CN210323010U - 模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，属于砂层冻结施工技术领域，包括内装实验土层的箱体，实验土层的中部水平铺设与冻结制冷系统相连的冻结管，箱体底部与恒温渗流供水系统相连，数据采集系统的测温探头埋设于实验土层内，用于实时监测实验土层冻结后的温度场。通过恒温渗流供水系统向箱体内的实验土层模拟渗水，利用冻结制冷系统向冻结管输入冷却液模拟地下水渗流条件下砂层冻结，通过测温探头监测实验土层冻结后的温度场。由于测温探头垂直布置于冻结管所在平面的纵平面内，较大程度上减小了测温探头对冻结管平面位置处水流的阻挡作用，使理论计算更加精确。

Description

模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置

技术领域

本实用新型属于砂层冻结施工技术领域，尤其涉及一种模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置。

背景技术

目前，人工冻结技术大量应用于矿井建设和地下工程建设，并取得了良好的效果。近几年随着城市地下空间建设的迅速发展以及对环境保护的特殊需求，人工冻结法成为其安全、环保、高效施工的最佳选择。人工冻结法主要原理是针对特殊含水地层，通过冻结管对土体进行人工降温，形成一个封水冻结壁，起到封水、承压作用，保证施工安全高效进行。

在冻结法施工时，针对饱和砂层中地下水流速大，地层含盐量较高等一些特殊工况时，会出现冻结壁难以交圈或交圈时间漫长的情况。目前，由于研究的局限性而没有形成统一的技术标准，通常采用延长冻结时长或降低冻结温度的方法，而这些较为传统的方法，往往因没有定量的去解决问题而导致工程事故的发生，因此对于不同渗流速度条件下砂层冻结规律的研究尤为关键。现阶段众多学者在室内模拟在渗流条件下对土层进行冻结时，采用的方法往往会出现渗流时过水断面不均匀问题，进而出现较大的实验误差，达不到模拟实际工程的情况。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，旨在解决上述现有技术中模拟渗流冻结时过水断面不均匀的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：

一种模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，包括模型试验箱系统、恒温渗流供水系统、冻结制冷系统和数据采集系统，所述模型试验箱系统包括内装实验土层的箱体，所述箱体的底部设有用于向实验土层渗水的进水部件，所述进水部件与恒温渗流供水系统相连，用于向实验土层提供恒温进水；所述箱体内自下而上依次铺设滤网、碎石缓冲层、滤网、实验土层、滤网及碎石缓冲层，所述箱体的顶部设有箱盖；所述箱体的侧壁上设有出水口，所述出水口设置于上部碎石缓冲层的上方；所述实验土层的中部水平铺设冻结管，所述冻结管与冻结制冷系统相连，用于向实验土层提供冻结所需冷量；所述数据采集系统的测温探头埋设于实验土层内，所述测温探头布置在垂直于冻结管所在平面的纵平面内，用于实时监测实验土层冻结后的温度场。

优选的，所述恒温渗流供水系统包括清水箱、盘绕铜管、恒温循环冷浴机、清水供水管和清水回水管，所述盘绕铜管设置于清水箱的清水内，所述盘绕铜管的两端分别与恒温循环冷浴机的恒温液体出管及恒温液体回管相连；所述清水箱的底部通过清水供水管与箱体底部的进水部件连通，所述清水供水管上设有压力泵、止水阀门和流量计，所述箱体的出水口通过回水管与清水箱相连。

优选的，所述冻结制冷系统包括制冷机组、冷却液供液管和冷却液回液管，所述冷却液供液管上设有止水阀门和流量计，所述冷却液供液管的一端与制冷机组相连、另一端与箱体内冻结管相连；所述冻结管的另一端连接冷却液回液管，所述冷却液回液管的另一端与制冷机组相连。

优选的，所述数据采集系统包括测温探头、温度采集模块和计算机，所述测温探头与温度采集模块连接；所述温度采集模块通过导线和转换器与计算机连接；所述测温探头为若干个，若干个测温探头布置在垂直于冻结管所在平面的纵平面内。

优选的，所述冻结管为三根，三根冻结管依次串联、且水平布置在实验土层的中部平面内。

优选的，所述进水部件为多孔喷头，所述多孔喷头包括中空锥状本体，所述锥状本体的底部与箱体底部的清水进口配合，所述锥状本体的顶部为带有多个喷孔的喷孔盖，所述锥状本体的倒锥形外壁设置于碎石垫层上，所述碎石垫层铺设于箱体的内腔底部。

