大型多功能人工冻结平台的制作方法

本发明涉及模型试验和人工冻土工程，具体说是通过模型试验方法将现场原型上的基本物理力学现象(冻结壁温度场、应力场、水分场变化规律及相互影响关系)，按照一定几何缩比进行设计，在模拟同等的边界条件下进行室内试验(在室内进行人工多线圈管冻结壁水、热、力耦合模型试验)。

背景技术：

模型试验方法是将体现在现场原型上的基本物理力学现象，按一定几何缩比进行设计，在模拟同等的边界条件下进行室内试验。以尽可能小的人力、物力、财力条件下，从本质掌握现场实际物理、力学现象。

冻土即温度低于0℃的土或岩石。冰作为胶结材料，将相邻土颗粒或岩块体胶结连接而结构体的强度增大，同时降低其透水性，所以在冻土工程中，能够利用的冻土有利特性包括其稳定性、高强度、隔水性等，但利用冻结法的工程往往困难程度高，工程造价昂贵。

技术实现要素：

因为冻结法施工造价高，所以，为了在较低成本的情况下，研究冻结过程中温度场、应力场、水分场变化规律，以及相互影响关系，需要进行模型试验来模拟实际工程情况。为了解决上述问题，本发明提出大型多功能人工冻结平台。

为了实现上述目的，解决方案如下：

大型多功能人工冻结平台：

A.制冷系统：包括箱体、室外冷凝机组、外循环管路。可以实现以下功能：在箱体内实现通过压缩制冷剂(如：氟利昂)将冷媒剂(如：酒精)降低(或升高)到指定温度并保持恒温，通过控制系统使冷媒剂进入外循环系统，在外部的循环管路中进行外循环，当冷媒剂循环经过插在土体中的冻结管时，达到降低土体温度的目的。

(1)箱体：箱体应可以实现以下功能。①实现制冷功能。通过压缩制冷剂(如：氟利昂)将冷媒剂(如：酒精)降低(或升高)到指定温度并保持恒温，通过控制系统使降温后的冷媒剂，进入箱体外的管路。冷媒剂流经插在土体内的冻结管(其中冻结管应由导热系数较大的金属材料制成)，依据热传导原理，达到降低土体温度的目的，再由外循环管路流回箱体内部，重新进行降温。②可以对制冷温度以及冷媒剂(如：酒精)的循环进行调节与控制。

(2)室外冷凝机组:箱体内部在压缩制冷剂降温的过程中，会产生热量，这些热量通过冷凝机组排放到室外。

(3)外循环管路：冷媒剂在箱体内降温后，通过循环动力系统进入外循环管路中的去路酒精干路，冷媒剂再流入各支路中，之后需要流入与各支路相连的插在土中的金属冻结管，再由各回路支路流入回路酒精干路。其中金属冻结管的构造是上端开口，下端封闭的空心圆柱形金属管。

B.模型试验采集系统：由计算机、温度采集原件、压力采集原件、水分采集原件组成。可以实现以下功能：能够通过计算机实时对土体温度、水分、内部应力进行监测、收集。

(1)温度采集原件：土体温度变化是试验的基础和关键，因此对温度采集要求较高。要求温度传感器能够在低温条件下工作，温度采集仪要求测量精度达到±0.5℃。

(2)压力采集原件：为了测量在土体冻结过程中引起的内部冻胀力，需要在土体中埋置微型压力盒，选用电阻应变式传感器。电阻应变式传感器工作原理：土压力作用在传感器的弹性膜上，使得膜产生变形，粘贴在弹性膜内表面的电阻应变片的阻值发生变化，从应变仪上得到膜受力后产生的应变值，再根据试验前标定的“压力-应变”曲线换算得到土压力值。

(3)水分采集原件：土体冻结过程，将引起土体内部水分的迁移，水分迁移的同时引起土体内部压力的变化。可选用以能量脉冲为基本原理的水分传感器，通过测量一定体积土体中含水量的变化引起的电压变化，再通过建立二者的函数关系，换算得出土体含水量的变化，来实现对水分变化数据的采集、监测。

(4)计算机：安装冻结模型试验监测监控系统，能够通过计算机实时对监测数据进行采集保存。该系统界面由试验控制界面、温度数据采集界面、水分数据采集界面以及冻结应力数据采集界面构成。

