CN203626831U - 一种模拟深立井冻结的大型模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种模拟深立井冻结的大型模型试验装置，包括模型试验筒、泥浆加载系统、液压系统、开挖模拟系统、制冷系统、监测系统和数据采集与控制系统，开挖模拟系统位于土试样内，土试样位于模型试验筒内，泥浆加载系统、液压系统和数据采集与控制系统均位于模型试验筒外，监测系统的一部分监测端埋于土试样内、另一部分监测端位于开挖模拟系统内，监测系统的输出端与数据采集与控制系统的输入端连接，液压系统为开挖模拟系统提供液压驱动力，泥浆加载系统的泥浆输出口与模型试验筒内壁和土试样之间的空腔流体导通，制冷系统为土试样冻结提供循环低温液体。本实用新型模拟深立井冻结的大型模型试验装置在试验时，能够真实地反应深立井冻结过程中冻结壁的形成及井筒开挖时井帮的位移变化情况。

Description

一种模拟深立井冻结的大型模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种深立井冻结模拟装置，特别涉及一种模拟深立井冻结的大型模型试验装置。

背景技术

冻结法是在井筒开挖之前，从地面沿拟建竖井外围一定距离的同心圆周上间隔向下钻孔，孔底深入不透水层，然后在每个钻孔中沉放冻结管；在地面安装冷冻设备，用循环泵将制冷剂输入冻结管，经制冷剂长时间连续地吸取管外的热量，使周围地层冻结，使之能承受水、土压力并阻隔地下水，在它的保护下开挖地层和修筑衬砌。

因此，冻结法主要适用于在松散不稳定的冲积层，裂隙发育的含水岩层，淤泥、松软泥岩，以及饱和含水和水头特别高的地层进行竖井工程；其是一种借助人工制冷手段暂时加固地层和隔断地下水的特殊施工方法。

