一种超高冻胀孔隙水压力的试验系统及试验方法与流程

本发明涉及一种超高冻胀孔隙水压力的试验系统及试验方法。

背景技术：

井筒对于井工矿井工程的重要性好比咽喉对于人类。井工矿井能否建成，首先取决于凿井技术。随着我国煤炭资源开发向地层深部进行，较普遍地遇到了深厚表土层，深厚表土层强度低、多含水，且地压大，用普通法凿井难以解决涌水、涌泥、流砂等难题。大量的工程实践证明，对于这样复杂的地层，冻结法是最常用和最可靠的凿井方法之一，有时甚至是唯一可靠的凿井方法。虽然冻结法解决了凿井过程中涌水、涌泥、流砂等难题，但同时在冻结的过程中又遇到另一个难题——冻胀力。水结冰体积膨胀约9％，冻胀力的产生是由于土体内水分结冰体积不能自由膨胀，在周围介质约束面上产生力的作用。

不同土质、土体的含水量不同，冻胀力产生的原因不同。黏土冻结，冻胀力基本上是由于土中水分原位冻结而产生；粉土冻结，冻胀力不仅由原位水分冻结产生，而且亦由于土中水分由未冻区向冻结锋面迁移，并积聚冻结产生，占粉土冻胀力的主要部分。对砂土而言，要看砂土的含水量，非饱和砂土冻结时，水分向冻结锋面迁移，未冻区内的孔隙水压力是减小的，甚至产生负孔压；然而，饱和砂土冻结时，水分由冻结区向未冻区排放，如此，随着冻结锋面不断地向未冻区推进，封闭空间内未冻区的含水量越来越高，因此，未冻区内的孔隙水压力会变的越来越大，甚至达到原始地压的一倍，形成超高冻胀孔隙水压力。

目前，实验室量测孔隙水压力的方法主要有两种：一种是将孔隙水压力计埋入土体内部进行量测；另一种方法是将孔隙水从土体内部引出来用液压传感器量测。对于超高孔隙水压力的试验量测，使用埋入式孔压计，必须考虑一个重要的问题，即孔压计探头与传输信号导线连接处的防水性能；超高孔隙水压力自然就要求孔压计高防水性能，防水性能低的，高压孔隙水会从导线接茬处进入传感器内部破坏传感器，从而导致试验失败；对于高防水性能的孔压计，其体积势必很大，占据有效试验空间就多，会改变土体内部的应力与温度分布，这样测得的孔隙水压力不够准确。有些研究人员则将孔隙水外引测量，亦得到了相应的成果。但是，这些研究成果是在土体没有外载而有外水源补给的情况下得到，测得孔隙水压力相对很小，适用于天然冻土。对于深厚表土地层，其内部具有很高的地应力，所以，土样应该是先固结再冻结。另外，内圈管的内侧和两圈管之间是封闭空间，外部的水分不能穿过冻结区进入封闭的未冻区，同样，内部封闭的水分亦不能穿过冻结区而排泄出去，因此，水分只能在封闭的未冻区内不断的积聚，从而形成超高冻胀孔隙水压力。此外，超高冻胀孔隙水压力必然伴随着很大的冻胀力，大的冻胀力要求试验装置具有较高的刚度和强度，普通的冻结试验装置是不能满足要求的。由此可见，研发一种超高冻胀孔隙水压力的试验系统及方法的迫切性和重要性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超高冻胀孔隙水压力的试验系统，刚度高，强度大。

本发明的另一目的是提供一种利用上述试验系统进行超高冻胀孔隙水压力试验的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种超高冻胀孔隙水压力的试验系统，包括试验系统、加载系统、制冷系统和数据采集系统，

