冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台的制作方法

[0001]
本发明涉及冻结壁发育状况模拟技术领域。具体地说是冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台。


背景技术：

[0002]
人工冻结法是利用人工制冷技术，将待建结构周围地层冻结为连续封闭冻土体的特殊地层加固方法。该工法具有隔绝地下水、增加土体强度、提高稳定性、无污染等优势，已经被广泛应用于矿井建设、地铁建设、基坑及综合管廊建设中。但是目前人工冻结壁发育状况通用检测技术主要依赖测温法，导致覆盖面比较小，容易产生漏测，常会出现冻结壁异常、局部不交圈的现象发生，造成数以亿计的损失。因此目前亟需一种可以利用无损探测手段实现“面—局部—点”的检测方法具有重要意义。
[0003]
声波法和电阻率法是区分未冻土与冻土较好的手段，但是目前缺乏针对此类方法的室内模型试验研究，导致以上两种方法仍为利用在冻结施工现场中。所以目前研发可实现冻结壁发育状况超声-电阻率参量的冻结相似模拟试验装置势在必行。


技术实现要素：

[0004]
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种适用性强、灵活性好的冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台。
[0005]
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
[0006]
冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，包括超声波测试系统、电阻率测试系统、温度测试系统、盐水供给系统、清水供给系统、制冷系统、模拟实验箱和土层补水系统；
[0007]
在所述模拟实验箱内按照模拟土层的要求铺设有内部土层，在内部土层的相对两侧设有土层补水系统；
[0008]
所述盐水供给系统的盐水箱的出水端通过盐水泵与所述模拟实验箱内的冻结管的进水端流体导通，冻结管的出水端依次与所述制冷系统的制冷机和冷凝器的盐水入口端流体导通，所述制冷系统的冷凝器的盐水出口端与所述盐水供给系统的盐水箱进水端流体导通；
[0009]
所述清水供给系统的清水箱出水端通过清水泵与所述模拟实验箱内侧的土层补水系统的补水通道的进水口流体导出，所述模拟实验箱侧内侧的土层补水系统的补水通道的出水口与所述清水供给系统的清水箱进水端流体导通；清水箱出水端通过清水泵与所述冷凝器的清水入口端流体导通，所述冷凝器的清水出水端与所述清水箱清水入水端流体导通；
[0010]
所述超声波测试系统、所述电阻率测试系统和所述温度测试系统的采集端安装在所述模拟实验箱内，所述超声波测试系统、所述电阻率测试系统和所述温度测试系统的测试端接收所述超声波测试系统、所述电阻率测试系统和所述温度测试系统的采集端的数据
进行测试。
[0011]
上述冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，所述土层补水系统包括滤水层和铁砂网；所述滤水层位于补水通道的进水口和补水通道的出水口处的所述模拟实验箱内侧壁处，铁砂网位于所述内部土层与所述滤水层之间；所述滤水层为砂卵石层，厚度为50-100mm。
[0012]
上述冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，在内部土层(702)上方设有封水加压系统，所述封水加压系统包括不透水层、混凝土层和液压油缸，所述不透水层位于内部土层上方，在补水条件下，不透水层上方增加铺设混凝土层，所述液压油缸位于所述混凝土层上方，所述液压油缸的动力输出端在所述混凝土层上；所述混凝土层(706)与所述模拟实验箱(700)侧壁的连接处，涂覆有水不漏或者聚氨酯；所述模拟实验箱(700)的四个外壁面及所述混凝土层(706)上部用橡塑保温板进行包裹，橡塑保温板的厚度为2-4cm。
[0013]
上述冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，所述不透水层为黏土层，所述不透水层的厚度为100-200mm；所述混凝土层的厚度为50-200mm；在所述混凝土层上方的所述模拟实验箱的侧壁上焊接有钢筋；所述钢筋增加所述混凝土层与所述模拟实验箱之间的连接性。
[0014]