在实际采用冻结法凿井施工中，常需要对冻结方案进行论证优化设计，以确定最佳方案。在诸多研究方法中物理相似模拟试验以其直观准确的特点常作为冻结方案研究中的重要手段。这就需要在竖井冻结施工之前以特征地层为研究对象开展相似模拟试验，以便掌握按某种冻结方案拟冻结地层中冻结壁的形成扩展情况及井筒开挖后冻结壁受力、变形规律，为竖井工程安全施工在方案的科学合理性上夯实基础。但是，现有技术中的模拟装置存在如下技术缺陷：(1)试验装置有效试验空间普遍不足，边界效应与尺度效应常对试验结果造成不利影响。(2)结构受力与试验操作的方便性难以兼顾，部分试验台操作方便但结构受力不好，难以实现高压加载。(3)对大型岩土试件模拟地压加载存在较大困难，隔膜易损导致试验失败。(4)井筒开挖模拟存在较大难度，且难以对开挖后井帮的位移变形情况进行监测。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种更大试验空间，结构受力更合理，能够模拟深立井高地压环境与不同段高井筒开挖的大型模型试验装置，使得在深立井井筒冻结方案研究优化阶段，通过相似模拟实验获得深井高地压环境下冻结壁温度场、冻结壁与未冻土整体受力情况、冻结壁稳定性、冻结壁位移、井筒支护等方面的相关信息，为深立井井筒实际施工提供有力的技术支撑。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种模拟深立井冻结的大型模型试验装置，包括模型试验筒、泥浆加载系统、液压系统、开挖模拟系统、制冷系统、监测系统和数据采集与控制系统，开挖模拟系统位于土试样内，土试样位于模型试验筒内，泥浆加载系统、液压系统和数据采集与控制系统均位于模型试验筒外，监测系统的一部分监测端埋于土试样内、另一部分监测端位于开挖模拟系统内，监测系统的输出端与数据采集与控制系统的输入端连接，液压系统为开挖模拟系统提供液压驱动力，泥浆加载系统的泥浆输出口与模型试验筒内壁和土试样之间的空腔流体导通，制冷系统为土试样冻结提供循环低温液体。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，模型试验筒包括试验筒底座、中间筒身、上端盖、上法兰、下端盖和下法兰，下端盖固定安装在试验筒底座上，下法兰固定安装在下端盖上，中间筒身固定安装在下法兰上，上法兰固定安装中间筒身上，上端盖固定安装在上法兰上，中间筒身、上法兰和下法兰均同轴焊接安装；中间筒身上安装有渗流液流出管，下端盖上分别安装有泥浆补压管、泥浆进液管和制冷进液管，上端盖上分别安装有放空管、低温液排出管和压力检测管；在下端盖的中心处开设有第一台阶式安装孔，第一台阶式安装孔的上端孔径大于下端孔径，在第一台阶式安装孔的上端安装有下活动小端盖，下活动小端盖与第一台阶式安装孔的上端孔凸凹密封配合，下端盖下表面上固定安装有用于封闭第一台阶式安装孔下端开口的第一封板，下活动小端盖上开设有内外连接测试线引线孔和低温进液孔，制冷进液管依次穿过第一封板和下活动小端盖上的低温进液孔与位于模型试验筒内的低温进液分水器流体导通；在上端盖的中心处开设有第二台阶式安装孔，第二台阶式安装孔的上端孔径小于下端孔径，在第二台阶式安装孔的下端安装有上活动小端盖，上活动小端盖上开设有内外连接测试线引线孔和液压油孔，上活动小端盖与第二台阶式安装孔的下端孔凸凹密封配合，上端盖上表面上固定安装有用于封闭第二台阶式安装孔上端开口的第二封板，低温液排出管位于模型试验筒内的一端与低温回液分水器流体导通。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，上法兰和下法兰均采用坡口设计，即：上法兰与上端盖的接触面边缘相对于上法兰面所在水平面向下倾斜，下法兰与下端盖的接触面边缘相对于下法兰面所在水平面向上倾斜。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，在上端盖与上法兰的接触面上以及在下端盖与下法兰的接触面上均设置有密封槽，在密封槽内安装有丁氰橡胶密封垫圈；上活动小端盖与上端盖之间以及下活动小端盖与下端盖之间设置有铜板垫圈和丁氰橡胶密封垫圈。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，中间筒身与上法兰以及中间筒身与下法兰均为焊接连接，上端盖与上法兰以及下端盖与下法兰均为螺栓连接；上法兰与上端盖的接触面自上端盖上的密封槽处且相对于上法兰面所在水平面向下倾斜角度X为1.5～2.5度，下法兰与下端盖的接触面自下端盖上的密封槽处且相对于下法兰面所在水平面向上倾斜角度X为1.5～2.5度。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，上端盖的上表面上以及下端盖的下表面上均焊接有内环形肋板和外环形肋板，内环形肋板围成的圆的直径小于外环形肋板围成的圆的直径，上端盖上的内环形肋板和外环形肋板的圆心为上端盖的中心，下端盖上的内环形肋板和外环形肋板的圆心为下端盖的中心，上端盖的中心与下端盖的中心均在中间筒身的轴线上；在内环形肋板和外环形肋板之间以及外环形肋板外侧均等角度轮辐式布置有直肋板，即：内环形肋板和外环形肋板之间沿径向均匀焊接有12根直肋板，外环形肋板的外侧沿径向均匀焊接有24根直肋板。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，泥浆加载系统包括泥浆搅拌桶、泥浆泵和电机伺服泥浆加载单元，泥浆泵的泥浆输入端与泥浆搅拌桶流体导通，泥浆泵的泥浆输出端与泥浆进液管流体导通，电机伺服泥浆加载单元的控制信号输入端与PLC的控制信号输出端连接；制冷系统包括低温槽、循环泵、低温进液分水器、低温回液分水器和模型冻结管，低温槽的低温液出口与循环泵的低温液入口流体导通，循环泵的低温液出口与制冷进液管流体导通，制冷进液管与低温进液分水器流体导通，低温进液分水器埋在土试样内且位于土试样底部，模型冻结管的下端与低温进液分水器流体导通，模型冻结管的上端贯穿土试样并与低温回液分水器流体导通，低温回液分水器的低温回液出口与低温液排出管流体导通；监测系统包括温度传感器、土压力传感器、孔隙水压传感器和位移传感器，土压力传感器、孔隙水压传感器和一部分温度传感器分别埋在土试样内，位移传感器和另一部分温度传感器位于开挖模拟系统内；数据采集与控制系统包括数据采集器和PC机，数据采集器的数据输出端与PC机的数据输入端连接，温度传感器、土压力传感器、孔隙水压传感器和位移传感器的测试引线穿过上活动小端盖上的内外连接测试线引线孔与数据采集的数据输入端连接。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，开挖模拟系统包括支撑架、回缩护筒、开挖伸缩筒和驱动机构，回缩护筒的下端为开口端、上端为封闭端，支撑架的上端自回缩护筒的开口端伸入到回缩护筒内，并且支撑架的上端与回缩护筒固定连接；驱动机构与开挖伸缩筒驱动连接，开挖伸缩筒的上端套装在回缩护筒内并可在回缩护筒内做上下往复运动，开挖伸缩筒的外壁与回缩护筒的内壁密封配合；支撑架包括开挖系统底座和一端固定安装在开挖模拟系统底座上的支撑柱，支撑柱的顶端与回缩护筒的上端封盖固定连接；驱动机构为安装在回缩护筒与开挖伸缩筒之间形成的空腔内的动作油缸，动作油缸具有缸筒和活塞杆，缸筒远离活塞杆的一端与上端封盖固定连接，活塞杆远离缸筒的一端与伸缩筒托架固定连接，伸缩筒托架与开挖伸缩筒固定连接。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，伸缩筒托架为一个带状板，带状板的两端分别固定安装在开挖伸缩筒的内壁上；缸筒外表面上固定安装有传感器托架立杆，传感器托架立杆的上端与缸筒外表面固定连接，传感器托架立杆的下端自缸筒向下延伸至小于或等于活塞杆自由端向下的最大行程，在传感器托架立杆上自下而上分别安装有传感器托架，每个传感器托架上均安装有位移传感器；开挖伸缩筒的外壁与回缩护筒的内壁之间设置有筒间密封胶圈；在开挖伸缩筒与回缩护筒之间的空腔内还分别设置有温度传感器和小型微光照明数码摄像头；温度传感器、位移传感器和小型微光照明数码摄像头的测试引线自回缩护筒的封闭端引出；开挖伸缩筒下端端面与开挖系统底座上的台阶面密封配合，并且开挖伸缩筒下端端面与开挖系统底座上的台阶面之间设置有底座密封胶圈，台阶面位于开挖系统底座的上表面下方的水平面上；推出动作油管穿过回缩护筒的封闭端与动作油缸的活塞腔流体导通，回缩动作油管穿过回缩护筒的封闭端与动作油缸的活塞杆腔流体导通。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的技术方案使得在深立井井筒冻结开挖之前能够对冻结开挖施工过程进行相似模拟，进而获得深立井高地压环境下冻结壁温度场、冻结壁与未冻土整体受力情况、冻结壁稳定性、冻结壁位移、井筒支护等方面的相关信息，为深立井井筒的实际开挖施工提供可靠的依据。

