CN109540959A - 富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，包括模拟实验箱、盐水循环系统、多个检测组件、数据采集仪和计算机，所述模拟实验箱包括缓冲分水腔和土体腔，缓冲分水腔一侧与外设的渗流盐水箱连通，缓冲分水腔的另一侧与土体腔相连，缓冲分水腔内的水分可渗入土体腔，土体腔内置模型土体，模型土体包括下部的黏土层A、中部的粉细砂层和上部的黏土层B；所述盐水循环系统的冷端与模型土体相连。本发明还公开了一种富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟方法。本发明的有益效果为：本发明的装置与方法能有效的模拟富水粉细砂地层中的冻结法施工，得到定性的结论，研究富水粉细砂层人工冻结效果的影响因素,为冻结法施工的关键问题提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统及方法。
背景技术
我国很多城市都修建了地铁，因为城市的不同，其所处的地区地质条件也有差别。当需要建设的地铁位于高承压富水砂层(例如武汉地铁12号线园林路站)时，基坑开挖深度大，地质条件及周边环境复杂，地下承压水头高，为一级超深基坑，开挖过程中环境效应明显。为满足在此区域的地铁线路盾构下穿有4号线车站，需在运营的地铁车站主体结构下进行冻结施工，破除原围护地连墙，而冻结粉细砂地层的效果、冻结土体的力学性能和冻结帷幕的稳定性将对洞门破除和盾构穿越施工产生潜在风险。若冻结施工与结构底板的距离不足，过度冻结或欠冻结均将引起既有园林路站主体结构变形，导致安全风险，给工程施工过程的控制和决策带来巨大挑战；且冻结施工时水的流速、冻结施工时冻结管的分布间距以及地下水的含盐量是影响冻结施工效果的重要因素。基于此，亟需针对冻结法施工对周边环境及既有地铁车站影响展开系统研究，而针对富水粉细砂地层冻结法施工效果的研究是重中之重。
为了对富水粉细砂地层冻结法施工效果进行研究，进行室内模型的实验研究是一种比较直观并且有参考依据的方式。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统及方法。
本发明采用的技术方案为：一种富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，包括模拟实验箱、盐水循环系统、多个检测组件、数据采集仪和计算机，所述模拟实验箱包括缓冲分水腔和进行模拟的土体腔，缓冲分水腔一侧通过分水腔进水管与外设的渗流盐水箱连通，缓冲分水腔的另一侧与土体腔相连，缓冲分水腔内的水分可渗入土体腔，土体腔内置模型土体，模型土体包括下部的黏土层A、中部的粉细砂层和上部的黏土层B；所述盐水循环系统的冷端与模型土体相连，为模型土体提供冷源；所述检测组件分散布置于模型土体内，检测组件、数据采集仪和计算机依次相连，检测组件检测模型土体内各测点的参数，并将参数信号发送至数据采集仪；数据采集仪采集检测组件发送的参数信号并传输至计算机。
按上述方案，所述模拟实验箱还设有通过出水管与外部蓄水池连通的蓄水腔，蓄水腔与缓冲分水腔分别设于模拟实验箱的两侧。所述缓冲分水腔与土体腔之间，土体腔与蓄水腔之间，均分别通过开有窗口的隔板分隔，所述窗口上平铺滤网。
按上述方案，所述盐水循环系统包括制冷机组、盐水箱和多组冻结管，所述制冷机组的热源管道与盐水箱的入口连通，盐水箱的出口分别通过管道与冻结管连通，冻结管穿过模拟实验箱的底板伸入土体腔内，并水平间隔埋设于粉细砂层内。
按上述方案，所述盐水箱通过管道与水泵A的入口连通，水泵A与配液圈的入口连通，配液圈的出口分别通过冻结进水管与各冻结管的入口连通，各冻结管的出口经冻结回流管与集液圈的入口相连，集液圈的出口与盐水箱连通。
按上述方案，所述盐水循环系统还包括恒温水箱，集液圈的出口通过管道与恒温水箱连通，恒温水箱与通过管道与配液圈连通，恒温水箱经水泵B与分水腔进水管连通。
按上述方案，所述冻结管包括均采用铜管制成的内管和外管，内管的外壁与外管的内壁形成回流通道；所述内管的一端设有冻结进水口，内管的另一端与回流通道连通；所述外管开设有冻结回流口；所述冻结进水管与冻结进水口相连，冻结回流管与冻结回流口相连。
按上述方案，所述检测组件包括多个温度传感器和多个压力计，所述温度传感器和压力计均分别分散埋设于粉细砂层的各测温点处。
按上述方案，所述缓冲分水腔内装满石子。
本发明还提供了一种富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟方法，包括如下步骤：
步骤一、提供权利要求1～8中任意一项所述模拟系统各组件并安装，在模型土体填筑及冻结管、温度传感器安装前打压试漏；