上述冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，在所述模拟实验箱的内部土层上：沿竖直方向设有冻结孔和超声波检测孔，其中超声波检测孔均匀地布置在冻结孔四周，所述冻结孔内安装有冻结管，所述超声波检测孔内安装有声测管；
[0015]
在内部土层的中部：冻结孔之间、超声波检测孔之间以及冻结孔与超声波检测孔之间的均设有温度测点；
[0016]
在不透水层上：在冻结孔之间的轴线上设有电阻率检测点，在冻结孔与超声波检测孔之间的轴线上设有电阻率检测点。
[0017]
上述冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，所述超声波测试系统的测试端为超声波换能器，所述超声波测试系统的采集端为超声波采集仪，超声波换能器安装在所述声测管内，超声波换能器的信号输出端与所述超声波采集仪的信号输入端通信连接；
[0018]
所述温度测试系统的测试端为测温线，测温线安装在温度测点处，所述温度测试系统的采集端为温度采集系统，测温线的数据输出端与所述温度采集系统的输入端通信连接；
[0019]
所述电阻率测试系统的测试端为电阻率测试线，电阻率测试线安装在电阻率检测点处；所述电阻率测试系统的采集端为电阻率测试仪，电阻率测试线的数据输出端通过电缆与所述电阻率测试仪的输入端通信连接，电阻率测试线的电极每隔3-5cm布置一个。
[0020]
上述冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，所述冻结管为b2和b3；所述声测管为a1、a2、a3、a4、b1、b4、c1、c2、c3和c4，其中a1、a2、a3和a4在同一条直线上，b1、b2、b3和b4在同一条直线上，c1、c2、c3和c4在同一条直线上，且a1、a2、a3和a4组成的直线、b1、b2、b3组成的直线以及b4 c1、c2、c3和c4组成的直线相互平行；
[0021]
同时a1、b1和c1，a2、b2和c2，a3、b3和c3，a4、b4和c4分别在同一条直线上，且与a1、a2、a3和a4组成的直线、b1、b2、b3组成的直线以及b4 c1、c2、c3和c4组成的直线相互垂直。
[0022]
上述冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，在内部土层的中部：在a1、a2、a3和a4组成的直线，b1、b2、b3、b4组成的直线以及c1、c2、c3和c4组成的直线之间的轴线上设有温度测点；在不透水层上：在a1、a2、a3和a4组成的直线，b1、b2、b3、b4组成的直线以及c1、c2、c3和c4组成的直线之间的轴线上设有电阻率检测点。
[0023]
上述冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，在内部土层的中部：在a1、b1和c1组成的直线，a2、b2和c2组成的直线，a3、b3和c3组成的直线，a4、b4和c4组成的直线的轴线上设有温度测点；在不透水层上：在a2、b2和c2组成的直线与a3、b3和c3组成的直线之间的轴线上设有电阻率检测点。
[0024]
上述冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，在温度测点(703)处布置测温线，测温线的数据输出端与所述温度采集系统的输入端通信连接；电阻率检测点(714)处布置电阻率测试线电阻率测试线的数据输出端通过电缆与所述电阻率测试仪的输入端通信连接，在声测管a1、a2、a3、a4、b1、b4、c1、c2、c3和c4内布置超声波换能器，超声波换能器的信号输出端与所述超声波采集仪的信号输入端通信连接。
[0025]
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
[0026]
本发明提出了一种模拟冻结壁发育状况超声-电阻率参量的冻结相似模拟试验装置充分考虑不同地压、地下水补给等工况，可以模拟开放和封闭两种试验系统。声测管、电阻率测试线两种检测元器件按照实际工程中布置。因此，能够精确地模拟实际工程。
[0027]
本发明提出了一种模拟冻结壁发育状况超声-电阻率参量的冻结相似模拟试验装置。该模拟装置通过设置液压油缸和清水供给系统设置节流阀控制流量可以模拟不同地压、地下水补给等工况的冻结壁发育超声-电阻率参量。可以通过声测管、电阻率测试线测定不同时刻测线位置的超声-电阻率参量，结合测温数据判断不同时刻冻结壁的发育状况。