附图说明

图1为本实用新型中的开挖模拟系统处于回缩状态的结构示意图。

图2为图1所示的开挖模拟系统的A-A剖面结构示意图。

图3为本实用新型中的开挖模拟系统处于推出状态的结构示意图。

图4为图2所示的开挖模拟系统的B-B剖面结构示意图。

图5为本实用新型模拟深立井冻结的大型模型试验装置的原理图。

图6为本实用新型模拟深立井冻结的大型模型试验装置的模型试验筒的内部结构不意图。

图7为图6所示模型试验筒的上端盖的上表面上以及下端盖的下表面的结构示意图。

图8为上、下法兰的结构示意图。

图9为图8所示上、下法兰的局部放大结构示意图。

图中：100-模型试验筒，200-泥浆加载系统，300-液压系统，400-制冷系统，500-数据采集与控制系统。

1-测试引线，2-推出动作油管，3-回缩动作油管，4-温度传感器，5-位移传感器，6-支撑柱，7-回缩护筒，8-筒间密封胶圈，9-小型微光照明数码摄像头，10-伸缩筒托架，11-开挖系统底座，12-底座密封胶圈，13-位移传感器顶杠，14-外挖面，15-传感器托架立杆，16-传感器托架，17-土试样，18-开挖伸缩筒，19-活塞杆，20-缸筒，21-试验筒底座，22-中间筒身，23-上端盖，24-上法兰，25-下端盖，26-下法兰，27-泥浆补压管，28-泥浆进液管，29-制冷进液管，30-放空管，31-低温液排出管，32-压力检测管，33-下活动小端盖，34-第-封板，35-上活动小端盖，36-第二封板，37-丁腈橡胶密封垫圈，38-内环形肋板，39-外环形肋板，40-直肋板，41-电机伺服泥浆加载单元，42-低温槽，43-循环泵，44-低温进液分水器，45-低温回液分水器，46-模型冻结管，47-计算机，48-土压力传感器，49-泥浆，50-制冷液，51-空气或泥浆，52-压力表座，53-泥浆压力传感器，54-低温液，55-渗流液流出管，56-土压力传感器，57-孔隙水压传感器，58-液压站，59-数据采集器，60-尼龙网，61-膨润土胶泥，62-孔隙水压传感器。

具体实施方式

如图5所示，本实施例模拟深立井冻结的大型模型试验装置包括模型试验筒100、泥浆加载系统200、液压系统300、开挖模拟系统、制冷系统400、监测系统和数据采集与控制系统500，开挖模拟系统位于土试样17内，土试样17位于模型试验筒100内，泥浆加载系统200、液压系统300和数据采集与控制系统500均位于模型试验筒100外，监测系统的一部分监测端埋于土试样17内、另一部分监测端位于开挖模拟系统内，监测系统的输出端与数据采集与控制系统500的输入端连接，液压系统300为开挖模拟系统提供液压驱动力，泥浆加载系统200的泥浆输出口与模型试验筒100内壁和土试样17之间的空腔流体导通，制冷系统400为土试样17冻结提供循环低温液体。

如图6所示，模型试验筒包括试验筒底座21、中间筒身22、上端盖23、上法兰24、下端盖25和下法兰26，下端盖25固定安装在试验筒底座21上，下法兰26固定安装在下端盖25上，中间筒身22固定安装在下法兰26上，上法兰24固定安装中间筒身22上，上端盖23固定安装在上法兰24上，中间筒身22、上法兰24和下法兰26均同轴焊接安装；中间筒身22上安装有渗流液流出管55，下端盖25上分别安装有泥浆补压管27、泥浆进液管28和制冷进液管29，上端盖23上分别安装有放空管30、低温液排出管31和压力检测管32；在下端盖25的中心处开设有第一台阶式安装孔，第一台阶式安装孔的上端孔径大于下端孔径，在第一台阶式安装孔的上端安装有下活动小端盖33，下活动小端盖33与第一台阶式安装孔的上端孔凸凹密封配合，下端盖25下表面上固定安装有用于封闭第一台阶式安装孔下端开口的第一封板34，下活动小端盖33上开设有内外连接测试线引线孔和低温进液孔，制冷进液管依次穿过第一封板34和下活动小端盖上33的低温进液孔与位于模型试验筒内的低温进液分水器44流体导通；在上端盖13的中心处开设有第二台阶式安装孔，第二台阶式安装孔的上端孔径小于下端孔径，在第二台阶式安装孔的下端安装有上活动小端盖35，上活动小端盖35上开设有内外连接测试线引线孔和液压油孔，上活动小端盖35与第二台阶式安装孔的下端孔凸凹密封配合，上端盖33上表面上固定安装有用于封闭第二台阶式安装孔上端开口的第二封板36，低温液排出管31位于模型试验筒内的一端与低温回液分水器16流体导通。在上端盖23与上法兰24的接触面上以及在下端盖25与下法兰24的接触面上均设置有密封槽，在密封槽内安装有丁氰橡胶密封垫圈37；如图8和图9所示，本实施例中的上法兰24和下法兰26均采用坡口设计，即：上法兰24与上端盖23的接触面自上端盖23上的密封槽处且相对于上法兰面所在水平面向下倾斜角度X为2度，下法兰26与下端盖25的接触面自下端盖上的密封槽处且相对于下法兰面所在水平面向上倾斜角度X为2度。上活动小端盖35与上端盖23之间以及下活动小端盖33与下端盖25之间设置有铜板垫圈和丁氰橡胶密封垫圈37。中间筒身22与上法兰24以及中间筒身22与下法兰26均为焊接连接，上端盖23与上法兰24以及下端盖25与下法兰26均为螺栓连接。