步骤二、测定粉细砂层的渗透系数，用于计算不同流速对应的流量；
步骤三、填筑模型土体，并安装冻结管和传感器；
步骤四、开启盐水循环系统，使恒温清水均匀、连续、缓慢流入粉细砂层，待分水腔进水管的出口流量稳定后，通过观察流量表，不断调节分水腔进水管上阀门开度，直至获得实验所需的渗流速度；调节制冷机组，使盐水箱内盐水达到设计温度，打开各水泵及冻结管路的盐水控制阀门，采集数据，直至冻结管外的粉细砂冻结且冻结范围扩展至指定位置，关闭盐水冻结阀门，停止冻结，记录冻结管外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤五、关闭盐水控制阀门，开启各清水控制阀门，在冻结管内形成清水循环，恢复粉细砂层温度；
步骤六、停止冻结管内清水循环，重复步骤四和五进行渗流速度分别为0m/d、10m/d、20m/d、40m/d和60m/d的冻结实验，采集各温度传感器的数据，记录冻结管外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤七、停止实验装置，挖出模型土体，改变冻结管间距，重复步骤三～五，分别进行冻结管间距为15cm、10cm的实验，采集各温度传感器的数据，记录冻结管外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤八、关闭渗流系统的清水阀门，打开盐水阀门，向粉细砂层中通入盐水，待检测出水口含盐量达到通入盐水的浓度后重复步骤四～步骤六，分别进行含盐量分别为500mg/L、1g/L、2g/L的含盐渗流粉细砂冻结实验，采集各温度传感器的数据，记录冻结管外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤九、对采集的数据进行处理，绘制所采集到的测点温度随时间变化曲线；通过数据的筛选，得到不同情况下各测温点温度随时间变化趋势，根据温度变化趋势判断实际施工过程中粉细砂冻结效果。
按上述方案，在步骤三中，在土体腔的底部铺黏土层A；填筑粉细砂层，边填充边夯实；设计冻结管的位置和各测温点位置，将冻结管和温度传感器埋入固定，在装填过程中注意各区域装填均匀，避免冻结管发生倾斜；粉细砂层填筑完成以后，将上表面铺平压实填筑黏土层B，最后将温度传感器的热电偶线进行汇总，引出模拟实验箱。
本发明的有益效果为：本发明的装置与方法能有效的模拟富水粉细砂地层中的冻结法施工，模拟在渗流流速、地下水含盐量、冻结管间距不同时，冻结效果的不同，从而得到定性的结论，研究富水粉细砂层人工冻结效果的影响因素,为冻结法施工的关键问题提供理论依据；本发明所述方法操作简单，适应性强。
附图说明
图1为本发明一个具体实施例的整体结构示意图。
图2为本实施例中模拟实验箱的示意图。
图3为本实施例中冻结管的结构示意图。
图4为本实施例中冻结管及测温点的布置示意图一。
图5为本实施例中冻结管及测温点的排布示意图二。
其中：1、模拟实验箱；1.1、缓冲分水腔；1.2、分水腔进水管；1.3、黏土层A；1.4、粉细砂层；1.5、黏土层B；1.6、蓄水腔出水管；1.7、蓄水腔；1.8、滤网；2、数据采集仪；3、计算机；4、蓄水池；5、制冷机组；6、盐水箱；7、冻结管；7.1、冻结进水口；7.2、冻结回流口；8、水泵A；9、配液圈；10、冻结进水管；11、冻结回流管；12、集液圈；13、水泵B；14、渗流盐水箱；15、恒温水箱；16、测温点；17、水泵C。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1和图2所示的一种富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，包括模拟实验箱1、盐水循环系统、多个检测组件、数据采集仪2和计算机3，所述模拟实验箱1包括缓冲分水腔1.1和进行模拟的土体腔，缓冲分水腔1.1一侧通过分水腔进水管1.2与外设的渗流盐水箱14连通(分水腔进水管1.2与外设的渗流盐水箱14之间配有水泵C17)，缓冲分水腔1.1的另一侧与土体腔相连，缓冲分水腔1.1内的水分可渗入土体腔，土体腔内置模型土体；所述盐水循环系统的冷端与模型土体相连，为模型土体提供冷源；所述检测组件分散布置于模型土体内，检测组件、数据采集仪2和计算机3依次相连，检测组件检测模型土体内各测点的参数，并将参数信号发送至数据采集仪2；数据采集仪2采集检测组件发送的参数信号并传输至计算机3。
优选地，所述模型土体包括下部的黏土层A1.3、中部的粉细砂层1.4和上部的黏土层B1.5。
