CN111189874A - 城市地下工程水平冻结模拟装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及城市地下工程水平冻结模拟装置及试验方法，包括冻胀室，冻胀室下底板为可拆卸的透水板，冻胀室的下方设有水池，水池内设有一号温度传感器和水温调节装置，水池的右侧连通有水泵；冻胀室的上端面固定安装有竖直放置的液压缸，液压缸的推杆穿过冻胀室的顶板伸入冻胀室内，并固定连接有一块压板。本发明采用水池透过透水板对冻胀室内进行压水渗透的方式，模拟地下水渗入标的隧道的模型中的过程，使得实验数据更加具有可靠性；采用填充在陶瓷隔片内的气囊模拟未开挖的土地空间，然后通过卸载气囊、拆除陶瓷隔片逐步解除对上部土壤的支撑，模拟开挖过程，从而更加逼真的获取开挖过程中，冻土体的内部压力、温度和水分变化的实验数据。
Description
技术领域
本发明涉及土壤冻胀实验设备技术领域，具体的说是城市地下工程水平冻结模拟装置及试验方法。
背景技术
大型冻结模型试验机主要完成大型冻土试样的制作，测量多根冻胀管空心圆柱体模型冻胀过程的物理现象，在整个试验过程中具有的功能如下：
1.可测量竖向冻涨力，在竖向约束条件下可测量模型内部应力和空心圆柱体模型的径向位移。
2.根据工程要求，可对称分布量测模型高度中间径向温度分布，和上、下模型界面温度。
3.在模型受纵向约束条件下，可完成竖直方向圆柱体模型在恒压条件下的径向变形的测量与控制，同时可完成在恒定径向变形条件下内部应力的测量与控制。
4.根据工程需要，可完成多根冻结管的低温恒温的循环及测量与控制。
现有技术中，测量冻胀实验数据通常采用压力传感器、位移传感器、精密电机伺服系统等装置，配合全数字控制器，将处理后信息传输到PC机完成各工程量的显示，并实时显示压力、变形和温度及其关系曲线。通过扩展模块的测量与控制，可计算冻胀系数等。然而在模拟城市地下水平冻结过程中，尚没有系统成型的装置，且多测量项目同时进行难以保证每个测量项目的准确性。
发明内容
针对上述技术的缺陷，本发明提出城市地下工程水平冻结模拟装置及试验方法。
城市地下工程水平冻结模拟装置，包括冻结系统、加载系统、测试系统和水分补充系统，所述加载系统安装在冻结系统的上部，用于为冻结系统加压，所述测试系统分布在冻结系统内，用于测试冻结系统内部环境，所述水分补充系统与冻结系统相连，用于向冻结系统内补充水分。
所述冻结系统包括冻胀室，所述冻胀室下底板为可拆卸的透水板，冻胀室的中部纵向固定有四个卡架，所述卡架分别位于四边形的四个拐角处，卡架之间分别卡嵌有一块弧形的陶瓷隔片，所述陶瓷隔片围成圆环形，陶瓷隔片内部穿插有四片隔层，所述隔层将陶瓷隔片围成的圆分隔成五个子空间，每个子空间中均放置有一个气囊，所述气囊将对应的子空间完全填充。
所述冻胀室内纵向固定有若干冻胀管，所述冻胀管在陶瓷隔片的外围均匀分布，所述冻胀管均为双层管，冻胀管的内层管为入水管，冻胀管的外层管为回流管，内层管与外层管之间设有用于固定内层管与外层管相对位置的夹条；所述冻胀管后端均穿过冻胀室连接有制冷系统。
所述水分补充系统包括位于冻胀室的下方设有水池，所述水池内设有一号温度传感器和水温调节装置，水池的右侧连通有水泵，所述水池与冻胀室之间为密封连接。
所述加载系统包括纵压液压缸和横压液压缸，纵压所述液压缸固定安装在冻胀室上部，液压缸的推杆竖直向下穿过冻胀室的顶板连接有一块垂直加载板，所述垂直加载板位于冻胀室上方，用于向下向冻胀室内施力，所述横压液压缸安装在冻胀室右侧，横压液压缸的推杆穿过冻胀室的右侧壁连接有位于冻胀室内部右侧的横向加载板。
所述测试系统包括：位于冻胀室内从左上角至右下角均匀分布有若干湿度传感器、二号温度传感器和压力传感器；位于冻胀室内从左下角至右上角均匀分布有若干钻孔摄像仪。
所述气囊为具有换气口的橡胶制气囊。
所述冻胀管采用不锈钢制成。
所述二号湿度传感器为集成型湿度传感器。
本发明的实施方法具体包括以下步骤：
(1)模型填土和测试系统的安装；(2)加载系统和冻结系统的安装；(3)启动纵压液压缸和横压液压缸，对土体进行加载；(4)快速对陶瓷隔片8一侧的土体进行冻结，并依次将该侧气囊进行释放，模拟该侧开挖，同时可增加支撑结构，模拟隧道内构筑活动；(5)对另一侧陶瓷隔片8附近的土体进行冻结，并对该侧气囊进行释放；(6)停止所有冻结活动，进行一次自然解冻过程，延缓解冻过程，然后再进行一次强制解冻，即，提高解冻速率，在两次解冻过程中，利用各个传感器记录隧道开挖过程中，土体的环境变化。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用系统性的测量方式，将城市地下水分变化的测定、压力分布的测定、土地变形量的测定、地下水温的测定统一在同一个实验模型内。