所述试验系统包括试验筒、上盖板、下盖板和冻结管，所述试验筒包括筒体，所述上盖板与筒体顶端面紧固连接，所述下盖板与筒体底端面紧固连接，筒体内顶部由上到下依次紧挨设置有上垫板ⅰ和上垫板ⅱ，筒体内底部由下到上依次紧挨设置有下垫板ⅱ和下垫板ⅰ，所述上垫板ⅰ和上垫板ⅱ、下垫板ⅰ和下垫板ⅱ的外径均与筒体的内径相适配，所述上盖板、下盖板、上垫板ⅰ、上垫板ⅱ、下垫板ⅰ、下垫板ⅱ与筒体之间的接触面均设置有密封槽，所述密封槽内均设置有o型密封圈，上垫板ⅱ与下垫板ⅰ之间的筒体内填充饱和砂土，所述冻结管纵向设置在试验筒筒体内，并由上至下依次贯穿上盖板、上垫板ⅰ、上垫板ⅱ、下垫板ⅰ、下垫板ⅱ、下盖板，所述上盖板、上垫板ⅰ、上垫板ⅱ、下垫板ⅰ、下垫板ⅱ、下盖板与冻结管之间的接触面均设置有密封槽，所述密封槽内均设置有o型密封圈，所述筒体外表面紧密缠绕有铜管，所述上盖板和下盖板上分别开设有四个螺纹孔ⅰ，其中三个螺纹孔ⅰ中分别连接伸入筒体内部不同高度的引水管路ⅰ、引水管路ⅱ、引水管路ⅲ，

所述加载系统包括伺服仪、高压软管与加压腔，加压腔设置在上盖板与上垫板ⅰ之间，高压软管与上盖板上的一个螺纹孔ⅰ连通，伺服仪包括油系统和水系统，伺服仪油系统通过高压软管与加压腔连通，伺服仪水系统与下盖板上的第四个螺纹孔ⅰ连接；

所述制冷系统包括盐水冷浴、循环泵、循环管路一与循环管路二，盐水冷浴的两端分别通过循环管路一与冻结管的两端连接，盐水冷浴的两端分别通过循环管路二与铜管的两端连接，循环泵设置在盐水冷浴出水端；

所述数据采集系统包括压力表、传感器组、数据采集仪和计算机，压力表紧固在所述上盖板上的另一个螺纹孔ⅰ中并与加压腔连通，所述传感器组包括埋设于饱和砂土内的温度传感器、土压计、孔压计，粘贴在试验筒筒体和上盖板、下盖板外表面的应变计，分别连接在引水管路伸出下盖板一端的三个液压传感器，传感器组分别与数据采集仪电连接，数据采集仪与计算机电连接。

优选的，所述上盖板与试验筒顶端面通过高强螺栓紧固连接。

优选的，所述下盖板与试验筒底端面通过高强螺栓紧固连接。

进一步地，所述上盖板、下盖板通过长高强螺栓紧固连接，形成对拉作用，用于加固试验系统。

进一步地，所述高压软管上还设有高压球阀。

进一步地，所述盐水冷浴两端的循环管路一、循环管路二上还分别设有阀门。

进一步地，所述温度传感器、土压计和孔压计纵向埋设有三组，分别设置在引水管路ⅰ、引水管路ⅱ、引水管路ⅲ的顶部附近。

进一步地，所述试验筒筒体上还设有出线孔，埋设于饱和砂土内的温度传感器、土压计、孔压计的导线分别从出线孔引出后与与数据采集仪电连接。

本发明还提供基于上述试验系统的超高冻胀孔隙水压力试验方法，包括以下步骤：

(1)组装试验系统，将砂土饱和，密封上盖板；

(2)启动数据采集系统，采集砂土内的初始温度、应力、孔隙水压力和试验筒的应变等相关初始信息；

(3)将试验筒底部的引水管路ⅰ、引水管路ⅱ、引水管路ⅲ分别与伺服仪水系统螺纹连接，向饱和砂土内逐级注水打压至10mpa，对整个试验系统进行试漏试验，若维持10mpa较长时间，说明密封效果良好，可以进行冻结试验；另外，解除三个引水管路与伺服仪水系统的连接，分别在引水管路端口连接一个液压传感器，一方面封堵孔隙水，另一方面采集孔隙水压力的数据；