如图7所示，上端盖23的上表面上以及下端盖25的下表面上均焊接有内环形肋板38和外环形肋板39，内环形肋板38围成的圆的直径小于外环形肋板39围成的圆的直径，上端盖23上的内环形肋板38和外环形肋板39的圆心为上端盖23的中心，下端盖上25的内环形肋板38和外环形肋板39的圆心为下端盖25的中心，上端盖23的中心与下端盖25的中心均在中间筒身22的轴线上；在内环形肋板38和外环形肋板39之间以及外环形肋板39外侧均等角度轮辐式布置有直肋板40，即：内环形肋板38和外环形肋板39之间沿径向均匀焊接有12根直肋板40，外环形肋板39的外侧沿径向均匀焊接有24根直肋板40。

如图5和图6所示，泥浆加载系统200包括泥浆搅拌桶、泥浆泵43和电机伺服泥浆加载单元41，泥浆泵43的泥浆输入端与泥浆搅拌桶流体导通，泥浆泵的泥浆输出端与泥浆进液管28流体导通，电机伺服泥浆加载单元41的控制信号输入端与PLC的控制信号输出端连接；制冷系统包括低温槽42、循环泵43、低温进液分水器44、低温回液分水器45和模型冻结管46，低温槽42的低温液出口与循环泵43的低温液入口流体导通，循环泵43的低温液出口与制冷进液管29流体导通，制冷进液管29与低温进液分水器44流体导通，低温进液分水器44埋在土试样17内且位于土试样17底部，模型冻结管46的下端与低温进液分水器44流体导通，模型冻结管46的上端贯穿土试样17并与低温回液分水器45流体导通，低温回液分水器45的低温回液出口与低温液排出管31流体导通；监测系统包括温度传感器4、土压力传感器、孔隙水压传感器和位移传感器5，土压力传感器48、孔隙水压传感器62和一部分温度传感器4埋在土试样17内，位移传感器5和另一部分温度传感器4位于开挖模拟系统内；数据采集与控制系统500包括数据采集器和PC机，数据采集器的数据输出端与PC机的数据输入端连接，温度传感器4、土压力传感器、孔隙水压传感器和位移传感器5的测试引线1穿过上活动小端盖35上的内外连接测试线引线孔与数据采集的数据输入端连接。

如图1至图4所示，开挖模拟系统包括支撑架、回缩护筒7、开挖伸缩筒18和驱动机构，回缩护筒7的下端为开口端、上端为封闭端，支撑架的上端自回缩护筒7的开口端伸入到回缩护筒7内，并且支撑架的上端与回缩护筒7固定连接；驱动机构与开挖伸缩筒18驱动连接，开挖伸缩筒18的上端套装在回缩护筒7内并可在回缩护筒7内做上下往复运动，开挖伸缩筒18的外壁与回缩护筒7的内壁密封配合。在本实施例开挖模拟系统中：(a)支撑架包括开挖系统底座11和一端固定安装在开挖系统底座11上的支撑柱6，支撑柱6的顶端与回缩护筒7的上端封盖固定连接，支撑柱8为本试验装置的主要受力结构，用于支撑本实验装置的自身荷载及试验土体17上表面施加的面荷载；(b)驱动机构为安装在回缩护筒7与开挖伸缩筒18之间形成的空腔内的动作油缸，动作油缸具有缸筒20和活塞杆19，缸筒20远离活塞杆19的一端与上端封盖固定连接，活塞杆19远离缸筒的一端与伸缩筒托架10固定连接，伸缩筒托架10与开挖伸缩筒18固定连接，伸缩筒托架10可将活塞动作同步传递到开挖伸缩筒18；(c)本实施例中的伸缩筒托架10为一个带状板，带状板的两端分别固定安装在开挖伸缩筒18的内壁上；(d)缸筒20外表面上固定安装有传感器托架立杆15，用于固定位移传感器5、小型微光照明数码摄像头9和温度传感器4，传感器托架立杆15的上端与缸筒20外表面固定连接，传感器托架立杆15的下端自缸筒20向下延伸至大于或等于活塞杆19的自由端向下的最大行程，在传感器托架立杆15上自下而上分别安装有传感器托架16，每个传感器托架16上均安装有位移传感器5，位移传感器5在传感器托架立杆15上的位置可以手动调节，这样可准确控制活塞杆19伸出、回缩的位移量；(e)开挖伸缩筒18的外壁与回缩护筒7的内壁之间设置有筒间密封胶圈8；(f)温度传感器4、位移传感器5和小型微光照明数码摄像头9的测试引线1自回缩护筒7的封闭端引出；(g)开挖伸缩筒18下端端面与开挖系统底座11上的台阶面密封配合，并且开挖伸缩筒18下端端面与开挖系统底座11上的台阶面之间设置有底座密封胶圈12，台阶面位于开挖系统底座11的上表面下方的水平面上；(h)推出动作油管2穿过回缩护筒7的封闭端与动作油缸的活塞腔流体导通，回缩动作油管3穿过回缩护筒7的封闭端与动作油缸的活塞杆腔流体导通。

