渗流冻结试验装置的制作方法

本发明涉及渗流冻结试验
技术领域：
，尤其涉及一种渗流冻结试验装置。
背景技术：
：人工冻结技术是一项有着近130年应用历史的地层改良方法，其原理是通过人工制冷，将不稳定的含水软弱土层冻结，在地下形成强度较高的水密性人工冻结壁，利用其抵抗地下工程周围的地压、水压等外部荷载，隔绝地下水与地下工程的水力联系，达到保护地下工程施工的目的；60多年来，该项技术在我国的应用范围主要有矿山竖井、基坑开挖、市政工程建设、地铁隧道施工等地下工程建设中。随着地下空间的开发利用发展迅速，面临更加复杂的工程地质条件和严格的施工要求。在现实进行人工冻结施工时，若地层渗流速度过大，冻结壁将很难交圈或者达到设计厚度，渗流条件冻结条件下屏障的温度场在渗流场的作用下变化更加复杂，了解渗流条件下冻结壁的温度场变化特征，对于掌握人工冻结壁形成规律具有重要意义。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种能够使渗流达到均匀层流条件，并模拟在该渗流条件下的人工冻结过程，并能为现实施工建设提供有力理论基础的渗流冻结试验装置。为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：设计一种渗流冻结试验装置，包括箱体；在该箱体内由上至下依次设置有第一压实黏土层、土样层和第二压实黏土层，在所述箱体内还设置有至少一根纵向设置的冻结管，所述冻结管至少纵向贯穿所述土样层设置，在所述土样层内还设置有若干个温度传感器；在所述箱体的一端侧壁上还设置有清水进水口，并在远离所述清水进水口的箱体侧壁上还设置有清水出水口；还包括用于向冻结管输入冷却液的循环制冷机构；还包括用于采集所述温度传感器的数据并进行分析的数据采集模块。优选的，所述冻结管为三根，该三根冻结管平行设置于同一平面，且该三根冻结管所在的平面与水流从清水进水口向清水出水口前进方向垂直。优选的，在所述第一压实黏土层内设置有横向设置的总出液管，并在所述第二压实黏土层内设置有总进液管，所述冻结管的上端通过柔性软管与所述总出液管连通，所述冻结管的下端与所述总进液管连通；在位于所述第一压实黏土层和第二压实黏土层内的冻结管的管壁上还包裹有保温层。优选的，所述冷却液为盐水；所述循环制冷机构包括盐水制冷机、与该盐水制冷机的盐水出液口连通的盐水泵，所述盐水泵依次通过盐水流量计、盐水压力表与所述总进液管的进口端连通，所述总出液管的出口端与所述盐水制冷机的盐水进液口连通。优选的，还包括恒温水循环机构，所述恒温水循环机构包括恒温水箱、与该恒温水箱的出口连通的清水泵、与该清水泵的出口连通的控制阀、旁通阀，所述控制阀依次通过玻璃转子流量计、第一压力表与所述箱体上的清水进水口连通，所述旁通阀通过管路还与所述恒温水箱连通；所述箱体上的清水出水口通过第二压力表与所述恒温水箱的进口连通；所述恒温水箱包括盛有清水的清水箱体、设置于该清水箱体内的电加热棒、水温传感器，还包括与所述电加热棒和水温传感器连接的控温器。优选的，所述清水进水口设置于所述第二压实黏土层所在区域的箱体侧壁上，所述清水出水口设置于所述第一压实黏土层所在区域的箱体侧壁上；在所述清水进水口的出水端和所述清水出水口的进水端均设置有为200目的滤网。优选的，在所述箱体内设置有间隔设置的两个隔板，两个隔板上均设置有若干个用于过水的通孔；两个隔板将所述箱体内的区域由左至右分割为缓冲室、试样室和储水室，所述第一压实黏土层、土样层和第二压实黏土层均设置于所述试样室内；在所述缓冲室和储水室内均填充有由砾石和粗砂两者的混合物构成的缓冲层；在所述两个隔板的侧壁分别设置有过滤筛网，所述过滤筛网为100目；在所述缓冲层上方还设置有255mm的黏土层，并在该黏土层上方还设置有50mm的沥青层。优选的，所述数据采集模块包括与所述温度传感器连接的温度数据采集仪、与该温度数据采集仪连接的计算机。