(4)打开伺服仪油系统输出管路上的高压球阀，向试验筒筒体内注油打压，采用逐级加压的方式，每级压力皆稳定3分钟之后，进行下一级加载，直至达到设定压力，并维持设定压力24小时；

(5)打开制冷机对盐水冷浴内的盐水降温至设定的负温，并一直保持制冷机正常工作；打开循环管路一、循环管路二上的所有阀门，向试验筒输送冷盐水，对试验筒实施冻结，此过程一直保持数据采集系统正常工作；

(6)待试验筒内部三个引水管路处的砂土温度均为负值，且冻胀孔隙水压力维持不变或者略微下降时，停止制冷机的工作并关闭循环管路一、循环管路二上的所有阀门，让试验筒自然解冻；

(7)待试验筒内部三个引水管路处的砂土的温度皆为正值，且冻胀力与孔隙水压力完全消散之后，停止试验，取出相关数据，整理分析实验数据，得到冻胀孔隙水压力的演变规律等相关信息。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本试验系统既可以模拟双向冻结条件下深埋含水地层内超高孔隙水压力的演变规律，又可以模拟单向冻结条件下孔隙水压力的演变规律。

(2)本试验系统可以模拟单圈管向内、单圈管向外与双圈管同步、异步冻结模式下纯水压的增长过程，并且能够模拟出最高的冻胀水压达25mpa。

(3)该试验系统能够实时直接测得试验筒外壁面的变形，进而模拟出试验筒内壁面上的冻胀力随时间的变化规律。

(4)本试验系统不但能够实时获得土体内冻结锋面随时间的变化规律，还能够获得土体内部应力场、温度场的变化信息，为研究土体内部冻胀应力场提供技术保证。

(5)试验筒外壁面上紧密缠绕铜管，管内循环冷盐水保证整个试验筒外壁面在有效的试验高度范围内温度分布均匀。

(6)引水管路在砂土饱和过程中用于排水排气，判断腔体内部水的位置与土体的饱和状况。

(7)该试验系统不仅能够模拟冻胀力与超高孔隙水压力的形成过程，亦能模拟冻胀力与超高孔隙水压力随解冻的消散过程。

(8)利用下盖板上的多功能螺纹孔与试验筒侧面的出线孔，该试验系统可以模拟封闭空间与开放空间的冻结，因此能够满足模拟不同冻结条件和冻结模式的需要。

附图说明

图1为本发明试验系统的a-a示意图；

图2为本发明试验系统的b-b示意图；

图3为本发明上盖板和下盖板的平面图；

图4为本发明上盖板和下盖板的剖面图；

图5为本发明上垫板ⅰ和下垫板ⅱ的平面图；

图6为本发明上垫板ⅰ和下垫板ⅱ的剖面图；

图7为本发明上垫板ⅱ和下垫板ⅰ的平面图；

图8为本发明上垫板ⅱ和下垫板ⅰ的剖面图；

图中，1.冻结管，2.上盖板，3.上垫板ⅰ，301.导角ⅰ，302.密封槽ⅱ，303.螺纹孔ⅱ，304.中心通长圆孔ⅱ，305.密封槽ⅲ，4.上垫板ⅱ，401.导角ⅱ，402.密封槽ⅳ，403.螺纹孔ⅲ，404.中心通长圆孔ⅲ，405.密封槽ⅴ，5.筒体，6.砂土，7.下垫板ⅰ，8.下垫板ⅱ，9.下盖板，901.通长圆孔，902.螺纹孔ⅰ，903.中心通长圆孔ⅰ，904.密封槽ⅰ，10.铜管，11.引水管路ⅰ，12.引水管路ⅱ，13.引水管路ⅲ，14.伺服仪油系统，15.高压软管，16.压力表，17.加压腔，18.高压球阀，19.伺服仪水系统，20.盐水冷浴，21.循环泵，22.循环管路一，23.循环管路二，24.阀门，25.出线孔，26.液压传感器，27.数据采集仪，28.密封螺栓，29.高强螺栓，30.长高强螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图中箭头所示方向为冷盐水的循环方向。

