本發(fā)明屬于普通高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置領(lǐng)域，涉及一種透明土的井筒凍結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置，本發(fā)明適用于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)研究和理論教學(xué)等方面。

背景技術(shù)：

松散地層人工凍結(jié)法是采用人工制冷技術(shù)，將低溫冷媒劑送入地層，將地層中的水凍結(jié)成冰，形成粘聚力大、強(qiáng)度高、壓縮性低、隔水性好的凍土體。凍土體作為一種臨時(shí)的承載和隔水結(jié)構(gòu)，可以保證地下工程的順利施工。人工土凍結(jié)的應(yīng)用開始于上個(gè)世紀(jì)。在此后的一個(gè)多世紀(jì)里，人工土凍結(jié)法在許多國家的煤礦、隧道、地鐵和建筑基礎(chǔ)等領(lǐng)域中得到不斷應(yīng)用和發(fā)展。

我國于1955年首次將凍結(jié)技術(shù)應(yīng)用于礦井建設(shè)中,并取得了成功，目前已成為立井井筒穿過松散含水地層最常用的方法之一。隨著近年來地下工程的迅速發(fā)展,凍結(jié)加固技術(shù)因?yàn)槠浞浪Ч?對(duì)周圍環(huán)境影響小，無污染等特點(diǎn)，而越來越多的被應(yīng)用于城市地鐵建設(shè)中的旁通道施工、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)出洞施工、橋墩基礎(chǔ)施工、地下商場施工、城市地下管廊施工等工程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題是目前對(duì)于凍結(jié)孔布置、凍結(jié)壁擴(kuò)展情況、凍結(jié)壁溫度場、位移場的變化等都無法直觀的看到，實(shí)際操作中也只能通過溫度的變化及技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)來判斷，因此，在給學(xué)生或剛接觸到凍結(jié)法施工的技術(shù)人員來講這些知識(shí)的時(shí)候，很難有一個(gè)空間的概念和直觀的認(rèn)識(shí)。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于透明土的井筒凍結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置，由實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及設(shè)置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的數(shù)碼攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)箱組成，所述數(shù)碼攝像機(jī)設(shè)置在實(shí)驗(yàn)箱相鄰兩側(cè)壁的外側(cè)且數(shù)碼攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)通過電纜相連，所述計(jì)算機(jī)也與設(shè)置在實(shí)驗(yàn)箱上的溫度傳感器組和位移傳感器組通過電纜相連；所述實(shí)驗(yàn)箱為透明有機(jī)玻璃箱體并且內(nèi)部裝滿密實(shí)度為60%的透明土，透明土內(nèi)垂直插入凍結(jié)管，凍結(jié)管在平面上呈圓形布置，每個(gè)凍結(jié)管通過兩根塑料軟管分別和供液圈和集液圈相連接，所述供液圈和集液圈均為一端開口一端封口的環(huán)形管道結(jié)構(gòu)，供液圈的開口端與去路鹽水干管連接，集液圈的開口端與回路鹽水干管連接，所述去路鹽水干管與鹽水泵連接，鹽水泵和鹽水箱下部連接，所述回路鹽水干管與鹽水箱上部連接，從而形成鹽水循環(huán)系統(tǒng)；所述位移傳感器分別設(shè)置在實(shí)驗(yàn)箱四個(gè)側(cè)面外部的中心位置，用于監(jiān)測箱體的形變，所述溫度傳感器設(shè)置在測溫管內(nèi)且每個(gè)測溫管內(nèi)從低到高放置3～5個(gè)溫度傳感器，所述測溫管插入到透明土內(nèi)部且等距排列。

進(jìn)一步，所述透明土為熔融石英砂與蔗糖溶液制配而成的，其密實(shí)度為60%，所述石英砂的粒徑為0.075～4.0mm。

進(jìn)一步，所述測溫管為直徑10mm的下端封閉的鋼管，所述測溫管從所述凍結(jié)管布置所成圓形的圓心開始沿著圓的半徑方向等距排列設(shè)置，測溫管的數(shù)量為3～5個(gè)，溫度傳感器通過電纜連接到計(jì)算機(jī)上，可對(duì)管內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，得出溫度變化曲線。