优选的，所述土样层为由中砂构成的砂层，所述土样层的厚度为300mm～500mm，所述第一压实黏土层的厚度为200mm～400mm;第二压实黏土层的厚度为150mm～350mm；在所述第一压实黏土层上方还设置有40mm～60mm的沥青层。优选的，设置于所述土样层中的温度传感器分布于三个由上至下设置的平面上，分别为第一测温面、第二测温面和第三测温面，且位于所述第一测温面、第二测温面和第三测温面上的温度传感器分别通过栅格固定设置。本发明的有益效果在于：1.通过本装置可用于模拟渗流条件下饱和砂土冻结壁的形成情况，实现在不同渗流速度、冻结温度、冻结管间距等条件下，监测饱和砂土中温度场的发展情况，以此研究渗流条件下冻结壁的尺寸特征以及其温度场的特征，同时对研究不同渗流条件及冻结条件对渗流条件下冻结壁形成的影响作用具有重要的意义，可为地下工程建设提供有力的理论基础。2.通过本装置可研究渗流冻结过程中土体温度场的分布特征和变化规律，为数值模拟以及水热耦合机理分析提供数据支持，同时可研究渗流条件下局部冻结砂土屏障的温度场特征，即，通过改变进入本装置的盐水温度，可以达到改变冻结温度的效果；而通过改变进入本装置的清水流量，可以达到改变渗流条件的效果。附图说明图1为本发明的主要结构示意图；图2为本发明中的箱体剖面结构示意图；图3为本发明中的第一压实黏土层、土样层和第二压实黏土层及其内埋设的冻结管、温度传感器设置关系示意图；图4为本发明中的冻结管主要结构示意图；图5为本发明中的箱体侧视状态之一主要结构示意图；图6为本发明中的箱体侧视状态之二主要结构示意图；图7为本发明中的第一测温面上的温度传感器布设位置示意图；图8为本发明中的第二测温面上的温度传感器布设位置示意图；图9为本发明中的第三测温面上的温度传感器布设位置示意图；图中：H1.第一测温面；H2.第二测温面；H3.第三测温面；L1、L2.主面测温线；L3.界面测温线；L4.冻结管列所在平面测温线；1.水温传感器;2.电加热棒;3.清水泵;4.旁通阀;5.控制阀;6.玻璃转子流量计;7.第一压力表;8.箱体;9.清水进水口;10.清水出水口;11.总进液管的进口端;12.总出液管的出口端;13.第二压力表;14.恒温水箱;15.盐水制冷机;16.盐水泵;17.盐水流量计;18.盐水压力表;19.控温器；101.箱体侧壁;102、103.隔板;104、105.过滤筛网;106、120.缓冲层;107.第一压实黏土层;108.土样层;109.第二压实黏土层;110、111.黏土层；112、113.滤网；114、115、117、118.保温层；116.沥青层；200.冻结管；201.总出液管;202、208.联结丝扣;204.柔性软管;205.总进液管;206.冻结管与总进液管连接的联结丝扣;207.柔性软管与总出液管连接的联结丝扣;301.温度传感器;302、303、304、305.第二测温面上的温度传感器;306、307、308、309.第一测温面上的温度传感器;310、311、312、313.第三测温面上的温度传感器;401.加强肋板。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：实施例：一种渗流冻结试验装置，参见图1至图9；包括箱体8；在该箱体8内由上至下依次设置有第一压实黏土层107、土样层108和第二压实黏土层109，在所述箱体内还设置有三根纵向设置的冻结管200，本设计在所述箱体8内设置有间隔设置的两个隔板102、103，两个隔板102、103上均设置有若干个用于过水的通孔,两个隔板102、103将所述箱体8内的区域由左至右分割为缓冲室、试样室和储水室，以上所述的第一压实黏土层107、土样层108和第二压实黏土层109均设置于所述试样室内；优选的，本设计还在所述缓冲室和储水室内均填充有由砾石和粗砂两者的混合物构成的缓冲层106、120，缓冲层主要起到缓冲水流的作用，使得流过土样层中的水流为均匀的层流。