优选地，所述模拟实验箱1还设有通过出水管与外部蓄水池4连通的蓄水腔1.7(蓄水腔1.7通过蓄水腔出水管1.6与蓄水池4连通)，蓄水腔1.7与缓冲分水腔1.1分别设于模拟实验箱1的两侧。所述缓冲分水腔1.1与土体腔之间，土体腔与蓄水腔1.7之间，均分别通过开有窗口的隔板分隔，所述窗口上平铺滤网1.8(可为金属网)，滤网1.8上包覆土工纱布，以阻挡砂层流动并起到过滤作用。
优选地，所述盐水循环系统包括制冷机组5、盐水箱6和多组冻结管7，所述制冷机组5的热源管道与盐水箱66的入口连通，盐水箱6的出口分别通过管道与冻结管7连通，冻结管7穿过模拟实验箱1的底板伸入土体腔内，并水平间隔埋设于粉细砂层1.4内。
优选地，所述盐水箱6通过管道与水泵A8的入口连通(该管道上配置盐水控制阀门)，水泵A8与配液圈9的入口连通，配液圈9的出口分别通过冻结进水管10与各冻结管7的入口连通，各冻结管7的出口经冻结回流管11与集液圈12的入口相连，集液圈12的出口与盐水箱6连通(该管道上配置盐水控制阀门)。优选地，所述盐水循环系统还包括恒温水箱15，集液圈12的出口通过管道与恒温水箱15连通(该管道上配设清水控制阀门)，恒温水箱15与通过管道与配液圈9连通(该管道上配设清水控制阀门)，恒温水箱15经水泵B13与分水腔进水管1.2连通。
优选地，所述冻结管7包括均采用铜管制成的内管和外管，内管的外壁与外管的内壁形成回流通道；所述内管的一端设有冻结进水口7.1，内管的另一端与回流通道连通；所述外管开设有冻结回流口7.2；所述冻结进水管10与冻结进水口7.1相连，冻结回流管11与冻结回流口7.2相连。
优选地，所述检测组件包括多个温度传感器和多个压力计，所述温度传感器和压力计均分别分散埋设于粉细砂层1.4的各测温点16处；冻结管7周围也设有测温点16。
优选地，所述缓冲分水腔1.1内装满石子，防止分水腔进水管1.2的水流冲刷粉细砂层1.4而出现流砂现象，同时获得均匀的水流以及抵抗砂层侧压力。
本实施例中，模拟实验箱1的整体尺寸为1.5m×1m×1.5m(L×W×H)，其中缓冲分水腔1.1、土体腔和蓄水腔1.7的宽度分别为0.1m、1.3m和0.1m。模拟实验箱1的侧板采用5mm厚及10mm厚的钢板制成(其中10mm厚的钢板开孔安装冻结管7，开孔的钢板外侧以20cm的距离等间隔布置多组肋板，以保证模拟实验箱1的刚度)。模拟实验箱1内的模型土体包括0.2m厚的黏土层A1.3、1.2m厚的粉细砂层1.4、0.2m厚的黏土层B1.5，黏土层A1.3和黏土层B1.5用来隔热和隔水。缓冲分水腔1.1内装满粒径约为10mm的石子，防止分水腔进水管1.2的水流冲刷粉细砂层1.4而出现流砂现象，同时获得均匀的水流以及抵抗砂层侧压力。窗口尺寸为1000mm×600mm。冻结管7的长度为300mm。冻结回水管和冻结进水管10均分别采用规格为 耐压耐低温的胶皮管。所述温度传感器为铜-康铜热电偶传感器。所述分水腔进水管1.2与蓄水腔出水管1.6均采用钢管，并配有控制阀门、流量表、压力表，通过控制阀门、流量表、水压表，进而控制砂层渗流速度。在粉细砂层1.4内设置三个压力表，测定粉细砂层1.4内的水压力。
以下根据本实施例的设计，对富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟实验方法进行说明。实验装置模型的参数相似比见附表1，实验几何缩比主要根据现有冻结管7的直径和温度场影响范围确定，本实施例中采用φ15mm×1mm无缝铜管来模拟工程中φ146mm×8mm冻结管7，几何相似比约为1:10。在实验过程中，为研究冻结管7间距对实验效果的影响，冻结管7采用以下方法布置：冻结管7采取5×5排布，共需25根冻结管7，在模拟实验箱1上开设59个冻结管7预留孔，每个冻结管7预留孔配有螺栓和止水垫等密封装置，可满足冻结管7分别以5cm、10cm、15cm三种间距S的排布方式。冻结管7与测温点16的相对位置如图4和图5所示；在模型实验箱距离15cm的垂直面内，以S/2的间距在冻结区域的主面、界面、轴面上布置测温点16；在冻结壁(冻结管7的外表面)四个角各布置14个测温点16，上、下游中间部分各布设2个测温点16，监测实验过程中上、下游冻结管7交圈及冻结壁发展情况，在冻结壁中间区域布设4个测温点16用于监测冻结壁内部发展，冻结区域共计64个测温点16；除冻结区域轴面、界面、主面设置测点外，盐水进出液管道也进行温度监测。本发明所述方法中，富水粉细砂地层冻结施工的冻结效果根据测温点16的温度来评价，温度越低，效果越好；冻结管7的间距、盐水含盐量和渗流速度是影响最终测温点16温度高低(冻结效果)的变量。
表1实验装置模型的参数相似比表
一种富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟方法，具体包括如下步骤：
