槽。供水循环槽201为一清水箱，供水循环槽和增压泵之间可配置过滤阀以滤除水源中的杂质，延长泵的使用寿命。增压泵202有5个，每个模型箱配置一套供水系统，通过增压泵增大前端压力的方式，达到改变地下水流速的目的。具体操作步骤如下：

打开供水闸阀，清水流入前端增压泵，增压泵下游处设有压力表和流量表，通过设置溢流阀的压力值，使得超过额定压力的水量，经溢流阀回流至水箱，从而保证流入箱体内的地下水量维持恒定及地下水流速恒定。地下水从清水箱经增压泵加压后流出，经主管流入模型箱前端的配液槽(分水槽或分水腔)，再流经砂卵石后汇集于集液槽(集水槽或集水腔)，通过回液干管流入清水箱，完成整个地下水循环路径。

在本发明的一个优选实施方式中，所述供水循环槽采用一种全天候供水循环结构，具体为：供水循环槽箱体内安装加热棒2013、冷冻管2014和温度传感器探头2015，所述加热棒2013通过导线连接供水循环槽外的恒温控制柜，所述冷冻管2014伸出供水循环槽外并连接电磁阀2016的一端，电磁阀的另一端连接制冷循环系统，并且所述电磁阀的控制端连接恒温控制柜，所述温度传感器探头通过导线连接恒温控制柜。

在使用本发明冻结模拟试验平台进行冻结模拟试验过程中，恒温控制柜通过温度传感器探头实时监测水箱内循环水的温度，根据季节、外部环境等因素，实时调整水温，以达到试验所需水温要求，最大程度地模拟真实地下水情况，具体为：当水温低于所需温度时，例如冬季，温度传感器探头监测到水温过低，监测信息传递至恒温控制柜，恒温控制柜通过内设程序自动控制接通加热棒电源，加热棒对箱体内循环水进行加热，水温加热到预定温度值时，温度传感器探头监测温度信息并传递至恒温控制柜，切断加热电源；相反，当水温高于所需温度时，例如夏季，温度传感器探头监测到水温过高，监测信息传递至恒温控制柜，恒温控制柜通过内设程序自动控制电磁阀接通，此时制冷循环系统中的冷冻液流入冷冻管，对箱体内循环水进行制冷，水温降低到预定温度值时，温度传感器探头监测温度信息并传递至恒温控制柜，通过电磁阀切断冷冻管内冷冻液的循环，停止制冷。

进一步，供水循环槽顶部设有检查口并由密封盖2012密封，以供箱体内部安装相关部件、检修维护等操作人员进出，密封盖将检查口密封以降低箱体内部空间受外部环境因素的影响。

进一步，供水循环槽的箱体外包裹保温层2011，例如包裹一层具有一定厚度的保温棉，通常其厚度要厚于箱体的壁厚，从而提高箱体内循环水的保温效果，进一步降低外部环境因素对循环水的影响。

在导线穿过箱体的通孔处，也采取必要的密封措施。

通过采用上述全天候供水循环结构，能够全天候监测供水循环槽内循环水温度，当水温不满足试验要求时，自动控制加热系统或制冷系统的开启、关闭，自动调整水温，从而能够使得试验用水不受外界环境因素影响，模拟真实地下水循环情况。

第三部分制冷循环系统：

所述制冷循环系统包括盐水箱301、循环泵304、制冷机303、冷却塔302以及冻结管，冻结管插入地层模拟系统中的试验土体内，冻结管连接配液管305和回液管306，配液管305连接制冷机303，回液管306连接盐水箱301。盐水箱内盐水温度达到设定温度后开启循环泵，冷盐水通过循环泵流入地层模拟箱，与高温地层发生热交换，再回流至盐水箱，完成盐水循环，完成全部制冷循环过程。

优选地，配液管305设置有独立开关，用于方便检修、抽取盐水、割管操作。

第四部分监测系统：

参见图6、11、12，监测系统由传感器401、采集仪402、电脑及连接线组成，传感器包括温度传感器、流量传感器、位移传感器和压力传感器，所述监测系统均采用计算机自动记录、保存数据，通过电脑端对数据进行后处理，绘制变化曲线。实际监测操作主要在操作室内完成，操作室内布置两台高性能计算机，一台连接若干个监控探头，方便试验人员观察隐蔽位置及重点区域试验设备的运行情况，另一台负责采集温度场、渗流场、位移场、应力场的输出变化，适时反馈箱体内地层冻结进展情况，操作室为开放式布局的透明结构，试验人员可随时观察整个试验平台的运转情况。