2、本发明采用水池透过透水板对冻胀室内进行压水渗透的方式，模拟地下水渗入标的隧道的模型中的过程，使得实验数据更加具有可靠性；采用液压缸从上方向标的隧道的模型加压，可以模拟不同地层深度下，标的隧道所受压力。
3、本发明采用填充在陶瓷隔片内的气囊模拟未开挖的土地空间，然后通过卸载气囊、拆除陶瓷隔片逐步解除对上部土壤的支撑，模拟开挖过程，从而更加逼真的获取开挖过程中，冻土体变化的实验数据。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的立体图；
图2是本发明的冻胀管的使用示意图；
图3是本发明的冻胀管与制冷系统的连接关系图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1至图3所示，城市地下工程水平冻结模拟装置，包括冻结系统、加载系统、测试系统和水分补充系统，所述加载系统安装在冻结系统的上部，用于为冻结系统加压，所述测试系统分布在冻结系统内，用于测试冻结系统内部环境，所述水分补充系统与冻结系统相连，用于向冻结系统内补充水分。
所述冻结系统包括冻胀室1，所述冻胀室1下底板为可拆卸的透水板2，冻胀室1的中部纵向固定有四个卡架7，所述卡架7分别位于四边形的四个拐角处，卡架7之间分别卡嵌有一块弧形的陶瓷隔片8，所述陶瓷隔片8围成圆环形，陶瓷隔片8内部穿插有四片隔层9，所述隔层9将陶瓷隔片8围成的圆分隔成五个子空间，每个子空间中均放置有一个具有换气口的橡胶制气囊，所述气囊将对应的子空间完全填充。
所述冻胀室1内纵向固定有若干由不锈钢材料制成的冻胀管10，所述冻胀管10在陶瓷隔片8的外围均匀分布，不锈钢成本低，导热性好，耐腐性好，能够及时控制土体温度变化。所述冻胀管10均为双层管，冻胀管10的内层管11为入水管，冻胀管10的外层管12为回流管，内层管11与外层管12之间设有用于固定内层管11与外层管12相对位置的夹条13；所述内层管11均连接有蒸发器14，所述蒸发器14与内层管11相连的一端连接有冷凝器15，蒸发器14与冷凝器15之间安装有节流阀，冷凝器15连接有压缩机16，所述压缩机16与蒸发器14的另一端相连，蒸发器14的与压缩机16相连的一端与外层管12相连，并且还连接有盐水供给管路17。
所述水分补充系统包括位于冻胀室1的下方设有水池4，所述水池4内设有检测水温的一号温度传感器和用于为水温加热或制冷的水温调节装置，水池4的右侧连通有水泵，所述水池4与冻胀室1之间为密封连接，水池4在水泵的加压作用下为冻胀室1补充水分。
所述加载系统包括纵压液压缸5和横压液压缸，纵压所述液压缸固定安装在冻胀室1上部，液压缸的推杆竖直向下穿过冻胀室1的顶板连接有一块垂直加载板6，所述垂直加载板6位于冻胀室1上方，用于向下向冻胀室1内施力，所述横压液压缸安装在冻胀室1右侧，横压液压缸的推杆穿过冻胀室1的右侧壁连接有位于冻胀室1内部右侧的横向加载板。
所述测试系统包括：位于冻胀室1内从左上角至右下角均匀分布有若干测量土体含水量的湿度传感器、测量土体温度变化的二号温度传感器和测量土体压力变化情况的压力传感器；位于冻胀室1内从左下角至右上角均匀分布有若干测量土体变形情况的钻孔摄像仪。所述湿度传感器、二号温度传感器和压力传感器以及钻孔摄像仪以均匀分布的形式固定在冻土体内，检测冻土体各个区域的多维信息数据变化过程。所述二号湿度传感器为集成型湿度传感器，一般在对冻结环境进行检测的同时，尽可能少的受冻土胀缩影响。
本发明所述的城市地下水平冻结模拟装置及其实施方法的使用方法如下：
使用时，先采用气囊填充陶瓷隔片8内部空间，然后在冻胀室1内填充模拟地层的土壤，利用外接的控制器检测湿度传感器、一号温度传感器、二号温度传感器、压力传感器、钻孔摄像仪等感触元件的信号。通过水泵将水池4增压，水池4与冻胀室1之间为密封环境，所以水池4中的水将在压力下从透水板2向冻胀室1内渗透。所述盐水供给管路17连接盐水泵，并在盐水泵的作用下驱动经过制冷系统处理的盐水在内层管11与外层管12间循环，模拟土体在冬夏时节变化，所述盐水可用氯化钙溶液。
