本發(fā)明涉及滲流凍結(jié)試驗(yàn)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種滲流凍結(jié)試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
：人工凍結(jié)技術(shù)是一項(xiàng)有著近130年應(yīng)用歷史的地層改良方法，其原理是通過人工制冷，將不穩(wěn)定的含水軟弱土層凍結(jié)，在地下形成強(qiáng)度較高的水密性人工凍結(jié)壁，利用其抵抗地下工程周圍的地壓、水壓等外部荷載，隔絕地下水與地下工程的水力聯(lián)系，達(dá)到保護(hù)地下工程施工的目的；60多年來，該項(xiàng)技術(shù)在我國的應(yīng)用范圍主要有礦山豎井、基坑開挖、市政工程建設(shè)、地鐵隧道施工等地下工程建設(shè)中。隨著地下空間的開發(fā)利用發(fā)展迅速，面臨更加復(fù)雜的工程地質(zhì)條件和嚴(yán)格的施工要求。在現(xiàn)實(shí)進(jìn)行人工凍結(jié)施工時(shí)，若地層滲流速度過大，凍結(jié)壁將很難交圈或者達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，滲流條件凍結(jié)條件下屏障的溫度場在滲流場的作用下變化更加復(fù)雜，了解滲流條件下凍結(jié)壁的溫度場變化特征，對于掌握人工凍結(jié)壁形成規(guī)律具有重要意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需要，提供一種能夠使?jié)B流達(dá)到均勻?qū)恿鳁l件，并模擬在該滲流條件下的人工凍結(jié)過程，并能為現(xiàn)實(shí)施工建設(shè)提供有力理論基礎(chǔ)的滲流凍結(jié)試驗(yàn)裝置。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：設(shè)計(jì)一種滲流凍結(jié)試驗(yàn)裝置，包括箱體；在該箱體內(nèi)由上至下依次設(shè)置有第一壓實(shí)黏土層、土樣層和第二壓實(shí)黏土層，在所述箱體內(nèi)還設(shè)置有至少一根縱向設(shè)置的凍結(jié)管，所述凍結(jié)管至少縱向貫穿所述土樣層設(shè)置，在所述土樣層內(nèi)還設(shè)置有若干個(gè)溫度傳感器；在所述箱體的一端側(cè)壁上還設(shè)置有清水進(jìn)水口，并在遠(yuǎn)離所述清水進(jìn)水口的箱體側(cè)壁上還設(shè)置有清水出水口；還包括用于向凍結(jié)管輸入冷卻液的循環(huán)制冷機(jī)構(gòu)；還包括用于采集所述溫度傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)采集模塊。優(yōu)選的，所述凍結(jié)管為三根，該三根凍結(jié)管平行設(shè)置于同一平面，且該三根凍結(jié)管所在的平面與水流從清水進(jìn)水口向清水出水口前進(jìn)方向垂直。優(yōu)選的，在所述第一壓實(shí)黏土層內(nèi)設(shè)置有橫向設(shè)置的總出液管，并在所述第二壓實(shí)黏土層內(nèi)設(shè)置有總進(jìn)液管，所述凍結(jié)管的上端通過柔性軟管與所述總出液管連通，所述凍結(jié)管的下端與所述總進(jìn)液管連通；在位于所述第一壓實(shí)黏土層和第二壓實(shí)黏土層內(nèi)的凍結(jié)管的管壁上還包裹有保溫層。優(yōu)選的，所述冷卻液為鹽水；所述循環(huán)制冷機(jī)構(gòu)包括鹽水制冷機(jī)、與該鹽水制冷機(jī)的鹽水出液口連通的鹽水泵，所述鹽水泵依次通過鹽水流量計(jì)、鹽水壓力表與所述總進(jìn)液管的進(jìn)口端連通，所述總出液管的出口端與所述鹽水制冷機(jī)的鹽水進(jìn)液口連通。優(yōu)選的，還包括恒溫水循環(huán)機(jī)構(gòu)，所述恒溫水循環(huán)機(jī)構(gòu)包括恒溫水箱、與該恒溫水箱的出口連通的清水泵、與該清水泵的出口連通的控制閥、旁通閥，所述控制閥依次通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、第一壓力表與所述箱體上的清水進(jìn)水口連通，所述旁通閥通過管路還與所述恒溫水箱連通；所述箱體上的清水出水口通過第二壓力表與所述恒溫水箱的進(jìn)口連通；所述恒溫水箱包括盛有清水的清水箱體、設(shè)置于該清水箱體內(nèi)的電加熱棒、水溫傳感器，還包括與所述電加熱棒和水溫傳感器連接的控溫器。