步骤一、提供上述实验装置的各组件并安装，在模型土体填筑及冻结管7、温度传感器安装前打压试漏，保证密封性、安全性，促使实验顺利稳定进行；
步骤二、测定粉细砂层1.4的渗透系数：取实验用粉细砂进行室内渗流实验，采用常水头渗透系数实验测试砂层的渗透系数，用于计算不同流速对应的流量；
步骤三、填筑模型土体，并安装冻结管7和传感器：在土体腔的底部铺厚度为20cm的黏土层A1.3(分两层填筑，每层10cm，一边填筑一边夯实，保证黏土层A1.3充填密实)；填筑粉细砂层1.4，边填充边夯实；设计冻结管7的位置和各测温点16位置(如图4和图5所示)，将冻结管7和温度传感器埋入固定，在装填过程中注意各区域装填均匀，避免冻结管7发生倾斜；粉细砂层1.4填筑完成以后，将上表面铺平压实填筑黏土层B1.5(分两层填筑，每层10cm，一边填筑一边夯实，保证粘土层充填密实)，最后将温度传感器的热电偶线进行汇总，引出模拟实验箱1；
步骤四、开启盐水循环系统，使恒温清水均匀、连续、缓慢流入粉细砂层1.4，待分水腔进水管1.2的出口流量稳定后，通过观察流量表，不断调节分水腔进水管1.2上阀门开度，直至获得实验所需的渗流速度；调节制冷机组5，使盐水箱6内盐水达到设计温度(本次实验设计温度为-25℃)，打开各水泵及冻结管7路的盐水控制阀门，采集各温度传感器的数据，直至冻结管外的粉细砂冻结且冻结范围扩展至指定位置(本发明用于研究各参数对冻结效果的影响规律，故本发明中指定位置可设定，本实施例中指定位置为冻结管7的径向表面向外1cm)，关闭盐水冻结阀门，停止冻结，记录冻结管7外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤五、恢复粉细砂层1.4温度：关闭盐水控制阀门，开启各清水控制阀门，在冻结管7内形成清水循环，恢复粉细砂层1.4温度；
步骤六、停止冻结管7内清水循环，重复步骤四和五进行渗流速度分别为0m/d、10m/d、20m/d、40m/d和60m/d的冻结实验，采集各温度传感器的数据，记录冻结管7外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤七、停止实验装置，挖出模型土体，改变冻结管7间距，重复步骤三～五，分别进行冻结管7间距为15cm、10cm的实验，采集各温度传感器的数据，记录冻结管7外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤八、关闭渗流系统的清水阀门，在渗流盐水箱14用氯化钙配制500mg/L盐水，打开盐水阀门，向粉细砂层1.4中通入500mg/L的盐水，待检测出水口含盐量达到500mg/L后重复步骤四～步骤六，分别进行含盐量分别为500mg/L、1g/L、2g/L的含盐渗流粉细砂冻结实验，采集实验数据；
步骤九、对采集数据进行处理，绘制所采集到的测点温度随时间变化曲线；通过数据的筛选，得到不同情况下各测温点16温度随时间变化趋势，根据温度变化趋势判断实际施工过程中粉细砂冻结效果：若冻结时间相同，温度变化越大，即测温点16的温度越低，则说明冻结效果越好；反之，若冻结时间相同，温度变化不大，既测温点16的温度越高，则说明冻结效果相对没有那么好。本实施例中，冻结管7间距越小，冻结越快，施工效果越好；盐水含盐量越大，冻结越快，施工效果越好；渗流速度越大，冻结越快，施工效果越好。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，其特征在于，包括模拟实验箱、盐水循环系统、多个检测组件、数据采集仪和计算机，所述模拟实验箱包括缓冲分水腔和进行模拟的土体腔，缓冲分水腔一侧与渗流盐水箱连通，缓冲分水腔的另一侧与土体腔相连，缓冲分水腔内的水分可渗入土体腔，土体腔内置模型土体，模型土体包括下部的黏土层A、中部的粉细砂层和上部的黏土层B；所述盐水循环系统的冷端与模型土体相连，为模型土体提供冷源；所述检测组件分散布置于模型土体内，检测组件、数据采集仪和计算机依次相连，检测组件检测模型土体内各测点的参数，并将参数信号发送至数据采集仪；数据采集仪采集检测组件发送的参数信号并传输至计算机。
2.如权利要求1所述的富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，其特征在于，所述模拟实验箱还设有通过出水管与外部蓄水池连通的蓄水腔，蓄水腔与缓冲分水腔分别设于模拟实验箱的两侧。所述缓冲分水腔与土体腔之间，土体腔与蓄水腔之间，均分别通过开有窗口的隔板分隔，所述窗口上平铺滤网。
3.如权利要求1所述的富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，其特征在于，所述盐水循环系统包括制冷机组、盐水箱和多组冻结管，所述制冷机组的热源管道与盐水箱的入口连通，盐水箱的出口分别通过管道与冻结管连通，冻结管穿过模拟实验箱的底板伸入土体腔内，并水平间隔埋设于粉细砂层内。
