冻土侵蚀模拟试验装置及其试验方法与流程

1.本发明涉及岩土工程试验技术领域，特指一种冻土侵蚀模拟试验装置及其试验方法。


背景技术：

2.人工地层冻结法(以下简称“冻结法”)是一种有显著止水效果的地层加固技术，越来越广泛地应用于城市地下工程施工中。然而，冻结法在不断的工程实践中也发生过一些事故或险情，轻则延缓工程进度、重则造成较大人员伤亡和财产损失。对人工冻结工程灾害过程的研究表明，灾害的发生与地下水对冻土的侵蚀作用密切相关。由于先天地层原因(如存有空洞、裂隙)或是人为原因(如冻结参数选取不合理、冻结管施工不到位或是保温不到位等)在冻土帷幕的某个局部，尤其是冻土与结构交界面处，存在冻结薄弱区，该处冻土平均温度较高，强度偏低，渗透性较强，若有地下水流作用于此处则随着时间的推移就有可能使薄弱区逐渐成为完整的渗透通道，当开挖施工出现临空面时即发生涌水破坏。目前现有对冻结法涌水灾害的研究多是工程经验的总结，缺乏系统性的定量研究。
3.目前针对冻土形成后水流对其侵蚀过程的模拟研究较少，更是缺乏相应的试验装置和方法。因此亟需开发一套能够模拟水流对冻土侵蚀作用的试验装置以观测经水流侵蚀后冻土的变化情况。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种冻土侵蚀模拟试验装置及其试验方法，以解决现有技术中缺乏模拟水流侵蚀冻土的试验装置的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种冻土侵蚀模拟试验装置，包括：
6.呈封闭状的试验容器，第一侧设有进水口，第二侧设有出水口，所述进水口的高度大于所述出水口的高度；
7.与所述进水口连通的供水组件，通过所述供水组件向所述试验容器内输送水；
8.可拆卸且间隔地设于所述试验容器内的两个隔板，设有贯穿所述隔板的穿孔，通过两个所述隔板将所述试验容器分隔成位于所述试验容器第一侧和其中一隔板之间的进水空间、位于两个所述隔板之间的试验空间以及位于所述试验容器第二侧和另一隔板之间的出水空间，所述进水空间和所述试验空间以及所述出水空间通过所述穿孔相连通；
9.填充于所述试验空间内的冻土，内自一隔板处向另一隔板处设有贯穿所述冻土的试验孔；以及
10.埋固于所述试验孔周围的冻土内的测温组件，供检测所述试验孔周围的冻土的温度。
11.本发明通过在试验容器内设置隔板以将试验容器分隔成相互连通的进水空间和试验空间以及出水空间，试验空间内填充有冻土，进水口和出水口的高度差是为了产生水压以模拟水压对冻土的侵蚀作用，供水组件通过进水口向进水空间内通水，水经过穿孔渗
透入试验空间的冻土内，再经过穿孔流入出水空间并通过出水口排出，通过不断地进水和出水以冲刷冻土，在水流的冲刷下试验孔周围的冻土会被侵蚀，通过测温组件采集试验孔周围的冻土的温度，并计算所采集位置的初始温度和当前温度的温差值；将温差值与设定值进行比较，若温差值大于设定值，则该温度对应的冻土的位置被水流侵蚀，从而能够检测出经水流侵蚀后冻土的变化情况。
12.本发明冻土侵蚀模拟试验装置的进一步改进在于，所述测温组件包括位于所述试验容器外的多路温度测试仪、与所述多路温度测试仪连接的若干根导线；
13.所述导线远离所述多路温度测试仪的一端形成有测温端，所述测温端伸入所述试验容器内且埋固于所述试验孔周围的冻土内，相邻两个所述测温端间隔设置。
14.本发明冻土侵蚀模拟试验装置的进一步改进在于，还包括埋固于所述试验孔周围的冻土内的测温探针，所述导线为至少两组，每组所述导线的测温端沿所述测温探针的长度方向间隔地设于所述测温探针上。
15.本发明冻土侵蚀模拟试验装置的进一步改进在于，所述测温探针沿所述试验孔的径向方向设置。
16.本发明冻土侵蚀模拟试验装置的进一步改进在于，所述测温探针沿所述试验孔的长度方向间隔设置。
17.本发明冻土侵蚀模拟试验装置的进一步改进在于，所述试验容器呈竖向设置，所述进水口位于所述试验容器的顶部，所述出水口位于所述试验容器的底部。
18.本发明冻土侵蚀模拟试验装置的进一步改进在于，还包括与所述进水口连通的进水管、与所述进水管连通的供水箱以及安装于所述进水管上的驱动泵。
19.本发明冻土侵蚀模拟试验装置的进一步改进在于，还包括安装于所述进水管上的第一控制阀门。
20.本发明冻土侵蚀模拟试验装置的进一步改进在于，还包括与所述出水口连通的出水管以及与所述出水管连通的蓄水箱。
21.本发明还提供了一种利用如上述的冻土侵蚀模拟试验装置的试验方法，包括如下步骤：