如图1、图2所示，一种超高冻胀孔隙水压力的试验系统，包括试验系统、加载系统、制冷系统和数据采集系统。

所述试验系统包括试验筒、上盖板2、下盖板9和冻结管1，所述试验筒包括筒体5，所述上盖板2与筒体5顶端面通过高强螺栓29紧固连接，所述下盖板9与筒体5底端面通过高强螺栓29紧固连接，筒体5内顶部由上到下依次紧挨设置有上垫板ⅰ3和上垫板ⅱ4，筒体5内底部由下到上依次紧挨设置有下垫板ⅱ8和下垫板ⅰ7，所述上垫板ⅰ3和上垫板ⅱ4、下垫板ⅰ7和下垫板ⅱ8的外径均与筒体5的内径相适配；所述上盖板2、下盖板9、上垫板ⅰ3、上垫板ⅱ4、下垫板ⅰ7、下垫板ⅱ8与筒体5之间的接触面均设置有密封槽，所述密封槽内均设置有o型密封圈，上垫板ⅱ4与下垫板ⅰ7之间的筒体内填充饱和砂土6，所述冻结管1纵向设置在试验筒筒体5内，并由上至下依次贯穿上盖板2、上垫板ⅰ3、上垫板ⅱ4、下垫板ⅰ7、下垫板ⅱ8、下盖板9，所述上盖板2、上垫板ⅰ3、上垫板ⅱ4、下垫板ⅰ7、下垫板ⅱ8、下盖板9与冻结管1之间的接触面均设置有密封槽，所述密封槽内均设置有o型密封圈，所述筒体5外表面紧密缠绕有铜管10，所述上盖板2和下盖板9上分别开设有四个螺纹孔ⅰ902，其中三个螺纹孔ⅰ902中分别连接伸入筒体5内部不同高度的引水管路ⅰ11、引水管路ⅱ12、引水管路ⅲ13；

所述加载系统包括伺服仪、高压软管15与加压腔17，加压腔17设置在上盖板2与上垫板ⅰ3之间，高压软管15与上盖板2上的一个螺纹孔ⅰ902连通，伺服仪包括油系统和水系统，伺服仪油系统14通过高压软管15与加压腔17连通，伺服仪水系统19与下盖板9上的第四个螺纹孔ⅰ902连接；所述高压软管15上还设有高压球阀18，用于控制油的流量；

所述制冷系统包括盐水冷浴20、循环泵21、循环管路一22与循环管路二23，盐水冷浴20的两端分别通过循环管路一22与冻结管1的两端连接，盐水冷浴20的两端分别通过循环管路二23与铜管10的两端连接，循环泵21设置在盐水冷浴20出水端；所述盐水冷浴20两端的循环管路一22、循环管路二23上还分别设有阀门24，用于控制冷盐水的流量；

所述数据采集系统包括压力表16、传感器组、数据采集仪27和计算机，压力表16固定在所述上盖板2上的另一个螺纹孔ⅰ902中并与加压腔17连通，所述传感器组包括埋设于饱和砂土6内的温度传感器、土压计、孔压计，粘贴在试验筒筒体5和上盖板2、下盖板9外表面的应变计，分别连接在引水管路伸出下盖板9一端的三个液压传感器26，所述试验筒筒体5上还设有出线孔25，埋设于饱和砂土6内的温度传感器、土压计、孔压计的导线分别从出线孔25引出后与数据采集仪27电连接，应变计、液压传感器26也分别与数据采集仪27电连接，数据采集仪27与计算机电连接。