实际模拟试验时，首先确定所研究地层土样类型，如砂卵石、粘土等，依据相似模型理论求取几何缩比、相似材料、相似温度场、相似时间、相似冻结器、相似地下水渗流场，从而给出模型试验参数：箱体的几何尺寸(箱体数量)、各种材料的类型、模型内土样温度、冻结时间、冻结器类型及渗流和冷媒剂的流量大小、模型内水流渗透速度及压力、冻结管圈分布状态；根据推算的箱体尺寸，通过箱体尺寸(1-5节)反算其他参数，拼装除上盖板以外的箱体，板与板之间通过高强螺纹杆连接固定，用闭合胶圈和密封胶保证箱体密封不漏水；随后调试各种传感器，确保传感器示数稳定，误差在可控范围内；根据试验方案向箱体内装填土样，同时，依据试验监测方案布置冻结器和监测点：冻结管、温度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器等，将各传感器接入应力应变采集仪，接入到计算机中，通过相应采集软件监测出传感器的初始值，记录数据后，如有必要，对数据进行平衡清零操作，然后对监测点的各物理量进行实时监测，封上上盖板；按比例在盐水箱内配制冷媒剂氯化钙水溶液，初步调试制冷机，确保制冷机运转正常；连接管路，在管路外包上保温棉，防止热量/冷量的散失；按试验方案调节溢流阀至目标值，开启控制器，打开制冷机并调节制冷参数，打开供水循环槽、盐水箱、冷却塔的阀门和循环泵，在此应限制地层模型箱内水压力不超过0.3MPa。开始模型试验，通过采集仪反馈的数据在电脑端进行实时监测和自动保存及处理数据；通过获取的各种参数，决定试验结束时间，将得到数据进行处理分析，分析温度场扩展及变化规律，研究冻结壁(帷幕)或底板的形成过程，确定厚度控制变量，得到地下水流速与冻结温度场及冻结设计参数之间的关系，判断试验方案的可行性，优化冻结设计方案，然后在确保准确无误的条件下，提出大流速地层冻结的应对措施，应用到实际工程中去。本发明可用于解决冻结技术应用于岩土工程、地下工程、地铁工程中可能出现的诸多问题，如地下水渗流对冻结壁形态影响的作用机理，验证地层冻胀力的有无及大小，对应工程中的最优冻结止水方案是否有效及进行优化设计等，防止因冻胀融沉、地层排水等因素造成对周边建筑物和构筑物的破坏。

参见图15，采用本发明大型冻结模拟试验平台进行竖直冻结管水平板冻结模型试验。

试验目的：利用竖直冻结管形成水平人工封水底板，验证本发明大型冻结模拟试验平台平行冻结方案的可行性。

试验过程：利用单节模型试验箱，布置四排七列冻结管，采用局部冻结技术加工局部冻结管，并在非冻结段外侧包裹保温棉，减少冷量损失，冻结管下部为主要冻结区。随冻结时间推移，冻结封面不断扩展，相邻冻土柱308不断交圈并延伸至一定厚度(为了便于观看，图中未示出冻土柱周围的试验土体)，形成冻结底板。在此过程中，通过监测系统自动采集和处理数据，分析温度场扩展及变化规律，研究冻结水平底板的形成过程，确定厚度控制变量，得到地下水流速与冻结温度场及冻结设计参数之间的关系，判断试验方案的可行性，优化冻结设计方案。

参见图16，采用本发明大型冻结模拟试验平台进行盆型冻结模型试验。

试验目的：验证本发明大型冻结模拟试验平台盆型冻结方案的可行性。

试验过程：按原始地层土体分布状态，分层回填模型试验箱内土体，从下到上依次为0.3m厚砂卵石底垫层，0.2m厚下封水黏土层，1.5m厚砂卵石试验层，该层为主要试验层，布置盆底水平板局部冻结管，盆壁全长帷幕冻结管，及安装对应的监测传感器，再回填0.2m上封水黏土层，0.3m厚上细沙管路层及找平层，盖上盖板，开启地下水循环系统和制冷循环系统，进行盆型冻结，形成冻结帷幕309和冻结盆底310(为了便于观看，图中未示出冻土柱周围的试验土体)。在此过程中，通过监测系统自动采集和处理数据，分析温度场扩展及变化规律，研究冻结帷幕和盆底的形成过程，确定厚度控制变量，得到地下水流速与冻结温度场及冻结设计参数之间的关系，判断试验方案的可行性，优化冻结设计方案。