[0028]
与此同时，该土箱上部可拆卸结构，可通过布置上部水泥砂浆或者混凝土实现不同冻结管、声测管、电阻率测试线的布置，进而适应不同相似缩比(1:2-1:30)、声测孔位、电阻率测试线布置形式等工况。该试验台适用性强、灵活性好，可以在施工现场中应用。
附图说明
[0029]
图1本发明冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台的结构示意图；
[0030]
图2本发明冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台的俯视图；
[0031]
图3本发明冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台的侧视图；
[0032]
图4本发明冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台的另一个侧视图；
[0033]
图5本发明冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验过程中未冻土的电阻率云图；
[0034]
图6本发明冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验过程中冻结4h的电阻率云图；
[0035]
图7本发明冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验过程中冻结8h的电阻率云图；
[0036]
图8本发明冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验过程中冻结12h
的电阻率云图；
[0037]
图9本发明冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验过程中冻结孔间超声波波速与冻结时间图。
[0038]
图中附图标记表示为：100-超声波测试系统；200-电阻率测试系统；201-电阻率测试线；400-盐水供给系统；500-清水供给系统；600-制冷系统；700-模拟实验箱；401-盐水泵；402-盐水箱；501-清水泵；502-清水箱；601-制冷机；602-制冷机；701-滤水层；702-内部土层；703-补水通道的进水口；704-补水通道的出水口；705-不透水层；706-混凝土层；707-液压油缸；711-冻结管；712-声测管；713-温度测点；714-电阻率检测点；715-预测零度线。
具体实施方式
[0039]
本实施例的冻结壁发育状况超声电阻率参量的冻结相似模拟试验平台，如图1所示，包括超声波测试系统100、电阻率测试系统200、温度测试系统、盐水供给系统400、清水供给系统500、制冷系统600、模拟实验箱700和土层补水系统；
[0040]
在所述模拟实验箱700内按照模拟土层的要求铺设有内部土层702，在内部土层702的相对两侧设有土层补水系统；
[0041]
所述盐水供给系统400的盐水箱402的出水端通过盐水泵401与所述模拟实验箱700内的一个冻结管711的进水端流体导通，冻结管711的出水端依次与所述制冷系统600的制冷机602和冷凝器601的盐水入口端流体导通，所述制冷系统600的冷凝器601的盐水出口端与所述盐水供给系统400的盐水箱402进水端流体导通；盐水供给系统用于循环冻结管。
[0042]
所述清水供给系统500的清水箱502出水端通过清水泵501与所述模拟实验箱700内侧的土层补水系统的补水通道的进水口703流体导出，所述模拟实验箱700内侧的土层补水系统的补水通道的出水口704与所述清水供给系统500的清水箱502进水端流体导通；清水箱502出水端通过清水泵501与所述冷凝器601的清水入口端流体导通，所述冷凝器601的清水出水端与所述清水箱502清水入水端流体导通；清水供给系统500用于模拟实验箱的补水通道循环，另外清水供给系统500还为冷凝器提供清水循环，用于为制冷机602降温。
[0043]
所述超声波测试系统100、所述电阻率测试系统200和所述温度测试系统的采集端安装在所述模拟实验箱700内，所述超声波测试系统100、所述电阻率测试系统200和所述温度测试系统的测试端接收所述超声波测试系统100、所述电阻率测试系统200和所述温度测试系统的采集端的数据进行测试。
[0044]