如图1、图2、图3、图4所示，下盖板9上设有两圈间隔分布的通长圆孔901，四个螺纹孔ⅰ902和一个带两道密封槽ⅰ904的中心通长圆孔ⅰ903，内圈通长圆孔901中放入高强螺栓29连接下盖板9与试验筒，外圈通长圆孔901中放入长高强螺栓30连接下盖板9与上盖板2，四个螺纹孔ⅰ902分别连接引水管路ⅰ11、引水管路ⅱ12、引水管路ⅲ13和伺服仪水系统19输出管路，中心通长圆孔ⅰ903用于贯穿冻结管1，密封槽ⅰ904内放置o型密封圈。

本实施例中，所述上盖板2和下盖板9的结构相同，内圈通长圆孔901中放入高强螺栓29连接上盖板2与试验筒，外圈通长圆孔901中放入长高强螺栓30连接上盖板2与下盖板9，在上盖板4的四个螺纹孔ⅰ902内分别安装压力表16、液压传感器26、伺服仪油系统14输出管路和密封螺栓28，中心通长圆孔ⅰ903用于贯穿冻结管1，密封槽ⅰ904内均放置o型密封圈。

如图1、图2、图5、图6所示，上垫板ⅰ3的两侧顶端分别设有导角ⅰ301，两外侧面分别设有一道密封槽ⅱ302，板面上设有四个带沉孔的螺纹孔ⅱ303和一个带两道密封槽ⅲ305的中心通长圆孔ⅱ304，螺纹孔ⅱ303由密封螺栓28封堵，中心通长圆孔ⅱ304用于贯穿冻结管1，密封槽ⅱ302和密封槽ⅲ305内均放置o型密封圈。

本实施例中，下垫板ⅱ8和上垫板ⅰ3的结构相同。

如图1、图2、图7、图8所示，上垫板ⅱ4的两侧顶端和底端分别设有导角ⅱ401，两外侧面分别设有一道密封槽ⅳ402，板面上设有四个带沉孔的螺纹孔ⅲ403和一个带两道密封槽ⅴ405的中心通长圆孔ⅲ404，螺纹孔ⅲ403由密封螺栓28封堵，中心通长圆孔ⅲ404用于贯穿冻结管1，密封槽ⅳ402和密封槽ⅴ405内放置o型密封圈。

本实施例中，下垫板ⅰ7和上垫板ⅱ4的结构相同。

本发明的基于上述试验系统的超高冻胀孔隙水压力试验方法，包括以下步骤：

(1)组装试验系统，将砂土6饱和，密封上盖板2；

(2)启动数据采集系统，采集砂土6内的初始温度、应力、孔隙水压力和试验筒的应变等相关初始信息；

(3)将试验筒底部的引水管路ⅰ11、引水管路ⅱ12、引水管路ⅲ13分别与伺服仪水系统19螺纹连接，向饱和砂土6内逐级注水打压至10mpa，对整个试验系统进行试漏试验，若维持10mpa较长时间，说明密封效果良好，可以进行冻结试验；另外，解除三个引水管路与伺服仪水系统19的连接，分别在引水管路端口连接一个液压传感器26，一方面封堵孔隙水，另一方面采集孔隙水压力的数据；

(4)打开伺服仪油系统14输出管路上的高压球阀18，向试验筒筒体5内注油打压，采用逐级加压的方式，每级压力皆稳定3分钟之后，进行下一级加载，直至达到设定压力，并维持设定压力24小时；

(5)打开制冷机对盐水冷浴20内的盐水降温至设定的负温，并一直保持制冷机正常工作；打开循环管路一22、循环管路二23上的所有阀门24，向试验筒输送冷盐水，对试验筒实施冻结，此过程一直保持数据采集系统正常工作；

(6)待试验筒内部三个引水管路处的砂土6温度均为负值，且冻胀孔隙水压力维持不变或者略微下降时，停止制冷机的工作并关闭循环管路一22、循环管路二23上的所有阀门24，让试验筒自然解冻；

(7)待试验筒内部三个引水管路处的砂土6的温度皆为正值，且冻胀力与孔隙水压力完全消散之后，停止试验，取出相关数据，整理分析实验数据，得到冻胀孔隙水压力的演变规律等相关信息。