优选的，所述实验土层为粗砂，所述粗砂的土粒比重为2.7，干密度1.5g/cm³，孔隙率为33%；所述碎石垫层由直径1-2cm的卵石组成；所述滤网为100目。

优选的，所述箱体为圆桶状，所述箱体的直径为1.2m，高度为1m，壁厚为5mm；所述实验土层的厚度为70cm；所述碎石垫层的厚度为5cm。

优选的，所述箱盖为3mm厚度的不锈钢板，所述箱体由不锈钢板制作；所述箱体的外部设有保温层。

优选的，所述清水箱10为直径0.5m、高0.5m的圆形塑料箱。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型通过恒温渗流供水系统向箱体内的实验土层模拟渗水，利用冻结制冷系统向冻结管输入冷却液模拟地下水渗流条件下砂层冻结，通过数据采集系统的测温探头监测实验土层冻结后的温度场。由于测温探头垂直布置于冻结管所在平面的纵平面内，较大程度上减小了测温探头对冻结管平面位置处水流的阻挡作用，使理论计算更加精确。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例提供的一种模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置中箱体的纵截面示意图；

图3是图2中的A-A断面图；

图4是图2中冻结管在箱体内的水平布置图；

图中：1-冷却液回液管，2-制冷机组，3-止水阀门，4-流量计，5-冷却液供液管，6-支腿，7-箱体，8-清水供水管，9-压力泵，10-清水箱，11-盘绕铜管，12-恒温液体出管，13-恒温循环冷浴机，14-恒温液体回管，15-回水管，16-清水进口，17-碎石垫层，18-进水部件，19-碎石缓冲层，20-冻结管，21-实验土层，22-宝塔接口，23-出水口，24-箱盖，25-滤网，26-测温探头。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、2所示的一种模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，包括模型试验箱系统、恒温渗流供水系统、冻结制冷系统和数据采集系统，所述模型试验箱系统包括内装实验土层21的箱体7，所述箱体7的底部设有用于向实验土层21渗水的进水部件18，所述进水部件18与恒温渗流供水系统相连，用于向实验土层21提供恒温进水；所述箱体7内自下而上依次铺设滤网25、碎石缓冲层19、滤网25、实验土层21、滤网25及碎石缓冲层19，所述箱体7的顶部设有箱盖24；所述箱体7的侧壁上设有出水口23，所述出水口23设置于上部碎石缓冲层19的上方；所述实验土层21的中部水平铺设冻结管20，所述冻结管20与冻结制冷系统相连，用于向实验土层21提供冻结所需冷量；所述数据采集系统的测温探头26埋设于实验土层21内，用于实时监测实验土层21冻结后的温度场。另外，在箱体7的底部安装支腿6，方便从箱体7底部进水。

在本实用新型的一个优选实施例中，如图1所示，所述恒温渗流供水系统包括清水箱10、盘绕铜管11、恒温循环冷浴机13、清水供水管8和回水管15，所述盘绕铜管11设置于清水箱10的清水内，所述盘绕铜管11的两端分别与恒温循环冷浴机13的恒温液体出管12及恒温液体回管14相连；所述清水箱10的底部通过清水供水管8与箱体7底部的进水部件18连通，所述清水供水管8上设有压力泵9、止水阀门3和流量计4，所述箱体7的出水口23通过回水管15与清水箱10相连。压力泵9两端的清水供水管8均选用铝塑管，回水管15可选用软管。

其中，清水箱10选用直径0.5m、高0.5m的圆形塑料箱；盘绕铜管选用U形盘绕紫铜管，能够加速与清水的热交换；恒温循环冷浴机选用美国Thermo公司生产的恒温水浴机（型号为AC200）；流量计4选用量程为10-100L/h的玻璃转子流量计，压力泵9选用扬程可达20m的高压自吸泵。

在本实用新型的一个优选实施例中，如图1所示，所述冻结制冷系统包括制冷机组2、冷却液供液管5和冷却液回液管1，所述冷却液供液管5上设有止水阀门3和流量计4，所述冷却液供液管5的一端与制冷机组2相连、另一端与箱体7内冻结管20相连；所述冻结管20的另一端连接冷却液回液管1，所述冷却液回液管1的另一端与制冷机组2相连。其中，制冷机组选用螺杆式制冷机组，冷却液选用盐水，螺杆式制冷机组可对盐水进行降温，最低可达到-28℃。冻结管20的规格为11*1mm，冻结管尺寸型号也可根据具体实验相似缩比进行设定。