在进行试验之前，应将开挖模拟系统按照以下步骤进行安装：(a)分别连接推出与回缩动作临时油管，将试验装置开挖伸缩筒18缩回至回缩护筒7内；(b)根据模拟开挖段高调整试验装置内传感器托架立杆15延伸长度及各传感器的位置关系，调整位移传感器顶杠13伸出长度，调整摄像头拍摄角度；(c)将开挖伸缩筒18推出，使之与开挖系统底座11稳定接触；(d)在开挖伸缩筒18外壁表面涂刷一道凡士林；(e)拆除临时油管；(f)将调整好的试验装置吊装至模型试验筒内，埋置在试验土体17内，将周边土体夯实；(g)将试验装置的推出动作油管2和回缩动作油管3通过模型试验筒转接口与外部油管连接、各类测试线缆也通过模型试验筒转接口引出模型试验筒外；(h)实验装置安装完成。

本实施例试验装置按照上述步骤安装完成之后，可按照如下试验步骤进行试验：(a)井筒开挖模拟前，设置井筒开挖段高和开挖速度，并根据井筒开挖段高和开挖速度设定试验装置的开挖伸缩筒18回缩长度、速度及相应进油量。(b)模型试验进入井筒开挖模拟环节时，当开始开挖时，试验装置会自动开启回缩油管阀门，液压油通过回缩动作油管3进入动作油缸的活塞杆腔，活塞杆19开始按照预先设置的参数完成回缩动作，进而通过伸缩筒托架10带动开挖伸缩筒18向上运动而回缩至回缩护筒7内。(c)位移传感器5顶杠随着开挖伸缩筒18的回缩会依次弹出并碰触土体开挖面，自动记录开挖面侧向位移情况。(d)温度传感器4会自动记录开挖面的温度情况。(e)小型微光照明数码摄像头9将会实时采集并传回开挖面的变形影像。

本实施例模拟立井井筒开挖的试验装置在工作时：利用支撑柱6作为受力结构，动作油缸通过伸缩筒托架10带动开挖伸缩筒18动作，开挖模拟装置埋置于试验土体17内，通过开挖伸缩筒18回缩模拟井筒开挖，可通过固定在装置内的位移传感器5测量开挖面的位移变形，还可测量开挖面的温度，并可通过小型微光照明数码摄像头9实时显示开挖面的变形情况。

本实施例的模拟立井井筒开挖的试验装置具有如下优点：可实现高压密闭条件下对井筒开挖进行模拟；能精确控制开挖段高；能自动测量开挖面的侧向变形；可实时传回开挖面变形图像；可用于开展深井高地压环境下冻结壁温度场、冻结壁与未冻土整体受力情况、冻结壁稳定与变形、冻结壁位移、井筒支护等方面的科学试验研究。

本实施例模拟深立井冻结的大型模型试验装置中：上端盖23与上法兰24之间以及下端盖25与下法兰26之间的采用高强螺栓连接，上下各布置64根M64的高强螺栓。上端盖23与上法兰24之间以及下端盖25与下法兰26之间的连接面采用密封设计，上、下法兰采用了坡口设计，以避免上、下端盖在内压作用下变形翘曲引发的密封失效；如图8和图9所示，本实施例中上法兰24与上端盖23的接触面自上端盖23上的密封槽处且相对于上法兰面所在水平面向下倾斜角度X为2度，下法兰26与下端盖25的接触面自下端盖上的密封槽处且相对于下法兰面所在水平面向上倾斜角度X为2度，在内压为8兆帕的时候，上法兰24与上端盖23之间以及下法兰26与下端盖25仍然密封良好，没有渗漏发生。下端盖25设有模具筒定位块，以便在模具筒安装时对其进行定位。温度传感器4采用铜-康铜热电偶；土压力传感器56采用电阻应变式微型土压力传感器，孔隙水压力传感器57采用电阻应变式微型孔隙水压力传感器；位移传感器5采用磁致伸缩式位移传感器。