進(jìn)一步，所述凍結(jié)管的數(shù)量為8～16個(gè)，凍結(jié)管兩端密閉且頂部設(shè)置2個(gè)接頭，第一接頭連通凍結(jié)管內(nèi)部的供液管，第二接頭連通凍結(jié)管，所述供液管伸入凍結(jié)管底部并通過第一接頭、第一塑料軟管和供液圈連接，所述凍結(jié)管通過第二接頭、第二塑料軟管和集液圈連接，所述第一塑料軟管和供液圈連接處、第二塑料軟管和集液圈連接處均設(shè)置有閥門。

一種基于透明土的井筒凍結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置的安裝方法，按如下步驟進(jìn)行：

（s1）制作透明土：篩選粒徑為0.075～4.0mm的熔融石英砂，與蔗糖溶液一起配制成密實(shí)度為60%的透明土，放進(jìn)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部；

（s2）安設(shè)凍結(jié)管：將供液管放入凍結(jié)管，并在凍結(jié)管上端安設(shè)第一接頭和第二接頭，其中第一接頭和供液管連接；將8～16個(gè)凍結(jié)管垂直箱體平面插入透明土中，凍結(jié)管在平面的中心成圓形布置；

（s3）設(shè)置供液圈和集液圈：將直徑為25mmppr管作為供液圈和集液圈，供液圈和集液圈彎成圓形，其直徑和凍結(jié)管形成的圓形直徑相匹配，供液圈和集液圈下部分別開設(shè)和凍結(jié)管數(shù)量一致的孔，分別安設(shè)閥門，閥門分別與第一塑料軟管和第二塑料軟管相連接，第一塑料軟的另一端與第一接頭連接，第二塑料軟管的另一端與第二接頭連接；

（s4）設(shè)置鹽水循環(huán)系統(tǒng)：供液圈通過去路鹽水干管與鹽水泵連接，集液圈通過回路鹽水干管與鹽水箱連接，鹽水泵與鹽水箱直接有管路相連，從而形成鹽水箱-鹽水泵-去路鹽水干管-供液圈-供液管-凍結(jié)管-集液圈-回路鹽水干管-鹽水箱的循壞回路；

（s5）設(shè)置溫度傳感器：在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)從圓心開始沿圓的半徑布置3～5個(gè)10mm的鋼管作為測溫管，測溫管垂直插入透明土內(nèi)，將3～5個(gè)溫度傳感器均勻布置在測溫管內(nèi)不同深度，并將傳感器通過電纜連接到計(jì)算機(jī)上，可通過計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測管內(nèi)溫度；

（s6）設(shè)置位移傳感器：在實(shí)驗(yàn)箱四個(gè)側(cè)面放置4個(gè)位移傳感器，位移傳感器通過電纜與計(jì)算機(jī)連接，可通過計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測箱體的變形量；

（s7）設(shè)置數(shù)碼攝像機(jī)：在試驗(yàn)箱體的正面和側(cè)面呈90度各安設(shè)一臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)，可對(duì)透明土的凍結(jié)擴(kuò)展情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果是：通過透明土能夠更直觀的看到凍結(jié)時(shí)土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化，對(duì)凍結(jié)孔布置、凍結(jié)壁擴(kuò)展情況、凍結(jié)壁溫度場、位移場的變化等都能夠直觀的觀測到，利用鹽水循環(huán)回路的冷凍作用使得實(shí)驗(yàn)裝置簡便，并且使得實(shí)驗(yàn)過程連續(xù)；在給學(xué)生或剛接觸到凍結(jié)法施工的技術(shù)人員來講這些知識(shí)的時(shí)候，空間概念就很容易能夠理解，并且通過計(jì)算機(jī)監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠更明確的了解凍結(jié)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律。

附圖說明

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖。

圖2為本發(fā)明中實(shí)驗(yàn)箱剖面示意圖。

圖3為本發(fā)明中鹽水循環(huán)系統(tǒng)的工作示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