其中，所述数据采集系统包括测温探头26、温度采集模块和计算机，所述测温探头26与温度采集模块连接；所述温度采集模块通过导线和转换器与计算机连接；如图2、3所示，所述测温探头26为若干个，若干个测温探头26布置在垂直于冻结管20所在平面的纵平面内，能够减小测温探头对冻结管平面位置处水流的阻挡作用，确保试验结果更精确。其中，测温探头选用PT100温度传感器，温度采集模块选用温度采集模块DAM-PT16，温度变化数据在计算机上进行显示。外部温度采集模块及计算机未在图中显示。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图4所示，所述冻结管20为三根，三根冻结管20依次串联、且水平布置在实验土层21的中部平面内。串联后的冻结管20的两端分别通过软管与箱体侧壁上的宝塔接头22连接，箱体7侧壁上的两个宝塔接头22再分别与冷却液回液管1及冷却液供液管5连接，由于宝塔接头装卸方便快捷、性能可靠，尤其适用于以油、水、空气为介质的管路快速连接。经实验测量在地下水渗流条件下对土体冻结过程中三根冻结管管壁温度相差0.5摄氏度，可行性良好。

在本实用新型的一个具体实施例中，如图2、3所示，所述进水部件18为多孔喷头，所述多孔喷头包括中空锥状本体，所述锥状本体的底部与箱体7底部的清水进口16配合，所述锥状本体的顶部为带有多个喷孔的喷孔盖，所述锥状本体的倒锥形外壁设置于碎石垫层17上，所述碎石垫层17铺设于箱体7的内腔底部。多孔喷头的喷孔盖厚5mm，喷孔直径为2mm，孔边间距为4mm；多孔喷头为不锈钢材质，高度为10cm，呈倒锥形安装在碎石垫层上方；多孔喷头的底部与清水进口螺纹配合。

其中，所述箱体7为圆桶状，所述箱体7的直径为1.2m，高度为1m，壁厚为5mm，箱体7由不锈钢板制作，箱盖24为3mm厚度的不锈钢板；所述实验土层21的厚度为70cm；所述碎石垫层17的厚度为5cm。

优选的，所述实验土层21为粗砂，所述粗砂的土粒比重为2.7，干密度1.5g/cm³，孔隙率为33%；所述碎石垫层17由直径1-2cm的卵石组成；所述滤网25为100目。

为了避免箱体内试验土层与外界空气进行热交换，在箱体7的外部包裹保温层。

利用本实用新型来模拟地下水渗流条件下砂层冻结规律时，按照以下步骤操作：

1、先依次对各系统管路和装置进行安装连接，保证各部分正常运转。

2、在箱体7底部铺设碎石垫层17，然后安装多孔喷头18，安装好后铺设滤网25，再铺设碎石缓冲层19，在碎石缓冲层19上铺一层滤网25，铺完后制备实验土层21，对实验土样进行称重，击实到所需干密度，使其到达实验要求的孔隙率，与此同时将测温探头26和冻结管20埋设在实验土层21实验要求位置处。冻结管20通过软管和箱体7侧壁的宝塔接头22连接，接好后继续进行实验土层21填埋，并埋设测温探头26。实验土层21制作完成后在其上部铺设滤网25，然后再铺碎石缓冲层19，盖上试验箱盖24。

3、打开恒温循环冷浴机13，根据实验要求温度对清水箱10内的清水进行恒温处理。

4、打开清水供水管8上的压力泵9，同时打开清水供水管8上的止水阀门3，使清水在箱体7内进行渗流，待清水供水管路8上的流量计4读数稳定后打开温度数据采集系统，对实验土层21中各测点温度进行采集。

5、打开螺杆式制冷机组2开关，先对盐水（冷却液）进行自循环降温，待盐水温度达到实验要求后打开盐水供液管路5上的止水阀门，盐水流经冻结管20对渗流条件下的实验土层进行降温。