優(yōu)選的，所述清水進(jìn)水口設(shè)置于所述第二壓實(shí)黏土層所在區(qū)域的箱體側(cè)壁上，所述清水出水口設(shè)置于所述第一壓實(shí)黏土層所在區(qū)域的箱體側(cè)壁上；在所述清水進(jìn)水口的出水端和所述清水出水口的進(jìn)水端均設(shè)置有為200目的濾網(wǎng)。優(yōu)選的，在所述箱體內(nèi)設(shè)置有間隔設(shè)置的兩個(gè)隔板，兩個(gè)隔板上均設(shè)置有若干個(gè)用于過水的通孔；兩個(gè)隔板將所述箱體內(nèi)的區(qū)域由左至右分割為緩沖室、試樣室和儲水室，所述第一壓實(shí)黏土層、土樣層和第二壓實(shí)黏土層均設(shè)置于所述試樣室內(nèi)；在所述緩沖室和儲水室內(nèi)均填充有由礫石和粗砂兩者的混合物構(gòu)成的緩沖層；在所述兩個(gè)隔板的側(cè)壁分別設(shè)置有過濾篩網(wǎng)，所述過濾篩網(wǎng)為100目；在所述緩沖層上方還設(shè)置有255mm的黏土層，并在該黏土層上方還設(shè)置有50mm的瀝青層。優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括與所述溫度傳感器連接的溫度數(shù)據(jù)采集儀、與該溫度數(shù)據(jù)采集儀連接的計(jì)算機(jī)。優(yōu)選的，所述土樣層為由中砂構(gòu)成的砂層，所述土樣層的厚度為300mm～500mm，所述第一壓實(shí)黏土層的厚度為200mm～400mm;第二壓實(shí)黏土層的厚度為150mm～350mm；在所述第一壓實(shí)黏土層上方還設(shè)置有40mm～60mm的瀝青層。優(yōu)選的，設(shè)置于所述土樣層中的溫度傳感器分布于三個(gè)由上至下設(shè)置的平面上，分別為第一測溫面、第二測溫面和第三測溫面，且位于所述第一測溫面、第二測溫面和第三測溫面上的溫度傳感器分別通過柵格固定設(shè)置。本發(fā)明的有益效果在于：1.通過本裝置可用于模擬滲流條件下飽和砂土凍結(jié)壁的形成情況，實(shí)現(xiàn)在不同滲流速度、凍結(jié)溫度、凍結(jié)管間距等條件下，監(jiān)測飽和砂土中溫度場的發(fā)展情況，以此研究滲流條件下凍結(jié)壁的尺寸特征以及其溫度場的特征，同時(shí)對研究不同滲流條件及凍結(jié)條件對滲流條件下凍結(jié)壁形成的影響作用具有重要的意義，可為地下工程建設(shè)提供有力的理論基礎(chǔ)。2.通過本裝置可研究滲流凍結(jié)過程中土體溫度場的分布特征和變化規(guī)律，為數(shù)值模擬以及水熱耦合機(jī)理分析提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)可研究滲流條件下局部凍結(jié)砂土屏障的溫度場特征，即，通過改變進(jìn)入本裝置的鹽水溫度，可以達(dá)到改變凍結(jié)溫度的效果；而通過改變進(jìn)入本裝置的清水流量，可以達(dá)到改變滲流條件的效果。附圖說明圖1為本發(fā)明的主要結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中的箱體剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中的第一壓實(shí)黏土層、土樣層和第二壓實(shí)黏土層及其內(nèi)埋設(shè)的凍結(jié)管、溫度傳感器設(shè)置關(guān)系示意圖；圖4為本發(fā)明中的凍結(jié)管主要結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明中的箱體側(cè)視狀態(tài)之一主要結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明中的箱體側(cè)視狀態(tài)之二主要結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明中的第一測溫面上的溫度傳感器布設(shè)位置示意圖；圖8為本發(fā)明中的第二測溫面上的溫度傳感器布設(shè)位置示意圖；圖9為本發(fā)明中的第三測溫面上的溫度傳感器布設(shè)位置示意圖；圖中：H1.第一測溫面；H2.第二測溫面；H3.第三測溫面；L1、L2.主面測溫線；L3.界面測溫線；L4.凍結(jié)管列所在平面測溫線；1.水溫傳感器;2.電加熱棒;3.清水泵;4.