本实施例模拟深立井冻结的大型模型试验装置的组装步骤如下：

(1)将低温进液分水器44安装在下活动小端盖33上，然后将下活动小端盖33安装在下端盖25上，拧紧下活动小端盖33紧固螺栓；

(2)将制冷进液管29(盐水高压胶管管路)连接至下活动小端盖33上的下进液孔，低温进液分水器44出口连接钢丝软管，钢丝软管外套φ32钢管做抗压保护；

(3)安装对开模具筒，将模具筒置于下端盖25上，抵紧模具筒定位块，在对开模具筒内壁上刷涂隔离剂；

(4)采用底卸式料桶装土，龙门起重机提吊料桶转运至模具筒，均匀卸土，用液压夯实机逐层夯实；

(5)模具筒内土体高度至安装模型冻结管46位置时，停止装土，吊装模型冻结管46，准确定位各模型冻结管46，连接配液圈与钢丝软管；

(6)继续向模具筒内填土，手工夯实模型冻结管46之间的土体，在土试样17特定深度及特定位置(根据试验需要具体选择和设定)安放温度传感器4、土压力传感器56和孔隙水压力传感器57，夯实过程中应尽可能保证传感器位置不动，仔细整理传感器引线，逐层向上引出，夯实过程中避免破坏引线；

(7)当填土至开挖模拟系统安装深度时，将开挖模拟系统吊装至土体中心位置，并仔细校核位置。开挖伸缩筒外壁涂抹隔离剂，然后在开挖模拟系统周边填土夯实使之固定。

(8)继续填土、分层夯实、布置传感器，直至填土与模型冻结管46上部集液圈齐平，连接集液圈与低温回液分水器45。

(9)拆除对开模具筒连接螺栓，用螺旋千斤顶将对开模具筒顶开，用龙门起重机将模具筒吊离，起吊中小心操作避免碰触土试样；

(10)在脱模后土试样17周围及顶面包裹两层膨润土防渗毯(图5中未示出)，搭接处用膨润土胶泥粘接，在膨润土防渗毯外用打包带将土试样17扎紧；

(11)在膨润土防渗毯外涂抹一层膨润土胶泥61，缠绕两层网孔大于或等于40目的尼龙网60，打包带扎紧，在尼龙网外再涂抹一层膨润土胶泥61；膨润土防渗毯的防渗作用极大降低了进入试样土体中的水量，而且，进入的少量水份也不足以对试样构成影响，因此可方便的实现对土试样17的整体高压加载；膨润土防渗毯的柔性大，能够拉伸，对付变形能力强；如果试验土样在加载泥浆压力下发生较大的变形或不均匀的变形，膨润土防渗毯也能够完全自适应，不会发生破裂或渗漏，确保加载泥浆及水份不会进入试验土样内；即使在极端条件下膨润土防渗毯有破损，由于在膨润土防渗毯外层有膨润土胶泥61且两层膨润土胶泥61之间有尼龙网60，在破损处随着泥浆的失水，泥膜沉积将越来越厚，而且膨润土胶泥涂层的存在也加速了泥膜的形成，因而可以很好地防止加载泥浆中水份进入试验土样；由于膨润土防渗毯具有很强自修复能力的特殊性质，使得该方法不仅适用于表面相对光滑的小试件和大试件，还适用于具有较大压缩变形量的大试件以及压缩时发生不均匀变形的试件。

(12)将各类测试引线1、推出动作油管2、回缩动作油管3、低温液排出管31从膨润土防渗毯开孔处引出，并用膨润土胶泥将防渗毯开孔处粘接压实；

(13)清理下端盖25上的密封槽内土屑，安装丁氰橡胶密封垫圈37，龙门起重机平稳起吊试验筒体(上法兰24、中间筒身22和下法兰26焊接在一起)，对正土试样17，缓慢降低试验筒体，试验筒体下落过程尽量不磕碰土试样17，试验筒体将近接触下端盖25时，使试验筒体法兰螺栓孔与下端盖25螺栓孔对正，插入4～6根大螺栓，然后将试验筒体直接落到位。

(14)在土试样17中间位置安装上活动小端盖35，将各类测试引线1、推出动作油管2、回缩动作油管3及测试引线1通过上活动小端盖35上的油管连接孔和引线孔引出，向引线管浇筑环氧树脂并固化，完成引线孔密封；

(15)吊装上端盖23，对正低温液排出管31和上活动小端盖35，缓慢下落上端盖23，并对正试验筒体螺栓孔，固定上活动小端盖35，安装并连接低温液排出管31法兰；

(16)安装上、下端盖全部法兰螺栓，将其余螺栓插入螺栓孔并旋上螺母，先手动紧固，然后采用螺栓拉伸器四点对称同步拉伸四条螺栓，手动旋紧螺母，依次轮流对每个螺栓采取相同操作，在紧固螺栓过程中，应采取三轮拧紧方式，即每个螺栓需进行三次拉伸，达到试验筒体与端盖的可靠连接；