4.如权利要求3所述的富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，其特征在于，所述盐水箱通过管道与水泵A的入口连通，水泵A与配液圈的入口连通，配液圈的出口分别通过冻结进水管与各冻结管的入口连通，各冻结管的出口经冻结回流管与集液圈的入口相连，集液圈的出口与盐水箱连通。
5.如权利要求3所述的富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，其特征在于，所述盐水循环系统还包括恒温水箱，集液圈的出口通过管道与恒温水箱连通，恒温水箱与通过管道与配液圈连通，恒温水箱经水泵B与分水腔进水管连通。
6.如权利要求3所述的富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，其特征在于，所述冻结管包括均采用铜管制成的内管和外管，内管的外壁与外管的内壁形成回流通道；所述内管的一端设有冻结进水口，内管的另一端与回流通道连通；所述外管开设有冻结回流口；所述冻结进水管与冻结进水口相连，冻结回流管与冻结回流口相连。
7.如权利要求1所述的富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，其特征在于，所述检测组件包括多个温度传感器和多个压力计，所述温度传感器和压力计均分别分散埋设于粉细砂层的各测温点处。
8.如权利要求2所述的富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统，其特征在于，所述缓冲分水腔内装满石子。
9.一种富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、提供权利要求1～8中任意一项所述模拟系统各组件并安装，在模型土体填筑及冻结管、温度传感器安装前打压试漏；
步骤二、测定粉细砂层的渗透系数，用于计算不同流速对应的流量；
步骤三、填筑模型土体，并安装冻结管和传感器；
步骤四、开启盐水循环系统，使恒温清水均匀、连续、缓慢流入粉细砂层，待分水腔进水管的出口流量稳定后，通过观察流量表，不断调节分水腔进水管上阀门开度，直至获得实验所需的渗流速度；调节制冷机组，使盐水箱内盐水达到设计温度，打开各水泵及冻结管路的盐水控制阀门，采集数据，直至冻结管外的粉细砂冻结且冻结范围扩展至指定位置，关闭盐水冻结阀门，停止冻结，记录冻结管外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤五、关闭盐水控制阀门，开启各清水控制阀门，在冻结管内形成清水循环，恢复粉细砂层温度；
步骤六、停止冻结管内清水循环，重复步骤四和五进行渗流速度分别为0m/d、10m/d、20m/d、40m/d和60m/d的冻结实验，采集各温度传感器的数据，记录冻结管外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤七、停止实验装置，挖出模型土体，改变冻结管间距，重复步骤三～五，分别进行冻结管间距为15cm、10cm的实验，采集各温度传感器的数据，记录冻结管外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤八、关闭渗流系统的清水阀门，打开盐水阀门，向粉细砂层中通入盐水，待检测出水口含盐量达到通入盐水的浓度后重复步骤四～步骤六，分别进行含盐量分别为500mg/L、1g/L、2g/L的含盐渗流粉细砂冻结实验，采集各温度传感器的数据，记录冻结管外冻结的粉细砂层扩展到指定位置的时间；
步骤九、对采集的数据进行处理，绘制所采集到的测点温度随时间变化曲线；通过数据的筛选，得到不同情况下各测温点温度随时间变化趋势，根据温度变化趋势判断实际施工过程中粉细砂冻结效果。
10.如权利要求1所述的富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟方法，其特征在于，在步骤三中，在土体腔的底部铺黏土层A；填筑粉细砂层，边填充边夯实；设计冻结管的位置和各测温点位置，将冻结管和温度传感器埋入固定，在装填过程中注意各区域装填均匀，避免冻结管发生倾斜；粉细砂层填筑完成以后，将上表面铺平压实填筑黏土层B，最后将温度传感器的热电偶线进行汇总，引出模拟实验箱。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111735931A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-10-02 | 北京市政建设集团有限责任公司 | 一种不同含水量粉细砂结构掌子面稳定性的实验装置和方法 |