旁通閥;5.控制閥;6.玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì);7.第一壓力表;8.箱體;9.清水進(jìn)水口;10.清水出水口;11.總進(jìn)液管的進(jìn)口端;12.總出液管的出口端;13.第二壓力表;14.恒溫水箱;15.鹽水制冷機(jī);16.鹽水泵;17.鹽水流量計(jì);18.鹽水壓力表;19.控溫器；101.箱體側(cè)壁;102、103.隔板;104、105.過濾篩網(wǎng);106、120.緩沖層;107.第一壓實(shí)黏土層;108.土樣層;109.第二壓實(shí)黏土層;110、111.黏土層；112、113.濾網(wǎng)；114、115、117、118.保溫層；116.瀝青層；200.凍結(jié)管；201.總出液管;202、208.聯(lián)結(jié)絲扣;204.柔性軟管;205.總進(jìn)液管;206.凍結(jié)管與總進(jìn)液管連接的聯(lián)結(jié)絲扣;207.柔性軟管與總出液管連接的聯(lián)結(jié)絲扣;301.溫度傳感器;302、303、304、305.第二測溫面上的溫度傳感器;306、307、308、309.第一測溫面上的溫度傳感器;310、311、312、313.第三測溫面上的溫度傳感器;401.加強(qiáng)肋板。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明：實(shí)施例：一種滲流凍結(jié)試驗(yàn)裝置，參見圖1至圖9；包括箱體8；在該箱體8內(nèi)由上至下依次設(shè)置有第一壓實(shí)黏土層107、土樣層108和第二壓實(shí)黏土層109，在所述箱體內(nèi)還設(shè)置有三根縱向設(shè)置的凍結(jié)管200，本設(shè)計(jì)在所述箱體8內(nèi)設(shè)置有間隔設(shè)置的兩個(gè)隔板102、103，兩個(gè)隔板102、103上均設(shè)置有若干個(gè)用于過水的通孔,兩個(gè)隔板102、103將所述箱體8內(nèi)的區(qū)域由左至右分割為緩沖室、試樣室和儲水室，以上所述的第一壓實(shí)黏土層107、土樣層108和第二壓實(shí)黏土層109均設(shè)置于所述試樣室內(nèi)；優(yōu)選的，本設(shè)計(jì)還在所述緩沖室和儲水室內(nèi)均填充有由礫石和粗砂兩者的混合物構(gòu)成的緩沖層106、120，緩沖層主要起到緩沖水流的作用，使得流過土樣層中的水流為均勻的層流。優(yōu)選的，本設(shè)計(jì)中以上所述的土樣層108為由中砂構(gòu)成的砂層，所述土樣層108的厚度為400mm，所述的第一壓實(shí)黏土層107的厚度為300mm;第二壓實(shí)黏土層的厚度為250mm；本設(shè)計(jì)還在所述第一壓實(shí)黏土層上方還設(shè)置有50mm的瀝青層；在所述緩沖層106、120上方還設(shè)置有255mm的黏土層，并在該黏土層上方還設(shè)置有50mm的瀝青層，以此起到阻水作用，本設(shè)計(jì)中的第一壓實(shí)黏土層107、第二壓實(shí)黏土層和瀝青層主要起到緩沖凍脹及阻水的作用。本設(shè)計(jì)中，所述的凍結(jié)管200至少縱向貫穿所述土樣層108設(shè)置，本設(shè)計(jì)還在所述箱體8的一端側(cè)壁上還設(shè)置有清水進(jìn)水口9，并在遠(yuǎn)離所述清水進(jìn)水口9的箱體側(cè)壁101上還設(shè)置有清水出水口10；所述清水進(jìn)水口9設(shè)置于所述第二壓實(shí)黏土層109所在區(qū)域的箱體側(cè)壁101上，所述清水出水口10設(shè)置于所述第一壓實(shí)黏土層107所在區(qū)域的箱體側(cè)壁100上；優(yōu)選的，本設(shè)計(jì)在所述清水進(jìn)水口的出水端和所述清水出水口的進(jìn)水端均設(shè)置有為200目的濾網(wǎng)，該濾網(wǎng)可以防止箱體內(nèi)的細(xì)顆粒物質(zhì)進(jìn)入管路中造成堵塞；還在所述兩個(gè)隔板102、103的側(cè)壁分別設(shè)置有過濾篩網(wǎng)104、105，所述的過濾篩網(wǎng)104、105為100目，起到分隔和過濾作用，優(yōu)選的，本設(shè)計(jì)還在所述箱體8的外壁還設(shè)置有加強(qiáng)肋板401，還包括用于將該箱體8上端開口蓋住的頂蓋。