本实施例中的模拟实验箱700的尺寸长*宽*高为：2m*1.5m*1m，可以满足大多数1:2-1:10冻结壁发育状况超声-电阻率参量的冻结相似模拟试验；其中几何相似比为c
l
；密度相似比为c
ρ
；超声波波速相似比由于电阻率是物体本身的固有性质，故相似比为1。
[0045]
如图3和图4所示，所述土层补水系统包括滤水层701和铁砂网；所述滤水层701位于补水通道的进水口703和补水通道的出水口704处的所述模拟实验箱700内侧壁处，铁砂网位于所述内部土层702与所述滤水层701之间；所述滤水层701为砂卵石层，厚度为50-100mm。
[0046]
滤水层701与内部土层702用铁纱网隔开，补水不断从模拟实验箱700左侧向右侧
补给。在所述清水供给系统500的清水箱502出水端与补水通道的进水口703之间采用节流阀控制流量，根据土壤含水率变化调节补水量，并根据补水重量与水流出的质量差计算补水量。
[0047]
如图3所示，所述封水加压系统包括不透水层705、混凝土层706和液压油缸707，所述不透水层705位于内部土层702上方，在补水条件下，不透水层705上方增加铺设混凝土层706，所述液压油缸707位于所述混凝土层706上方，所述液压油缸707的动力输出端在所述混凝土层706上。所述不透水层705为黏土层，所述不透水层705的厚度为100-200mm；保证实验过程中滴水不漏。
[0048]
在补水条件下，在所述不透水层705上方铺设有混凝土层706。在不补水的条件下，不加混凝土层。所述混凝土层706的厚度为50mm；在所述混凝土层706上方的所述模拟实验箱700的侧壁上焊接有钢筋；所述钢筋增加所述混凝土层706与所述模拟实验箱700间的连接性。所述混凝土层(706)与所述模拟实验箱(700)侧壁的连接处，涂覆有水不漏或者聚氨酯；在连接处应用防漏胶进行灌注防止补水从实验装置上方漏出。所述模拟实验箱(700)的四个外壁面及所述混凝土层(706)上部用橡塑保温板进行包裹，橡塑保温板的厚度为2-4cm，防止冷量散失。
[0049]
如图3和图4所示，为了在施工现场能够模拟不同地压、地下水补给等工况，在试验台上方增加配重块液压油缸707进行地层压力的模拟。
[0050]
为了对冻结壁发育状况超声-电阻率参量相似模拟进行试验，在所述模拟实验箱700的内部土层702上：内沿竖直方向设有冻结孔和超声波检测孔，如图1和图2所示，其中超声波检测孔均匀的布置在冻结孔四周，所述冻结孔内安装有冻结管711，所述超声波检测孔内安装有声测管712；
[0051]
在内部土层702的中部：冻结孔之间、超声波检测孔之间以及冻结孔与超声波检测孔之间均设有温度测点713；
[0052]
在不透水层705上：在冻结孔之间的轴线上设有电阻率检测点714，在冻结孔与超声波检测孔之间的轴线上设有电阻率检测点714。
[0053]
具体的，如图2所示：所述冻结管为b2和b3；所述声测管为a1、a2、a3、a4、b1、b4、c1、c2、c3和c4，其中a1、a2、a3和a4在同一条直线上，b1、b2、b3和b4在同一条直线上，c1、c2、c3和c4在同一条直线上，且a1、a2、a3和a4组成的直线、b1、b2、b3组成的直线以及b4 c1、c2、c3和c4组成的直线相互平行；同时a1、b1和c1，a2、b2和c2，a3、b3和c3，a4、b4和c4分别在同一条直线上，且与a1、a2、a3和a4组成的直线、b1、b2、b3组成的直线以及b4 c1、c2、c3和c4组成的直线相互垂直。
[0054]
在a1、a2、a3和a4组成的直线，b1、b2、b3组成的直线以及b4 c1、c2、c3和c4之间设有温度测点703以及电阻率检测点704。
[0055]
在a1、b1和c1组成的直线，a2、b2和c2组成的直线，a3、b3和c3组成的直线，a4、b4和c4组成的直线的轴线上设有温度测点703；在a2、b2和c2组成的直线与a3、b3和c3组成的直线之间的轴线上设有电阻率检测点704。
[0056]
模拟实验箱700内的冻结管、声测管、温度测点和电阻率检测点布置完毕后，布置超声波测试系统100、电阻率测试系统200和温度测试系统。
[0057]
所述超声波测试系统100的采集端为超声波采集仪，超声波换能器安装在所述声
测管内，超声波换能器的信号输出端与所述超声波采集仪的信号输入端通信连接；
[0058]
所述温度测试系统的测试端为测温线，测温线安装在温度测点处，所述温度测试系统的采集端为温度采集系统，测温线的数据输出端与所述温度采集系统的输入端通信连接；
[0059]