22.通过所述供水组件向所述试验容器内输送水；
23.启动所述测温组件，通过所述测温组件采集所述试验孔周围的冻土的温度，并计算所采集位置的初始温度和当前温度的温差值；
24.将所述温差值与设定值进行比较，若所述温差值大于所述设定值，则该温度对应的冻土的位置被水流侵蚀。
附图说明
25.图1为本发明冻土侵蚀模拟试验装置的结构示意图。
26.图2为本发明冻土侵蚀模拟试验装置中导线和测温探针连接部分的结构示意图。
27.图3为本发明冻土侵蚀模拟试验装置中在a-a方向上导线和测温探针的分布图。
28.图中：试验容器10，进水口11，出水口12，进水空间13，试验空间14，出水空间15，供水组件20，进水管21，供水箱22，第一控制阀门23，隔板30，冻土40，试验孔41，测温组件50，多路温度测试仪51，导线52，测温探针53，蓄水箱60，流量计61，第二控制阀门62，出水管63。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
30.本发明提供了一种冻土侵蚀模拟试验装置及其试验方法，用于模拟水流对冻土的侵蚀情况。本发明包括试验容器、供水组件、隔板、冻土以及测温组件，通过供水组件不断地向进水空间通水，再进入试验空间，再从出水空间，试验空间的冻土在水压的作用下不断被冲刷和侵蚀，使得试验孔的孔径扩大，通过测温组件采集试验孔周围的冻土的温度，以检测出经水流侵蚀后冻土的变化情况。
31.下面结合附图对本发明冻土侵蚀模拟试验装置及其试验方法进行说明。
32.参见图1，在本实施例中，一种冻土侵蚀模拟试验装置包括：呈封闭状的试验容器10，试验容器10第一侧设有进水口11且第二侧设有出水口12，进水口11的高度大于出水口12的高度；与进水口11连通的供水组件20，通过供水组件20向试验容器10内输送水；可拆卸且间隔地设于试验容器10内的两个隔板30，隔板30设有贯穿隔板30的穿孔，通过两个隔板30将试验容器10分隔成位于试验容器10第一侧和其中一隔板30之间的进水空间13、位于两个隔板30之间的试验空间14以及位于试验容器10第二侧和另一隔板30之间的出水空间15，进水空间13和试验空间14以及出水空间15通过穿孔相连通；填充于试验空间14内的冻土40，冻土40内自一隔板30处向另一隔板30处设有贯穿冻土40的试验孔41；埋固于试验孔41周围的冻土40内的测温组件50，供检测试验孔41周围的冻土40的温度。
33.在本实施例中试验装置中通过供水组件20不断地向进水空间13通水，再进入试验空间14，再从出水空间15，试验空间14的冻土40在水压的作用下不断被冲刷和侵蚀，使得试验孔41的孔径扩大，通过测温组件50采集试验孔41周围的冻土40的温度，并计算所采集位置的初始温度和当前温度的温差值；将温差值与设定值进行比较，若温差值大于设定值，则该温度对应的冻土40的位置被水流侵蚀，即该位置的冻土40被冲走，从而能够检测出经水流侵蚀后冻土40的变化情况。
34.参见图1，在一种具体实施例中，测温组件50包括位于试验容器10外的多路温度测试仪51、与多路温度测试仪51连接的若干根导线52；导线52远离多路温度测试仪51的一端形成有测温端，测温端伸入试验容器10内且埋固于试验孔41周围的冻土40内，相邻两个测温端间隔设置。通过若干根导线52分别测量试验孔41周围不同位置的冻土40的温度变化情况，以获取试验孔41边缘扩张的情况。
35.参见图2和图3，进一步的，试验装置还包括埋固于试验孔41周围的冻土40内的测温探针53，导线52为至少两组，每组导线52的测温端沿测温探针53的长度方向间隔地设于测温探针53上。该测温探针53起到定位和支撑架的作用，通过测温探针53连接一组导线52上的测温端，能够检测出该测温探针53的长度方向上试验孔41扩张的变化情况。
36.参见图2和图3，更进一步的，测温探针53沿试验孔41的径向方向设置，能够检测出沿试验孔41的径向方向上试验孔41扩张的变化情况，从而检测出该方向上水流的侵蚀情况。
37.参见图2和图3，更进一步的，测温探针53沿试验孔41的长度方向间隔设置。
38.参见图2和图3，更进一步的，测温探针53的端部位于试验孔41的边缘处。
39.参见图2和图3，较佳地，测温探针53为若干个且以试验孔41为中心呈放射状分布，每组导线52的测温度一一对应且位于同一圆周上。通过设置呈放射状的均匀分布的多个测温探针53，以在试验孔41的周围均匀的布设多个测温点，以获取这些测温点的测温数据，若温差值大于设定值，则该温度对应的冻土40的位置被水流侵蚀，从而判断该方向上水流的侵蚀情况。