優(yōu)選的，本設(shè)計(jì)中的三根凍結(jié)管200平行設(shè)置于同一平面（在實(shí)際的應(yīng)用中，其凍結(jié)管的數(shù)目和布置形式可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改變，如可布置為直線形、環(huán)形、梅花形等形狀），且該三根凍結(jié)管200所在的平面與水流從清水進(jìn)水口9向清水出水口10前進(jìn)的方向垂直；根據(jù)地層凍結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，地層凍結(jié)管間距一般為凍結(jié)管直徑的6～10倍，本設(shè)計(jì)中的凍結(jié)管布置間距為110mm；進(jìn)一步的，本設(shè)計(jì)還在所述第一壓實(shí)黏土層107內(nèi)設(shè)置有橫向設(shè)置的總出液管201，并在所述第二壓實(shí)黏土層109內(nèi)設(shè)置有總進(jìn)液管205，所述的凍結(jié)管200的上端通過柔性軟管204與所述總出液管201連通，所述的凍結(jié)管200的下端與所述總進(jìn)液管205連通，本設(shè)計(jì)中的凍結(jié)管可以從箱體中拆下，以此可以達(dá)到改變凍結(jié)管間距的效果；同時(shí)，在位于所述第一壓實(shí)黏土層107和第二壓實(shí)黏土層109內(nèi)的凍結(jié)管200的管壁上還包裹有保溫層。進(jìn)一步的，本設(shè)計(jì)它還包括用于向凍結(jié)管200輸入冷卻液的循環(huán)制冷機(jī)構(gòu)，所述的冷卻液為鹽水；所述的循環(huán)制冷機(jī)構(gòu)包括鹽水制冷機(jī)15、與該鹽水制冷機(jī)15的鹽水出液口連通的鹽水泵16，所述鹽水泵16依次通過鹽水流量計(jì)17、鹽水壓力表18與所述總進(jìn)液管的進(jìn)口端11連通，所述總出液管的出口端12與所述鹽水制冷機(jī)15的鹽水進(jìn)液口連通；通過該循環(huán)制冷機(jī)構(gòu)可降低凍結(jié)管周圍土體的溫度，達(dá)到凍結(jié)土體的目的；優(yōu)選的，還包括恒溫水循環(huán)機(jī)構(gòu)，所述的恒溫水循環(huán)機(jī)構(gòu)包括恒溫水箱14、與該恒溫水箱14的出口連通的清水泵3、與該清水泵3的出口連通的控制閥5、旁通閥4，所述的控制閥5依次通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)6、第一壓力表7與所述箱體8上的清水進(jìn)水口9連通，所述旁通閥4通過管路還與所述恒溫水箱14連通；所述箱體8上的清水出水口通過第二壓力表13與所述恒溫水箱14的進(jìn)口連通；本設(shè)計(jì)中的所述恒溫水箱14包括盛有清水的清水箱體、設(shè)置于該清水箱體內(nèi)的電加熱棒2、水溫傳感器1，還包括與所述電加熱棒2和水溫傳感器1連接的控溫器19。進(jìn)一步的，本設(shè)計(jì)還在所述土樣層108內(nèi)還設(shè)置有若干個(gè)溫度傳感器301；設(shè)置于所述土樣層108中的溫度傳感器301分布于三個(gè)由上至下設(shè)置的平面上，分別為第一測溫面H1、第二測溫面H2和第三測溫面H3，其中,第一測溫面H1距離土樣層底面300mm，第二測溫面H2距離土樣層底面200mm，第三測溫面H3距離土樣層底面100mm，且位于所述第一測溫面H1、第二測溫面H2和第三測溫面H3上的溫度傳感器分別通過柵格固定設(shè)置，其柵格固定設(shè)置方法為：首先，將溫度傳感器固定在直徑1mm鐵絲制成的柵格上；然后，將柵格鋪設(shè)在土樣層中的預(yù)定高度；第三，整理溫度傳感器的連接線，將其分股收攏，從箱體邊緣進(jìn)入壓實(shí)黏土層；第四，在壓實(shí)黏土層中將分股收攏的連接線整合成一股，并用石蠟做防水處理；最后，將其穿過箱體頂蓋上預(yù)留的法蘭盤，連接到溫度采集儀上即可；具體的，在所述第一測溫面H1上間隔設(shè)置有18個(gè)溫度傳感器，可參見圖7；在所述第二測溫面H2上間隔設(shè)置有65個(gè)溫度傳感器，可參見圖8；在所述第三測溫面H3上間隔設(shè)置有22個(gè)溫度傳感器，可參見圖9，圖中，L1、L2是主面測溫線，L3是界面測溫線，L是凍結(jié)管軸面所在平面測溫線；由圖可知，本設(shè)計(jì)采用的是變間距布設(shè)溫度傳感器的方式，采用變間距布設(shè)溫度傳感器的方式，既可以很好的監(jiān)測重點(diǎn)位置溫度場發(fā)展的情況，又可避免溫度傳感器布置過多對試樣造成過大擾動；而通過柵格固定布置傳感器，可有效的降低溫度傳感器對試樣的影響，使得試驗(yàn)中試樣更為均一；優(yōu)選的，本設(shè)計(jì)它還包括用于采集所述溫度傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)采集模塊，所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括與所述溫度傳感器連接的溫度數(shù)據(jù)采集儀、與該溫度數(shù)據(jù)采集儀連接的計(jì)算機(jī)。