6、在地下水渗流条件下进行冻结时，通过计算机和温度数据采集模块时刻记录土体中各测点温度变化。

综上所述，本实用新型具有结构简单、检测准确的优点，本实用新型采用圆桶状箱体和底部进水的方式，并通过多孔喷头对水流进行均匀分流，克服了模拟地下水渗流条件下砂层冻结时通过冻结管所在平面过水断面不均匀和各点流速不一致问题；同时纵向单平面布置测温探头，较大程度上减小了测温探头对冻结管平面位置处水流的阻挡作用，使理论计算更加精确；将恒温循环冷浴机与U形盘绕紫铜管组装，更加精准地对清水进行恒温处理。本实用新型可以较为准确的模拟工程中在地下水渗流条件下土体冻结时的温度场变化，对人工冻结施工技术的理论研究和工程实践都具有重大意义。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受上面公开的具体实施例的限制。

Claims (10)

1.一种模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，其特征在于：包括模型试验箱系统、恒温渗流供水系统、冻结制冷系统和数据采集系统，所述模型试验箱系统包括内装实验土层的箱体，所述箱体的底部设有用于向实验土层渗水的进水部件，所述进水部件与恒温渗流供水系统相连，用于向实验土层提供恒温进水；所述箱体内自下而上依次铺设滤网、碎石缓冲层、滤网、实验土层、滤网及碎石缓冲层，所述箱体的顶部设有箱盖；所述箱体的侧壁上设有出水口，所述出水口设置于上部碎石缓冲层的上方；所述实验土层的中部水平铺设冻结管，所述冻结管与冻结制冷系统相连，用于向实验土层提供冻结所需冷量；所述数据采集系统的测温探头埋设于实验土层内，所述测温探头布置在垂直于冻结管所在平面的纵平面内，用于实时监测实验土层冻结后的温度场。

2.根据权利要求1所述模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，其特征在于：所述恒温渗流供水系统包括清水箱、盘绕铜管、恒温循环冷浴机、清水供水管和清水回水管，所述盘绕铜管设置于清水箱的清水内，所述盘绕铜管的两端分别与恒温循环冷浴机的恒温液体出管及恒温液体回管相连；所述清水箱的底部通过清水供水管与箱体底部的进水部件连通，所述清水供水管上设有压力泵、止水阀门和流量计，所述箱体的出水口通过回水管与清水箱相连。

3.根据权利要求1所述模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，其特征在于：所述冻结制冷系统包括制冷机组、冷却液供液管和冷却液回液管，所述冷却液供液管上设有止水阀门和流量计，所述冷却液供液管的一端与制冷机组相连、另一端与箱体内冻结管相连；所述冻结管的另一端连接冷却液回液管，所述冷却液回液管的另一端与制冷机组相连。

4.根据权利要求1所述模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，其特征在于：所述数据采集系统包括测温探头、温度采集模块和计算机，所述测温探头与温度采集模块连接；所述温度采集模块通过导线和转换器与计算机连接；所述测温探头为若干个，若干个测温探头布置在垂直于冻结管所在平面的纵平面内。

5.根据权利要求1所述模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，其特征在于：所述冻结管为三根，三根冻结管依次串联、且水平布置在实验土层的中部平面内。

6.根据权利要求2所述模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，其特征在于：所述清水箱（10）为直径0.5m、高0.5m的圆形塑料箱。

7.根据权利要求1-6任一项所述模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，其特征在于：所述进水部件为多孔喷头，所述多孔喷头包括中空锥状本体，所述锥状本体的底部与箱体底部的清水进口配合，所述锥状本体的顶部为带有多个喷孔的喷孔盖，所述锥状本体的倒锥形外壁设置于碎石垫层上，所述碎石垫层铺设于箱体的内腔底部。

8.根据权利要求7所述模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，其特征在于：所述实验土层为粗砂，所述粗砂的土粒比重为2.7，干密度1.5g/cm³，孔隙率为33%；所述碎石垫层由直径1-2cm的卵石组成；所述滤网为100目。

9.根据权利要求7所述模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，其特征在于：所述箱体为圆桶状，所述箱体的直径为1.2m，高度为1m，壁厚为5mm；所述实验土层的厚度为70cm；所述碎石垫层的厚度为5cm。

10.根据权利要求7所述模拟地下水渗流对砂层冻结施工影响的实验装置，其特征在于：所述箱盖为3mm厚度的不锈钢板，所述箱体由不锈钢板制作；所述箱体的外部设有保温层。

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