以上实例，仅用为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明披露的技术范围内，可想到的变化或等同替换，都应涵盖在本发明的保护范围之中。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.大型冻结试验模型箱，为标准节模型箱，其特征在于，由底板、前后面板、左右侧板和上盖板组成，其中，底板和前后面板焊接固定，形成U型框架，在U型框架的左右两侧，左右侧板采用螺栓与前后面板可拆卸连接，在U型框架的顶部，上盖板采用螺栓与前后面板可拆卸连接，各连接处有密封胶圈用于封水；所述前面板由钢骨架和钢板构成，前面板配置有分水槽，分水槽由围板和钢板围合而成，所述围板上有若干个均匀布设的进水口，所述进水口用于通过供水管路与地下水循环系统连接，所述钢板上对应围板的区域分布有均匀、密集排布的第一分水孔。

2.如权利要求1所述的大型冻结试验模型箱，其特征在于，所述后面板由钢骨架和钢板构成，后面板的钢板上分布有均匀、密集排布的第一集水孔，后面板的外侧设置有集水槽，集水槽有回水口，回水口用于通过回水管路与地下水循环系统连接。

3.大型冻结试验模型箱，为标准节模型箱，其特征在于，由底板、前后面板、左右侧板和上盖板组成，其中，底板和前后面板焊接固定，形成U型框架，在U型框架的左右两侧，左右侧板采用螺栓与前后面板可拆卸连接，在U型框架的顶部，上盖板采用螺栓与前后面板可拆卸连接，各连接处有密封胶圈用于封水；所述前面板由钢骨架和钢板构成，前面板外侧有若干个均匀布设的进水口，所述进水口用于通过供水管路与地下水循环系统连接，前面板的钢板内侧设置有密孔透水板，密孔透水板上分布有均匀、密集排布的第二分水孔，密孔透水板与前面板的钢板之间围合形成分水腔。

4.如权利要求3所述的大型冻结试验模型箱，其特征在于，所述后面板由钢骨架和钢板构成，后面板的钢板内侧设置有密孔透水板，密孔透水板上分布有均匀、密集排布的第二集水孔，密孔透水板与后面板的钢板之间围合形成集水腔，在后面板外侧有若干个均匀布设的出水口，出水口用于通过回水管路与地下水循环系统连接。

5.如权利要求1或3所述的大型冻结试验模型箱，其特征在于，所述每个进水口设有独立的阀门，通过调节阀门大小能够调节供水量大小。

6.大型冻结模拟试验平台，用于模拟地下水流速与冻结温度场及冻结设计参数之间的关系，其特征在于所述试验平台包括：地下水循环系统、地层模拟系统、制冷循环系统和监测系统四部分，地层模拟系统采用如权利要求1‐5所述的大型冻结试验模型箱，五个模型箱通过螺栓左右拼装连接，箱内分层铺设试验土体，用于模拟不同土层的分布状态，地下水循环系统用于模拟不同的地下水流速，制冷循环系统用于模拟不同工况下地层冻结施工方案，监测系统用于记录冻结过程中各监测量的变化趋势。

7.如权利要求6所述的试验平台，其特征在于，所述地下水循环系统由供水循环槽、增压泵、溢流阀以及供水管路和回水管路连接而成，供水管路依次连接供水循环槽、增压泵、溢流阀、地层模拟系统，回水管路连接地层模拟系统和供水循环槽。

8.如权利要求7所述的试验平台，其特征在于，所述供水循环槽顶部设有检查口并由密封盖密封，其外包裹保温层，内安装加热棒、冷冻管和温度传感器探头，所述加热棒通过导线连接供水循环槽外的恒温控制柜，所述冷冻管伸出供水循环槽外并连接电磁阀的一端，电磁阀的另一端连接制冷循环系统，并且所述电磁阀的控制端连接恒温控制柜，所述温度传感器探头通过导线连接恒温控制柜。

9.如权利要求6所述的试验平台，其结构特征在于，所述制冷循环系统包括盐水箱、循环泵、制冷机、冷却塔以及冻结管，冻结管插入地层模拟系统中的试验土体内，冻结管连接配液管和回液管，配液管连接制冷机，回液管连接盐水箱。

10.如权利要求6所述的试验平台，其结构特征在于，所述监测系统由传感器、采集仪、电脑及连接线组成，传感器包括温度传感器、流量传感器、位移传感器和压力传感器，所述监测系统均采用计算机自动记录、保存数据，通过电脑端对数据进行后处理，绘制变化曲线。