所述电阻率测试系统200的测试端为电阻率测试线，电阻率测试线安装在电阻率检测点处；所述电阻率测试系统200的采集端为电阻率测试仪，电阻率测试线的数据输出端通过电缆与所述电阻率测试仪的输入端通信连接，电阻率测试线的电极每隔3-5cm布置一个。
[0060]
模拟实验箱700内部每隔0.2-0.5m布置超声波检测孔，超声波换能器大小为直径42mm，长度20cm，在超声波检测孔内安装有冻结管，如耦合效果不良，可在超声波换能器周围涂抹黄油后直接按照测点布置方式埋入土壤，每埋入5cm时，用土压实一次，保证超声波换能器与土壤充分耦合不留空气。
[0061]
超声波测试系统包括接收端和发射端，能够实现单发单收，两孔检测。其中b2、b3为冻结管，b2、b3孔间主要检测冻结壁零温线以内区域交圈与否，故在冻结前期0-12h以内应当每隔15分钟检测一次。
[0062]
a1、a2；a2、a3；a3、a4；a4、b4；b4、c4；c3、c4；c2、c3；c1、c2；a1、b1；b1、c1十组孔间主要检测不同温度的恒温冻结模式下冻土的声学参数包括波速、波形、振幅等。以b2、b3为轴分别对a3、b3；a4、b3；b4、b3；c4、b3；c3、b3；c2、b2；c1、b2；b1、b2；a1、b2；a2、b2进行检测，可以检测出孔间零度线位置，进而绘制出最终的零度线图。
[0063]
如图2所示，土箱内在预测零度线内部平行布置两条电阻率测线，即a3、b3；a4、b3；b4、b3；c4、b3；c3、b3；c2、b2；c1、b2；b1、b2；a1、b2；a2、b2绘制出最终的零度线图内；
[0064]
在内部土层702的中部：在a2、b2和c2组成的直线与a3、b3和c3组成的直线之间的轴线上设有电阻率检测点以及在a1、a2、a3和a4组成的直线，b1、b2、b3、b4组成的直线以及c1、c2、c3和c4组成的直线之间设有温度测点；在不透水层705上：在a1、a2、a3和a4组成的直线，b1、b2、b3、b4组成的直线以及c1、c2、c3和c4组成的直线之间的轴线上设有电阻率检测点即两冻结孔之间轴线布置一条检测线；
[0065]
在内部土层702的中部：在a1、b1和c1组成的直线，a2、b2和c2组成的直线，a3、b3和c3组成的直线，a4、b4和c4组成的直线的轴线上设有温度测点703；在不透水层705上：在a2、b2和c2组成的直线与a3、b3和c3组成的直线之间的轴线上设有电阻率检测点714。
[0066]
在温度测点703处布置测温线，测温线的数据输出端与所述温度采集系统的输入端通信连接；电阻率检测点714处布置电阻率测试线电阻率测试线的数据输出端通过电缆与所述电阻率测试仪的输入端通信连接，在声测管a1、a2、a3、a4、b1、b4、c1、c2、c3和c4内布置超声波换能器，超声波换能器的信号输出端与所述超声波采集仪的信号输入端通信连接。
[0067]
沿检测线每隔5cm布置一个电极，每个电极与采集头连接，并通过电缆传输数据。每隔2小时检测各个剖面的电阻率云图变化，进行冻结区域的纵剖面判定。如图5-图8所示，分别给出未冻结、冻结4h、8h和12h时的冻结区域的纵剖面图。
[0068]
需要在试验台上方周围焊若干钢筋，增加混凝土与试验台时间的胶结性；每次可根据不同工况布置不同位置冻结管、声测管、电阻测线。管径需要按照相似比进行修改。布
置完后每隔5cm填土压实，上方设置不透水层，之后浇筑混凝土，进行水头测试，不漏水后则可进行实验。
[0069]
试验后，凿除混凝土，24小时之内逐渐将冻土层揭露，测量冻土的冻结范围与电阻法、超声法、测温法确定的冻土范围进行对比。
[0070]
本实施例选取广州云大区间砂土层为背景在施工现场进行冻结壁发育状况超声-电阻率参量的冻结相似模拟。几何相似比为1:5，密度相似比为1：1.2，波速相似比为1.09：1。
[0071]
冻结12h，0-2h冻结孔间超声波每隔15分钟检测一次，2-6h每隔1小时检测一次，6-12h每隔2h检测一次。电阻率每隔2小时检测各个剖面的电阻率云图变化，进行冻结区域的纵剖面判定。如图5-图8所示，分别给出未冻结、冻结4h、8h和12h时的冻结区域的纵剖面图。
[0072]
通过图5-图8和图9所示，电阻率能够检测出在深度方向冻结区域轮廓紫色、红色区域，而冻结孔间超声波能够准确预报冻结孔间交圈时间1.7h、冻结壁形成时间6h，两种方法结合能够对冻结壁发育状况有效预报。
[0073]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。