如圖1和圖2所示，一種基于透明土的井筒凍結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置，由實(shí)驗(yàn)臺(tái)1以及設(shè)置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的數(shù)碼攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)4和實(shí)驗(yàn)箱2組成，所述數(shù)碼攝像機(jī)有兩臺(tái)，即第一數(shù)碼攝像機(jī)3和第二數(shù)碼攝像機(jī)5，它們分別設(shè)置在實(shí)驗(yàn)箱2相鄰兩側(cè)壁的外側(cè)且兩臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)均與計(jì)算機(jī)4通過電纜相連，所述計(jì)算機(jī)4還與設(shè)置在實(shí)驗(yàn)箱上的溫度傳感器9和位移傳感器6通過電纜相連。

所述實(shí)驗(yàn)箱2為透明有機(jī)玻璃箱體并且內(nèi)部裝滿密實(shí)度為60%的透明土，有機(jī)玻璃厚度為15mm，箱體的尺寸為1.5m×1.5m×1.0m，所述透明土為熔融石英砂與蔗糖溶液制配而成的，其中的石英砂粒徑為0.075～4.0mm；所述實(shí)驗(yàn)箱2內(nèi)部的透明土布置有由八個(gè)凍結(jié)管11圍繞形成的圓形中心圈，每個(gè)凍結(jié)管通過第一接頭10、第一塑料軟管19和供液圈15連接，通過第二接頭12、第二塑料軟管20和集液圈14相連接，所述供液圈15和集液圈14均為一端開口一端封口的環(huán)形管道結(jié)構(gòu)，且環(huán)形管道為直徑25mm的ppr管，所述供液圈15的開口端與去路鹽水干管17連接，所述集液圈14的開口端與回路鹽水干管16連接，所述去路鹽水干干管17與鹽水泵7連接，所述回路鹽水干管16與鹽水箱8上部通過管路18連接，從而形成鹽水循環(huán)系統(tǒng)。

所述凍結(jié)管密閉且頂部安設(shè)有第一接頭10和第二接頭12，所述第一接頭10連通內(nèi)部供液管13，第二接頭12連通凍結(jié)管11，所述供液管13伸入凍結(jié)管底部并通過第一接頭10、第一塑料軟管19和供液圈15連接，所述凍結(jié)管11通過第二接頭12、第二塑料軟管20和集液圈14連接，所述第一塑料軟管和供液圈連接處、第二塑料軟管和集液圈連接處均設(shè)置有閥門，所述供液管13、第一塑料軟管19、第二塑料軟管20均為直徑6mm的塑料軟管。

所述位移傳感器的數(shù)量為四個(gè)，且通過電纜連接到計(jì)算機(jī)4上，這四個(gè)位移傳感器分別設(shè)置在實(shí)驗(yàn)箱四個(gè)側(cè)面外部的中心位置，用于監(jiān)測箱體的形變；所述溫度傳感器9放置在測溫管內(nèi)且通過電纜連接到計(jì)算機(jī)4上，所述測溫管為直徑10mm的下端封閉的鋼管，每個(gè)測溫管內(nèi)設(shè)置4個(gè)溫度傳感器且這4個(gè)溫度傳感器設(shè)置的高度不同，所述測溫管從所述凍結(jié)管形成的圓形中心圈的圓心開始沿著圓的半徑方向排列插入到透明土內(nèi)部，測溫管的數(shù)量按需求設(shè)置為5個(gè)且等距排列，起始的測溫管位于圓形中心圈的圓心，終端的測溫管位于圓形中心圈的外側(cè)。

一種基于透明土的井筒凍結(jié)實(shí)驗(yàn)裝置的安裝方法，按如下步驟進(jìn)行，從而形成如上所述的實(shí)驗(yàn)裝置：

（s1）制作透明土：篩選粒徑為0.075～4.0mm的熔融石英砂，與蔗糖溶液一起配制成密實(shí)度為60%的透明土，放進(jìn)實(shí)驗(yàn)箱2內(nèi)部；