(17)将泥浆进液管28连接至下端盖25的泥浆进液口快速接头，并锁紧；

(18)用制冷进液管29将低温进液分水器44与低温槽42进行连接；

(19)用高压油管将推出动作油管2和回缩动作油管3与液压站58连接；

(20)将各类传感器的测试引线1与数据采集器59连接；

(21)安装上端盖23、放空阀及放空管30，安装泥浆压力传感器53。

(22)将装置上的剩余备用法兰接口用盲法兰封闭。

利用本实施例大型模型试验装置模拟深立井冻结试验步骤如下：

(1)配置膨润土泥浆；

(2)设定低温槽42内的制冷液温度，启动低温槽42；

(3)启动数据采集与控制系统500；

(4)设定试验压力，打开放空阀、进液阀，关闭补压阀，开启高压泥浆泵，向试验筒体内注入泥浆，直至放空管连续溢出泥浆后，关闭放空阀；

(5)利用高压泥浆泵向试验筒内注浆加压，分0.5Mpa、1Mpa、2Mpa、4Mpa和设计试验压力5个等级逐次顺序加载，直至压力稳定，关闭进液阀，关闭高压泥浆泵，

(6)启动PLC控制系统，打开补压阀，PLC自动采集试验筒体内压力数据，如压力不足则自动开启电机伺服加载单元41，进行系统加压，压力达到设定压力则自动关闭电机伺服加载单元41，进行压力保持；

(7)打开制冷液进液阀和回液阀，启动循环泵43，开始井筒冻结模拟；

(8)当井筒冻结转入开挖环节时，开启液压站，井筒开挖模拟前，设置井筒开挖段高和开挖速度，并根据井筒开挖段高和开挖速度设定开挖模拟系统的开挖伸缩筒回缩长度、速度及相应进油量；

(9)开挖模拟系统进入井筒开挖模拟环节时，开启回缩动作油管阀门，液压油通过回缩动作油管3进入动作油缸，动作油缸开始按照井筒开挖段高和开挖速度完成回缩动作。

(10)位移传感器5顶杠随着开挖伸缩筒18的回缩会依次弹出并碰触土体开挖面，自动记录开挖面侧向位移情况。

(11)温度传感器4会自动记录开挖面的温度情况。

(12)小型微光照明数码摄像头9将会实时采集并传回开挖面的变形影像。

(13)继续试验，直至试验结束，保存全部试验数据。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型创造所作的举例，而并非对本实用新型创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造权利要求的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种模拟深立井冻结的大型模型试验装置，其特征在于，包括模型试验筒、泥浆加载系统、液压系统、开挖模拟系统、制冷系统、监测系统和数据采集与控制系统，开挖模拟系统位于土试样内，土试样位于模型试验筒内，泥浆加载系统、液压系统和数据采集与控制系统均位于模型试验筒外，监测系统的一部分监测端埋于土试样内、另一部分监测端位于开挖模拟系统内，监测系统的输出端与数据采集与控制系统的输入端连接，液压系统为开挖模拟系统提供液压驱动力，泥浆加载系统的泥浆输出口与模型试验筒内壁和土试样之间的空腔流体导通，制冷系统为土试样冻结提供循环低温液体。

2.根据权利要求1所述的模拟深立井冻结的大型模型试验装置，其特征在于，模型试验筒包括试验筒底座、中间筒身、上端盖、上法兰、下端盖和下法兰，下端盖固定安装在试验筒底座上，下法兰固定安装在下端盖上，中间筒身固定安装在下法兰上，上法兰固定安装中间筒身上，上端盖固定安装在上法兰上，中间筒身、上法兰和下法兰均同轴焊接安装；中间筒身上安装有渗流液流出管，下端盖上分别安装有泥浆补压管、泥浆进液管和制冷进液管，上端盖上分别安装有放空管、低温液排出管和压力检测管；在下端盖的中心处开设有第一台阶式安装孔，第一台阶式安装孔的上端孔径大于下端孔径，在第一台阶式安装孔的上端安装有下活动小端盖，下活动小端盖与第一台阶式安装孔的上端孔凸凹密封配合，下端盖下表面上固定安装有用于封闭第一台阶式安装孔下端开口的第一封板，下活动小端盖上开设有内外连接测试线引线孔和低温进液孔，制冷进液管依次穿过第一封板和下活动小端盖上的低温进液孔与位于模型试验筒内的低温进液分水器流体导通；在上端盖的中心处开设有第二台阶式安装孔，第二台阶式安装孔的上端孔径小于下端孔径，在第二台阶式安装孔的下端安装有上活动小端盖，上活动小端盖上开设有内外连接测试线引线孔和液压油孔，上活动小端盖与第二台阶式安装孔的下端孔凸凹密封配合，上端盖上表面上固定安装有用于封闭第二台阶式安装孔上端开口的第二封板，低温液排出管位于模型试验筒内的一端与低温回液分水器流体导通。

3.根据权利要求2所述的模拟深立井冻结的大型模型试验装置，其特征在于，上法兰和下法兰均采用坡口设计，即：上法兰与上端盖的接触面边缘相对于上法兰面所在水平面向下倾斜，下法兰与下端盖的接触面边缘相对于下法兰面所在水平面向上倾斜。

4.根据权利要求3所述的模拟深立井冻结的大型模型试验装置，其特征在于，在上端盖与上法兰的接触面上以及在下端盖与下法兰的接触面上均设置有密封槽，在密封槽内安装有丁氰橡胶密封垫圈；上活动小端盖与上端盖之间以及下活动小端盖与下端盖之间设置有铜板垫圈和丁氰橡胶密封垫圈。

