一种用于冻结施工的模拟试验箱的制作方法

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种用于冻结法施工的模拟试验箱。

背景技术：

冻结法施工技术起源于19世纪60年代，1862年英国南威尔士建筑基础施工中首先使用了冻结法，此后经过一个多世纪的发展逐渐成熟，我国于1955年引进冻结法施工技术，并在开滦林西风井中成功应用，此后冻结法技术逐步推广，冻结法是矿山立井、斜井、平巷穿越高富水地层的有效手段。

近年来随着我国城市化进程的加快，城市发展与城市土地资源短缺的矛盾日益突出，为了解决这一问题，我国大中城市积极开发利用城市地下空间，修建地下商业综合体、地下车库、地下管廊、地铁等地下建筑结构，开发利用城市地下空间成为目前城市发展的新方向；在地下建筑结构施工中经常会遇到高富水卵砾石和软土等不良地质，在施工过程中如果处理不好工程施工与不良地质体之间的关系，就有可能发生非常严重的工程事故。

冻结法施工由于土体加固强度高、止水性能好且不占用地面场地，近年来在城市地下工程施工中受到越来越多的应用。在矿山、隧道、城市地下工程冻结法施工过程中，冻结温度场在地层中的分布、冻结与融化过程中地层位移场的变化、水分在地层的分布状况以及冻结施工全过程中土水压力的变化是决定冻结法施工安全的控制因素，是冻结法设计、施工前必须探明的问题。然而目前的研究成果大多是定性的对这一问题进行描述，难以量化冻结法施工全过程中地层温度场、位移场、水分场以及土水压力场的分布变化规律。为解决冻结法施工量化的问题，目前有两个解决办法：一是现场试验，现场试验虽然可靠度高、数据精确，但是试验花费巨大、费时和费力；二是模型试验，模型试验系统在近些年获得较快发展，但是目前技术还不成熟，比如：现有模型试验装置只考虑了单一因素或少量几个因素，难以模拟现场多因素和复杂工况下的冻结施工全过程。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于冻结施工的模拟试验箱，它能模拟围压、渗流、开挖扰动等因素耦合作用下冻结法施工全过程对地层的影响，实施对地层温度场、位移场、水分场以及土水压力场实时量测。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于冻结施工的模拟试验箱，包括网格框架、挡板和反力架，网格框架通过高强螺栓连接组成六面体框架，六面体框架内壁嵌放有六块挡板；至少一块挡板上预留管线的穿孔；反力架为四边形方框，反力架内框的两相邻边装有千斤顶、另一个边设有反力杠，千斤顶和反力杠穿过挡板连接压力板，反力架的第四边抵紧六面体框架的一个面；箱体内腔排列放置有冻结管，并预埋有渗流水管，渗流出水口的挡板上设有反滤层。

外力通过反力架为模拟试验箱提供两个方向的压力，渗流装置为试样施加渗流场，冷能通过冻结管插入试样中，给试样施加温度场，使试样冻结。测试传感器埋设在试样中，实时测试试样温度场、水分场、位移场以及土水压力场变化规律。

本发明的技术效果是：在荷载、渗流、开挖扰动等多因素耦合作用下，能定量评价冻结法施工全过程对地层温度场、位移场、水分场以及土水压力场的影响，解决了现有冻结法模型试验只考虑单一因素或少量几个因素，难以模拟现场多因素和复杂工况下冻结施工全过程对地层影响的问题。

本发明考虑施工现场多因素耦合作用下冻结法施工全过程对地层的影响，既可以应用于矿山立井、斜井冻结法施工模拟（反力架水平放置），又可以模拟平巷、山岭隧道和城市地铁冻结法施工（反力架竖直放置），定量评价多因素耦合作用下（围压、渗流、开挖扰动）冻结法施工对地层温度场、位移场、水分场以及土水压力场的影响，应用前景广泛。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的结构示意图；

图2为反力架的结构示意图；

图3为反力架的剖切图；

图4为冻结管的结构图；

图5为渗流装置的结构图；

图6为冷冻液循环装置与模拟试验箱的连接图。

图中：1、网格框架；2、挡板；3、反力架；31、千斤顶；32、反力杠；33、压力板；4、冻结管；41、内管；42、外管；5、渗流装置；51、水箱；52、升降板，53、压力器；7、制冷装置；8、循环装置；81、冷冻液循环泵；82、第一集液管；83、流通口；84、第二集液管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，本发明包括网格框架1、挡板2和反力架3，网格框架1通过高强螺栓连接组成六面体框架，六面体框架内壁嵌放有六块挡板2；至少一块挡板2上预留管线的穿孔；反力架3为四边形方框，反力架3内框的两相邻边装有千斤顶31、另一个边设有反力杠32，千斤顶31和反力杠32穿过挡板2连接压力板33，反力架3的第四边抵紧六面体框架的一个面；箱体内腔排列放置有冻结管4，并预埋有渗流水管，渗流出水口的挡板上设有反滤层。