（s2）安設(shè)凍結(jié)管：將供液管13放入凍結(jié)管11，并在凍結(jié)管11上端安設(shè)第一接頭10和第二接頭12，其中第一接頭10和供液管13連接；將八個(gè)凍結(jié)管垂直箱體平面插入透明土中，凍結(jié)管在平面的中心成圓形布置；

（s3）設(shè)置供液圈和集液圈：將直徑為25mmppr管作為供液圈和集液圈，供液圈15和集液圈14彎成圓形，其直徑和凍結(jié)管形成的圓形直徑相匹配，供液圈和集液圈下部分別開設(shè)和凍結(jié)管數(shù)量一致的孔，分別安設(shè)閥門，閥門分別與第一塑料軟管19和第二塑料軟管20連接，第一塑料軟的另一端與第一接頭連接10，第二塑料軟管的另一端與第二接頭12連接；

（s4）設(shè)置鹽水循環(huán)系統(tǒng)：供液圈15通過去路鹽水干管17與鹽水泵7連接，集液圈14通過回路鹽水干管16與鹽水箱8連接，鹽水泵7與鹽水箱8直接有管路18相連，從而形成鹽水箱-鹽水泵-去路鹽水干管-供液圈-供液管-凍結(jié)管-集液圈-回路鹽水干管-鹽水箱的循壞回路；

（s5）設(shè)置溫度傳感器：在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)從圓心開始沿圓的半徑布置5個(gè)10mm的鋼管作為測溫管，測溫管垂直插入透明土內(nèi)，將4個(gè)溫度傳感器均勻布置在測溫管內(nèi)不同深度，并將傳感器通過電纜連接到計(jì)算機(jī)上，通過計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測管內(nèi)溫度；

（s6）設(shè)置位移傳感器：在實(shí)驗(yàn)箱四個(gè)側(cè)面放置4個(gè)位移傳感器，位移傳感器通過電纜與計(jì)算機(jī)連接，通過計(jì)算機(jī)在線監(jiān)測箱體的變形量；

（s7）設(shè)置數(shù)碼攝像機(jī)：在試驗(yàn)箱體的正面和側(cè)面呈90度各安設(shè)一臺(tái)數(shù)碼攝像機(jī)，對(duì)透明土的凍結(jié)擴(kuò)展情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

本發(fā)明的工作原理是通過鹽水循環(huán)回路的提供溫度為-25℃～-32℃的鹽水，使得插入透明土內(nèi)部的凍結(jié)管作為冷凍源，對(duì)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的透明土進(jìn)行凍結(jié)，透明土內(nèi)設(shè)置的測溫管內(nèi)的溫度傳感器監(jiān)測不同深度溫度變化，傳感器通過電纜連接到計(jì)算機(jī)上，可對(duì)管內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，得出溫度變化曲線，實(shí)驗(yàn)箱側(cè)壁上的位移傳感器測量凍結(jié)時(shí)實(shí)驗(yàn)箱體的變形量；當(dāng)?shù)蜏佧}水在凍結(jié)管內(nèi)開始循環(huán)時(shí)，靠近凍結(jié)管的透明土開始降溫，溫度降到冰點(diǎn)以下時(shí)，蔗糖水溶液開始結(jié)冰，靠近凍結(jié)管的透明土?xí)纬梢粋€(gè)圓柱形的冰凍體，隨著溫度進(jìn)一步降低，冰凍體直徑逐漸擴(kuò)展，當(dāng)鄰近兩個(gè)圓柱形的冰凍體交匯到一起時(shí)，稱之為“凍結(jié)壁交圈”。在凍結(jié)壁擴(kuò)展過程中，透明土體積膨脹，導(dǎo)致有機(jī)玻璃箱體產(chǎn)生膨脹，在玻璃箱體四個(gè)側(cè)面中心位置布置四個(gè)位移傳感器，來在線監(jiān)測箱體變形量，計(jì)算出透明土的體積變化，最后算出透明土在不同溫度下的凍漲率。

本項(xiàng)發(fā)明的保護(hù)范圍不限于說明書上的內(nèi)容，凡是與上述實(shí)施結(jié)構(gòu)相同，或者依據(jù)本發(fā)明技術(shù)原理所作的技術(shù)變形，均屬于本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。