本實(shí)施例的滲流凍結(jié)試驗(yàn)裝置進(jìn)行的部分滲流凍結(jié)試驗(yàn)所得到的結(jié)論如下：下表為本實(shí)施中的土樣層所用到的中砂的物理參數(shù)：表1試樣主要物理參數(shù)土體名稱孔隙率（%）含水率（%）干密度ρd（Kg/m3）導(dǎo)熱系數(shù)λ（W/(m·K)）質(zhì)量比熱容c（J/(Kg.℃)）徐州中砂39291.34×1031.412.36×103通過本次實(shí)施例的裝置進(jìn)行的滲流凍結(jié)試驗(yàn)是在深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展，共進(jìn)行4組試驗(yàn)，在相同凍結(jié)管間距下，進(jìn)行不同滲流速度下砂土屏障溫度場的研究，以研究滲流作用對砂土凍結(jié)壁溫度場的影響，實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果可見表2。表2滲流條件下局部凍結(jié)砂土屏障模型試驗(yàn)的結(jié)果表3凍結(jié)過程中平均降溫速率上表3列出了不同試驗(yàn)條件下不同測點(diǎn)位置處的平均降溫速率，對比不同試驗(yàn)條件下的降溫速率可以發(fā)現(xiàn)，由上表3可知，隨著滲流速度的增大，測點(diǎn)的平均降溫速率呈減小趨勢，在無滲流條件下時(shí)，測溫點(diǎn)平均降溫速率約為4.35oC/h；在滲流速度7.5m/d條件下時(shí)，測溫點(diǎn)平均降溫速率約為3.96oC/h；而滲流速度15m/d條件下時(shí)，測溫點(diǎn)平均降溫速率約為1.72oC/h。而對比凍結(jié)管上下游測溫點(diǎn)的平均降溫速率可以看出，在有滲流條件下，屏障下游測點(diǎn)的平均變溫速率大于上有測點(diǎn)，且滲流速度越快，這種情況越明顯；而無滲流條件下，屏障上下游測溫點(diǎn)變溫速率大小沒有明顯關(guān)系。通過本裝置進(jìn)行的多次的實(shí)驗(yàn)分析可得出以下結(jié)論：（1）在滲流作用的影響下，水流帶來大量熱量，導(dǎo)致溫度場分布不再對稱，上游溫度明顯高于下游，隨著滲流速度加大，這種不對稱性也愈加明顯，界面溫度分布的不對稱性大于主面，凍結(jié)壁截面形狀類似于心形。（2）在滲流作用的影響下，土體溫度下降速率隨流速增加逐漸降低，達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間逐漸變長。無滲流條件下，測溫點(diǎn)平均降溫速率約為4.35oC/h；滲流速度7.5m/d條件下，測溫點(diǎn)平均降溫速率約為3.96oC/h；滲流速度15m/d條件下，測溫點(diǎn)平均降溫速率約為1.72oC/h。說明滲流條件對凍結(jié)壁的發(fā)展影響十分顯著，特別是滲流速度較大的條件下，凍結(jié)壁的發(fā)展受到了極大的阻礙，在工程中對于滲流速度的估計(jì)要特別慎重。（3）滲流速度15m/d條件下，凍結(jié)壁穩(wěn)定厚度最大約為60mm，僅為無滲流條件下、滲流速度7.5m/d條件下的40%、60%，最小厚度只有20mm，只有無滲流條件下、滲流速度7.5m/d條件下的20%、40%，可見滲流對凍結(jié)壁外側(cè)的侵蝕非常顯著，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測屏障邊緣厚度，保證施工安全。最后指出的是，本發(fā)明的實(shí)施例公布的是較佳的實(shí)施例，但并不局限于此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，極易根據(jù)上述實(shí)施例，領(lǐng)會本發(fā)明的精神，并做出不同的引申和變化，但只要不脫離本發(fā)明的精神，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3