C.试验平台：模型试验平台由直径3.0m，深度1.8m的圆柱形基坑和距离平台顶端1.5m的反力架组成。

(1)基坑：为搭建试验模型提供空间。

(2)反力架：为外循环管路(配液圈和集液圈)提供支撑。当需要测量冻土承载力时，还可在反力架下部安装千斤顶等装置。

本发明的有益技术效果体现在：

1、在实际进行冻结施工前，可通过本发明在室内进行相似模型试验，为实际施工提供设计参数及经验，为实际工程节约大量成本。

2、冻结施工成本较高，所以科研人员想要对冻结施工中土体的各种物理、力学性质进行研究时，往往会受到成本的限制，无法展开大量研究。本发明可以在较小成本的前提下，对实际工程进行模拟，使研究人员的研究不会受到资金、时间和地点等因素的限制，方便研究。

附图说明：

下面结合附图，通过实施例对本发明进一步地说明。

图1是箱体、室外冷凝机组和外循环管路的连接图。其中图1中1为配液圈，2为回液管，3为供液管，4为集液圈，5为冻结管，6为被冻结的土体，7为去路酒精干路，8为回路酒精干路，9为箱体，10和11为箱体和冷凝机组的连接管，12为冷凝机组。图1中1配液圈，2回液管，3供液管，4集液圈，5冻结管，7去路酒精干路，8回路酒精干路，以上部分构成外循环管路。

图2是试验平台的示意图。图2中13为反力架，14为室内地面，15为基坑，16为基坑内壁。

具体实施方式：

实施实例1：

研究人工冻结条件下土体冻结及融化过程各物理量变化规律

第一步：物理模型设计

确定土壤类型(如黏土、粉土等)。依照相似模型理论求得几何缩比、温度缩比、时间缩比，从而确定模型的几何尺寸，冻结管圈如何分布，冻结温度以及冻结时间。确定温度采集原件、应力采集原件、水分采集原件的布置位置。

第二步：模型搭建

首先，按照设计要求，在15基坑内部填土，搭建土体模型，并于搭建模型的过程中，在土体中的指定位置埋置温度采集原件、应力采集原件和水分采集原件。土体模型搭建完成后，开始布置冻结管路。其中1配液圈和2集液圈放置于13反力架上方，冻结管通过3供液管和2回液管与1配液圈和2集液圈相连。按照设计布置图，在土体模型的指定位置埋入5冻结管。在冻结管埋置完成后，将预先留出的试验采集原件的连接线同数据采集仪器相连。

第三步：试验实施

试验模型搭建完成后，启动制冷系统，开始模型试验，进行冻结过程温度采集。按照试验设计的冻结时间，当冻结过程达到指定时间后，应停止制冷装置，并在设计的融化温度下，对土体进行解冻，在融化过程中，任然要对土体进行各物理量的监测，土体完全融化后，试验结束。

第四步：数据处理及分析

试验结束后，将得到冻结各个过程中的物理量。对试验结果进行处理分析，研究变化规律。

实施实例2：往复荷载下冻土地基承载力研究

第一步：物理模型设计

确定土壤类型(如黏土、粉土等)。依照相似模型理论求得几何缩比、温度缩比、时间缩比，从而确定模型的几何尺寸，冻结管圈如何分布，冻结温度以及冻结时间。确定温度采集原件、应力采集原件以及荷载施加装置的布置位置。

第二步：模型搭建

按照设计要求，在15基坑内部填土，搭建土体模型，并于搭建模型的过程中，在土体中的指定位置埋置温度采集原件、应力采集原件、应变采集原件。土体模型搭建完成后，开始布置冻结管路。其中1配液圈和2集液圈放置于反力架上方，冻结管通过3供液管和2回液管与1配液圈和2集液圈相连。按照设计布置图，在土体模型的指定位置埋入5冻结管，并在13反力架下方安装千斤顶作为试验的加载装置。在冻结管埋置完成后，将预先留出的试验采集原件的连接线同数据采集仪器相连。

第三步：试验实施

试验模型搭建完成后，启动制冷系统，开始模型试验，进行冻结过程温度采集。当土体的温度达到指定温度后，保持其温度稳定，按照设计的加载方式，开始对冻结土体施加往复周期性加载，并对加载过程中的土中应力和土体应变数据进行采集。

第四步：数据处理及分析

对试验结果进行处理分析。