优选的，本设计中以上所述的土样层108为由中砂构成的砂层，所述土样层108的厚度为400mm，所述的第一压实黏土层107的厚度为300mm;第二压实黏土层的厚度为250mm；本设计还在所述第一压实黏土层上方还设置有50mm的沥青层；在所述缓冲层106、120上方还设置有255mm的黏土层，并在该黏土层上方还设置有50mm的沥青层，以此起到阻水作用，本设计中的第一压实黏土层107、第二压实黏土层和沥青层主要起到缓冲冻胀及阻水的作用。本设计中，所述的冻结管200至少纵向贯穿所述土样层108设置，本设计还在所述箱体8的一端侧壁上还设置有清水进水口9，并在远离所述清水进水口9的箱体侧壁101上还设置有清水出水口10；所述清水进水口9设置于所述第二压实黏土层109所在区域的箱体侧壁101上，所述清水出水口10设置于所述第一压实黏土层107所在区域的箱体侧壁100上；优选的，本设计在所述清水进水口的出水端和所述清水出水口的进水端均设置有为200目的滤网，该滤网可以防止箱体内的细颗粒物质进入管路中造成堵塞；还在所述两个隔板102、103的侧壁分别设置有过滤筛网104、105，所述的过滤筛网104、105为100目，起到分隔和过滤作用，优选的，本设计还在所述箱体8的外壁还设置有加强肋板401，还包括用于将该箱体8上端开口盖住的顶盖。优选的，本设计中的三根冻结管200平行设置于同一平面（在实际的应用中，其冻结管的数目和布置形式可根据实际情况进行改变，如可布置为直线形、环形、梅花形等形状），且该三根冻结管200所在的平面与水流从清水进水口9向清水出水口10前进的方向垂直；根据地层冻结工程经验，地层冻结管间距一般为冻结管直径的6～10倍，本设计中的冻结管布置间距为110mm；进一步的，本设计还在所述第一压实黏土层107内设置有横向设置的总出液管201，并在所述第二压实黏土层109内设置有总进液管205，所述的冻结管200的上端通过柔性软管204与所述总出液管201连通，所述的冻结管200的下端与所述总进液管205连通，本设计中的冻结管可以从箱体中拆下，以此可以达到改变冻结管间距的效果；同时，在位于所述第一压实黏土层107和第二压实黏土层109内的冻结管200的管壁上还包裹有保温层。进一步的，本设计它还包括用于向冻结管200输入冷却液的循环制冷机构，所述的冷却液为盐水；所述的循环制冷机构包括盐水制冷机15、与该盐水制冷机15的盐水出液口连通的盐水泵16，所述盐水泵16依次通过盐水流量计17、盐水压力表18与所述总进液管的进口端11连通，所述总出液管的出口端12与所述盐水制冷机15的盐水进液口连通；通过该循环制冷机构可降低冻结管周围土体的温度，达到冻结土体的目的；优选的，还包括恒温水循环机构，所述的恒温水循环机构包括恒温水箱14、与该恒温水箱14的出口连通的清水泵3、与该清水泵3的出口连通的控制阀5、旁通阀4，所述的控制阀5依次通过玻璃转子流量计6、第一压力表7与所述箱体8上的清水进水口9连通，所述旁通阀4通过管路还与所述恒温水箱14连通；所述箱体8上的清水出水口通过第二压力表13与所述恒温水箱14的进口连通；本设计中的所述恒温水箱14包括盛有清水的清水箱体、设置于该清水箱体内的电加热棒2、水温传感器1，还包括与所述电加热棒2和水温传感器1连接的控温器19。