| CN112433044A (zh) * | 2020-10-21 | 2021-03-02 | 北京中煤矿山工程有限公司 | 冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台 |
| CN114113196A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-03-01 | 北京建筑大学 | 模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统及方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07244040A (ja) * | 1994-03-07 | 1995-09-19 | Asia Kosoku Kk | 土壌水分測定方法および装置 |
| CN105527197A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-04-27 | 武汉市市政建设集团有限公司 | 一种测量双液浆注浆扩散半径的试验装置及方法 |
| CN108956937A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-12-07 | 安徽理工大学 | 多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置与实验方法 |
| CN209690208U (zh) * | 2018-12-25 | 2019-11-26 | 武汉市市政建设集团有限公司 | 富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统 |
-
2018
- 2018-12-25 CN CN201811588766.0A patent/CN109540959A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07244040A (ja) * | 1994-03-07 | 1995-09-19 | Asia Kosoku Kk | 土壌水分測定方法および装置 |
| CN105527197A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-04-27 | 武汉市市政建设集团有限公司 | 一种测量双液浆注浆扩散半径的试验装置及方法 |
| CN108956937A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-12-07 | 安徽理工大学 | 多参数动态采集的人工地层冻结的实验装置与实验方法 |
| CN209690208U (zh) * | 2018-12-25 | 2019-11-26 | 武汉市市政建设集团有限公司 | 富水粉细砂地层冻结法施工效果模拟系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张绪忠: "地下水渗流作用下饱和砂层冻结壁形成的模型试验研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑, no. 3, pages 038 - 157 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111735931A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-10-02 | 北京市政建设集团有限责任公司 | 一种不同含水量粉细砂结构掌子面稳定性的实验装置和方法 |
| CN112433044A (zh) * | 2020-10-21 | 2021-03-02 | 北京中煤矿山工程有限公司 | 冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台 |
| CN114113196A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-03-01 | 北京建筑大学 | 模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统及方法 |
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