六面体框架根据实际需要灵活拆卸和安装，挡板2为钢化玻璃，由于本发明体积较大，能模拟冻结法施工过程中开挖过程对地层的影响。当进行矿山立井、斜井冻结法施工模拟时，首先把反力架水平放置于地面上，然后放置模拟试验箱，安装液压千斤顶，在模拟试验箱内部安装压力板，最后按照试验要求装土。当进行隧道和城市地铁冻结法模拟时，把反力架竖直放置，然后放置模拟试验箱，安装液压千斤顶，在模拟试验箱内部安装压力板，最后按照试验要求装土。

以城市地铁冻结法模拟为例说明试验过程：首先把反力架竖直放置，然后放置模拟试验箱，安装液压千斤顶，在模拟试验箱内部安装压力板，最后按照试验要求装土（根据现场实际地勘资料确定土层层数及土层性质），填土过程中在设计位置埋设温度、湿度、位移以及水土压力传感器，传感器引出线外接数据采集仪；试样装填完毕后在设计位置施加渗流场，施加过程如下所述：

通过外接水管向水箱51持续加水，水箱充满后，水从升降板52槽口向外溢流（升降板52在水箱壁内部的卡槽内可以上下移动，从而改变水箱内液面高度，改变水箱出水口中水的流速），使得水箱内液面恒定获得稳定水头，在水箱51出水口位置接入渗流水管，渗流水管另一头埋设在土样设计位置（根据地勘资料确定含水层位置），从而模拟地层中水的渗流，在连接渗流水管的管线上接入流量计实时监控水流流速，水流在模拟试验箱内部的透水层中流动，在箱体出水口位置设置反滤层，防止渗流造成管涌破坏。

按照设计要求给试样施加压力，千斤顶通过电脑实时控制；根据冻结法施工方案在设计位置钻孔埋设冻结管，冻结管埋设完毕后开启冷冻液循环装置，冷冻液通过冻结管降低试样温度，试样开始积极冻结；积极冻结完成后在设计位置开挖隧道，冻结施工进入消极冻结阶段；边开挖边用有机玻璃制成的支护结构衬砌，直至开挖完成；在荷载、渗流、开挖扰动多因素耦合作用下，数据采集仪记录冻结法施工全过程中地层温度、位移、水分以及土水压力数据。

如图3所示，反力架3为带翼板的框架，包括为上板ⅰ、下板ⅴ、左板ⅱ、中板ⅲ、右板ⅳ、右侧翼板ⅵ和左侧翼板ⅶ，在上板ⅰ与下板ⅴ之间，沿横梁夹装左板ⅱ、中板ⅲ和右板ⅳ，左板ⅱ外侧安装左侧翼板ⅶ，右板ⅳ外侧安装右侧翼板ⅵ。通过结构力学计算，该反力架具有较大反力和产生较小挠度变形。

如图4所示，冻结管4主要由内管41和外管42组合而成，冷冻液从内管口流入，内管底口外溢进入外管隙缝，从外管引流口流出。

如图5所示，渗流装置5主要由水箱51、升降板52和压力器53组成，升降板52在水箱壁内部的卡槽内上下移动，升降板52通过压力器53固定，通过外接水管向水箱51持续加水，水箱充满后，水从升降板52槽口向外溢流（升降板52在水箱壁内部的卡槽内可以上下移动，从而改变水箱内液面高度，改变水箱出水口中水的流速），使得水箱内液面恒定获得稳定水头，在水箱51出水口位置接入渗流水管，渗流水管另一头埋设在土样设计位置（根据地勘资料确定含水层位置），从而模拟地层中水的渗流，在连接渗流水管的管线上接入流量计实时监控水流流速，水流在模拟试验箱内部的透水层中流动，在箱体出水口位置设置反滤层，防止渗流造成管涌破坏。

如图6所示，冷冻液循环装置包括制冷装置7和循环装置8，制冷装置由温度控制器、压缩机、冷凝器、过滤器、蒸发器以及冷却塔组成，制冷装置在蒸发器中给冷冻液降温；循环装置8包括冷冻液循环泵81、第一集液管82、冻结管4和第二集液管84组成，冷冻液选用盐水。在冷冻液循环泵81的作用下从制冷装置7的冷冻液出口进入第一集集液管82，集液管沿柱体面按阵列布设流通口83，流通口83经管路连接冻结管4内管口，冻结管4布设在模拟试验箱内，冷冻液与地层发生热交换降低地层温度，吸收地层热量后，冷冻液从冻结管4外管引流口流入下一级管路，经第二集液管84的流通口汇集，回流入制冷装置7，冷冻液完成循环。