进一步的，本设计还在所述土样层108内还设置有若干个温度传感器301；设置于所述土样层108中的温度传感器301分布于三个由上至下设置的平面上，分别为第一测温面H1、第二测温面H2和第三测温面H3，其中,第一测温面H1距离土样层底面300mm，第二测温面H2距离土样层底面200mm，第三测温面H3距离土样层底面100mm，且位于所述第一测温面H1、第二测温面H2和第三测温面H3上的温度传感器分别通过栅格固定设置，其栅格固定设置方法为：首先，将温度传感器固定在直径1mm铁丝制成的栅格上；然后，将栅格铺设在土样层中的预定高度；第三，整理温度传感器的连接线，将其分股收拢，从箱体边缘进入压实黏土层；第四，在压实黏土层中将分股收拢的连接线整合成一股，并用石蜡做防水处理；最后，将其穿过箱体顶盖上预留的法兰盘，连接到温度采集仪上即可；具体的，在所述第一测温面H1上间隔设置有18个温度传感器，可参见图7；在所述第二测温面H2上间隔设置有65个温度传感器，可参见图8；在所述第三测温面H3上间隔设置有22个温度传感器，可参见图9，图中，L1、L2是主面测温线，L3是界面测温线，L是冻结管轴面所在平面测温线；由图可知，本设计采用的是变间距布设温度传感器的方式，采用变间距布设温度传感器的方式，既可以很好的监测重点位置温度场发展的情况，又可避免温度传感器布置过多对试样造成过大扰动；而通过栅格固定布置传感器，可有效的降低温度传感器对试样的影响，使得试验中试样更为均一；优选的，本设计它还包括用于采集所述温度传感器的数据并进行分析的数据采集模块，所述的数据采集模块包括与所述温度传感器连接的温度数据采集仪、与该温度数据采集仪连接的计算机。本实施例的渗流冻结试验装置进行的部分渗流冻结试验所得到的结论如下：下表为本实施中的土样层所用到的中砂的物理参数：表1试样主要物理参数土体名称孔隙率（%）含水率（%）干密度ρd（Kg/m3）导热系数λ（W/(m·K)）质量比热容c（J/(Kg.℃)）徐州中砂39291.34×1031.412.36×103通过本次实施例的装置进行的渗流冻结试验是在深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开展，共进行4组试验，在相同冻结管间距下，进行不同渗流速度下砂土屏障温度场的研究，以研究渗流作用对砂土冻结壁温度场的影响，实验安排及结果可见表2。表2渗流条件下局部冻结砂土屏障模型试验的结果表3冻结过程中平均降温速率上表3列出了不同试验条件下不同测点位置处的平均降温速率，对比不同试验条件下的降温速率可以发现，由上表3可知，随着渗流速度的增大，测点的平均降温速率呈减小趋势，在无渗流条件下时，测温点平均降温速率约为4.35oC/h；在渗流速度7.5m/d条件下时，测温点平均降温速率约为3.96oC/h；而渗流速度15m/d条件下时，测温点平均降温速率约为1.72oC/h。而对比冻结管上下游测温点的平均降温速率可以看出，在有渗流条件下，屏障下游测点的平均变温速率大于上有测点，且渗流速度越快，这种情况越明显；而无渗流条件下，屏障上下游测温点变温速率大小没有明显关系。通过本装置进行的多次的实验分析可得出以下结论：（1）在渗流作用的影响下，水流带来大量热量，导致温度场分布不再对称，上游温度明显高于下游，随着渗流速度加大，这种不对称性也愈加明显，界面温度分布的不对称性大于主面，冻结壁截面形状类似于心形。（2）在渗流作用的影响下，土体温度下降速率随流速增加逐渐降低，达到平衡状态的时间逐渐变长。无渗流条件下，测温点平均降温速率约为4.35oC/h；渗流速度7.5m/d条件下，测温点平均降温速率约为3.96oC/h；渗流速度15m/d条件下，测温点平均降温速率约为1.72oC/h。说明渗流条件对冻结壁的发展影响十分显著，特别是渗流速度较大的条件下，冻结壁的发展受到了极大的阻碍，在工程中对于渗流速度的估计要特别慎重。（3）渗流速度15m/d条件下，冻结壁稳定厚度最大约为60mm，仅为无渗流条件下、渗流速度7.5m/d条件下的40%、60%，最小厚度只有20mm，只有无渗流条件下、渗流速度7.5m/d条件下的20%、40%，可见渗流对冻结壁外侧的侵蚀非常显著，应重点监测屏障边缘厚度，保证施工安全。最后指出的是，本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。当前第1页1 2 3