通过从上至下逐个降低气囊的气压，并将对应侧的陶瓷隔片88撤出，模拟开挖土体的动作，在此过程中，利用外接的控制器和显示装置监控各个土体点的温度、水分含量、压力和变形量的变化。
为了更加全面的模拟冻结施工时的冻土变化，按照自然解冻和强制解冻两种方式进行实施，具体实施按以下步骤：
(1)模型填土和测试系统的安装；(2)加载系统和冻结系统的安装；(3)启动纵压液压缸5和横压液压缸，对土体进行加载；(4)快速对陶瓷隔片8一侧的土体进行冻结，并依次将该侧气囊进行释放，模拟该侧开挖，同时可增加支撑结构，模拟隧道内构筑活动；(5)对另一侧陶瓷隔片8附近的土体进行冻结，并对该侧气囊进行释放；(6)停止所有冻结活动，进行一次自然解冻过程，延缓解冻过程，然后再进行一次强制解冻，即，提高解冻速率，在两次解冻过程中，利用各个传感器记录隧道开挖过程中，土体的环境变化。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.城市地下工程水平冻结模拟装置，包括冻结系统、加载系统、测试系统和水分补充系统，其特征在于：
所述加载系统安装在冻结系统的上部，用于为冻结系统加压，所述测试系统分布在冻结系统内，用于测试冻结系统内部环境，所述水分补充系统与冻结系统相连，用于向冻结系统内补充水分。
2.根据权利要求1所述的城市地下工程水平冻结模拟装置，其特征在于：所述冻结系统包括冻胀室，所述冻胀室下底板为可拆卸的透水板，冻胀室的中部纵向固定有四个卡架，所述卡架分别位于四边形的四个拐角处，卡架之间分别卡嵌有一块弧形的陶瓷隔片，所述陶瓷隔片围成圆环形，陶瓷隔片内部穿插有四片隔层，所述隔层将陶瓷隔片围成的圆分隔成五个子空间，每个子空间中均放置有一个气囊，所述气囊将对应的子空间完全填充；
所述冻胀室内纵向固定有若干冻胀管，所述冻胀管在陶瓷隔片的外围均匀分布，所述冻胀管均为双层管，冻胀管的内层管为入水管，冻胀管的外层管为回流管，内层管与外层管之间设有用于固定内层管与外层管相对位置的夹条；所述内层管均连接有蒸发器，所述蒸发器与内层管相连的一端连接有冷凝器，蒸发器与冷凝器之间安装有节流阀，冷凝器连接有压缩机，所述压缩机与蒸发器的另一端相连，蒸发器的与压缩机相连的一端与外层管相连，并且还连接有盐水供给管路。
3.根据权利要求2所述的城市地下工程水平冻结模拟装置，其特征在于：水分补充系统包括位于冻胀室的下方设有水池，所述水池内设有一号温度传感器和水温调节装置，水池的右侧连通有水泵，所述水池与冻胀室之间为密封连接。
4.根据权利要求2所述的城市地下工程水平冻结模拟装置，其特征在于：所述加载系统包括纵压液压缸和横压液压缸，纵压所述液压缸固定安装在冻胀室上部，液压缸的推杆竖直向下穿过冻胀室的顶板连接有一块垂直加载板，所述垂直加载板位于冻胀室上方，用于向下向冻胀室内施力，所述横压液压缸安装在冻胀室右侧，横压液压缸的推杆穿过冻胀室的右侧壁连接有位于冻胀室内部右侧的横向加载板。
5.根据权利要求2所述的城市地下工程水平冻结模拟装置，其特征在于：所述测试系统包括：位于冻胀室内从左上角至右下角均匀分布有若干湿度传感器、二号温度传感器和压力传感器；位于冻胀室内从左下角至右上角均匀分布有若干钻孔摄像仪。
6.根据权利要求2所述的城市地下工程水平冻结模拟装置，其特征在于：所述气囊为具有换气口的橡胶制气囊。
7.根据权利要求2所述的城市地下工程水平冻结模拟装置，其特征在于：所述冻胀管采用不锈钢制成。
8.根据权利要求5所述的城市地下工程水平冻结模拟装置，其特征在于：所述二号湿度传感器为集成型湿度传感器。
9.根据权利要求1-8中任一所述的城市地下工程水平冻结模拟装置的试验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)模型填土和测试系统的安装；(2)加载系统和冻结系统的安装；(3)启动纵压液压缸和横压液压缸，对土体进行加载；(4)快速对陶瓷隔片8一侧的土体进行冻结，并依次将该侧气囊进行释放，模拟该侧开挖，同时可增加支撑结构，模拟隧道内构筑活动；(5)对另一侧陶瓷隔片8附近的土体进行冻结，并对该侧气囊进行释放；(6)停止所有冻结活动，进行一次自然解冻过程，延缓解冻过程，然后再进行一次强制解冻，即提高解冻速率，在两次解冻过程中，利用各个传感器记录隧道开挖过程中，土体的环境变化。
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