40.参见图1，在一种具体实施例中，试验容器10呈竖向设置，进水口11位于试验容器10的顶部，出水口12位于试验容器10的底部。试验孔41为一个且竖向地设于冻土40的中部。
41.在另一种较佳实施例中，试验容器10呈水平设置，试验容器10的第一侧和第二侧为水平方向相对设置的两侧。试验孔41为一个且横向地设于冻土40的中部。
42.参见图1，在一种具体实施例中，试验装置还包括与进水口11连通的进水管21、与进水管21连通的供水箱22以及安装于进水管21上的驱动泵。
43.参见图1，进一步的，试验装置还包括安装于进水管21上的第一控制阀门23。
44.参见图1，在一种具体实施例中，试验装置还包括与出水口12连通的出水管63以及与出水管63连通的蓄水箱60。
45.参见图1，进一步的，试验装置还包括设于出水管63上的第二控制阀门62。
46.参见图1，更进一步的，试验装置还包括设于出水管63上的流量计61，用于监测水流的流量。
47.参见图1，较佳地，穿孔为若干个且间隔地布设于隔板30上。测温探针53为钢针。
48.下面对本发明的冻土侵蚀模拟试验装置的工作流程进行说明。
49.(1)试验准备：
50.1)每次试验前应将实验室温度保持恒定为20℃；
51.2)将低温试验箱温度预设为试验试样所需的温度；
52.3)首先将试验装置连接完成，对其密封性进行试漏试验，观察各连接点处尤其是法兰盘位置是否有渗水；
53.(2)试样制备
54.1)对取回的土样先翻晒48小时，然后放置于烘干箱内烘干8小时，烘干温度控制在90～120℃，烘干后放入干燥器内冷却至室温；
55.2)按照预定的含水率配置重塑软土，将重塑土搅拌均匀；
56.3)将后面试验中用亚克力管放置于木模板中央，组成底部封闭上端开口的空间，中心插入电热棒；
57.4)将配好的土置于上一步中的模具中，分层振捣充分后插入测温探针；
58.5)测温探针布置完毕后，将探针另一端与多路温度测试仪的导线相连以及电热棒的插头均用保鲜袋包裹，然后将模具整体放入低温试验箱中；
59.6)模具在低温箱中放置24小时后拿出，把电热棒通电20s后即可从已冻土中拔出，并于该拔出位置形成试验孔41，接着把底部模板敲掉，圆柱形冻土试样即初步制作完成；
60.7)最后为了确保试样温度均匀且达到设定温度，将冻土试样重新放回低温试验箱中保温24小时以上备用。
61.(3)试验过程
62.1)在试样完成并在低温箱保温24小时后，测得试样冻土温度与设定值相差不超过0.5℃，并且实验室室温保持在20℃
±
2℃范围内，此时将冲刷段从低温箱中拿出，迅速与进水室和出水室相连接，按照设定的流速打开水流开关开始试验；
63.2)事先开启自动测温仪，设定测温频率并自动存储数据，记录试验开始的时间，检查装置各处有无渗漏水的情况，并定时记录流速计读数，同时注意观察试验过程中流出水的浊度；
64.3)通过测温组件采集试验孔41周围的冻土的温度，并计算所采集位置的初始温度和当前温度的温差值；将温差值与设定值进行比较，若温差值大于设定值，则该温度对应的冻土的位置被水流侵蚀。根据温差值大于设定值所对应的测温点的位置，绘制出变化后的试验孔41的形状。
65.本发明还提供了一种利用如上述的冻土侵蚀模拟试验装置的试验方法，包括如下步骤：
66.通过供水组件20向试验容器10内输送水；
67.启动测温组件50，通过测温组件50采集试验孔41周围的冻土40的温度，并计算所采集位置的初始温度和当前温度的温差值；
68.将温差值与设定值进行比较，若温差值大于设定值，则该温度对应的冻土40的位置被水流侵蚀。
69.进一步的，测温组件50包括位于试验容器10外的多路温度测试仪51、与多路温度测试仪51连接的若干根导线52；导线52远离多路温度测试仪51的一端形成有测温端，测温端伸入试验容器10内且埋固于试验孔41周围的冻土40内，相邻两个测温端间隔设置。
70.通过测温端采集试验孔41周围不同位置的冻土40的温度。
71.进一步的，试验装置还包括埋固于试验孔41周围的冻土40内的测温探针53，导线52为至少两组，每组导线52的测温端沿测温探针53的长度方向间隔地设于测温探针53上。
72.在一种具体实施例中，试验装置还包括与进水口11连通的进水管21、与进水管21连通的供水箱22以及安装于进水管21上的驱动泵。
73.在通过供水组件20向试验容器10内输送水时，通过驱动泵将供水箱22内的水抽进进水管21，再泵送至试验容器10内。