5.根据权利要求4所述的模拟深立井冻结的大型模型试验装置，其特征在于，中间筒身与上法兰以及中间筒身与下法兰均为焊接连接，上端盖与上法兰以及下端盖与下法兰均为螺栓连接；上法兰与上端盖的接触面自上端盖上的密封槽处且相对于上法兰面所在水平面向下倾斜角度X为1.5～2.5度，下法兰与下端盖的接触面自下端盖上的密封槽处且相对于下法兰面所在水平面向上倾斜角度X为1.5～2.5度。

6.根据权利要求3所述的模拟深立井冻结的大型模型试验装置，其特征在于，上端盖的上表面上以及下端盖的下表面上均焊接有内环形肋板和外环形肋板，内环形肋板围成的圆的直径小于外环形肋板围成的圆的直径，上端盖上的内环形肋板和外环形肋板的圆心为上端盖的中心，下端盖上的内环形肋板和外环形肋板的圆心为下端盖的中心，上端盖的中心与下端盖的中心均在中间筒身的轴线上；在内环形肋板和外环形肋板之间以及外环形肋板外侧均等角度轮辐式布置有直肋板，即：内环形肋板和外环形肋板之间沿径向均匀焊接有12根直肋板，外环形肋板的外侧沿径向均匀焊接有24根直肋板。

7.根据权利要求2-6任一所述的模拟深立井冻结的大型模型试验装置，其特征在于，泥浆加载系统包括泥浆搅拌桶、泥浆泵和电机伺服泥浆加载单元，泥浆泵的泥浆输入端与泥浆搅拌桶流体导通，泥浆泵的泥浆输出端与泥浆进液管流体导通，电机伺服泥浆加载单元的控制信号输入端与PLC的控制信号输出端连接；制冷系统包括低温槽、循环泵、低温进液分水器、低温回液分水器和模型冻结管，低温槽的低温液出口与循环泵的低温液入口流体导通，循环泵的低温液出口与制冷进液管流体导通，制冷进液管与低温进液分水器流体导通，低温进液分水器埋在土试样内且位于土试样底部，模型冻结管的下端与低温进液分水器流体导通，模型冻结管的上端贯穿土试样并与低温回液分水器流体导通，低温回液分水器的低温回液出口与低温液排出管流体导通；监测系统包括温度传感器、土压力传感器、孔隙水压传感器和位移传感器，土压力传感器、孔隙水压传感器和一部分温度传感器分别埋在土试样内，位移传感器和另一部分温度传感器位于开挖模拟系统内；数据采集与控制系统包括数据采集器和PC机，数据采集器的数据输出端与PC机的数据输入端连接，温度传感器、土压力传感器、孔隙水压传感器和位移传感器的测试引线穿过上活动小端盖上的内外连接测试线引线孔与数据采集的数据输入端连接。

8.根据权利要求1-6任一所述的模拟深立井冻结的大型模型试验装置，其特征在于，开挖模拟系统包括支撑架、回缩护筒、开挖伸缩筒和驱动机构，回缩护筒的下端为开口端、上端为封闭端，支撑架的上端自回缩护筒的开口端伸入到回缩护筒内，并且支撑架的上端与回缩护筒固定连接；驱动机构与开挖伸缩筒驱动连接，开挖伸缩筒的上端套装在回缩护筒内并可在回缩护筒内做上下往复运动，开挖伸缩筒的外壁与回缩护筒的内壁密封配合；支撑架包括开挖系统底座和一端固定安装在开挖系统底座上的支撑柱，支撑柱的顶端与回缩护筒的上端封盖固定连接；驱动机构为安装在回缩护筒与开挖伸缩筒之间形成的空腔内的动作油缸，动作油缸具有缸筒和活塞杆，缸筒远离活塞杆的一端与上端封盖固定连接，活塞杆远离缸筒的一端与伸缩筒托架固定连接，伸缩筒托架与开挖伸缩筒固定连接。

9.根据权利要求8所述的模拟深立井冻结的大型模型试验装置，其特征在于，伸缩筒托架为一个带状板，带状板的两端分别固定安装在开挖伸缩筒的内壁上；缸筒外表面上固定安装有传感器托架立杆，传感器托架立杆的上端与缸筒外表面固定连接，传感器托架立杆的下端自缸筒向下延伸至小于或等于活塞杆自由端向下的最大行程，在传感器托架立杆上自下而上分别安装有传感器托架，每个传感器托架上均安装有位移传感器；开挖伸缩筒的外壁与回缩护筒的内壁之间设置有筒间密封胶圈；在开挖伸缩筒与回缩护筒之间的空腔内还分别设置有温度传感器和小型微光照明数码摄像头；温度传感器、位移传感器和小型微光照明数码摄像头的测试引线自回缩护筒的封闭端引出；开挖伸缩筒下端端面与开挖系统底座上的台阶面密封配合，并且开挖伸缩筒下端端面与开挖系统底座上的台阶面之间设置有底座密封胶圈，台阶面位于开挖系统底座的上表面下方的水平面上；推出动作油管穿过回缩护筒的封闭端与动作油缸的活塞腔流体导通，回缩动作油管穿过回缩护筒的封闭端与动作油缸的活塞杆腔流体导通。

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