本发明专利技术提供一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统及方法。该模型试验系统利用试验箱体及其中填筑的土体模拟土层；利用制冷系统提供冷媒，携带冷量，通过冻结管将冷量传递给土层，从而达到不同的冻结效果；利用给水循环系统实现对渗流的模拟，也可以达到节省用水的目的；利用位移传感器监测试验箱体内土的冻胀位移，温度传感器和应力传感器分别监测土中的应力和温度，通过数据采集仪收集各个传感器监测到的数据。采用本发明专利技术的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统能够模拟得到冻结法施工过程中温度场、变形场、应力场和渗流场之间的关系，为相关工程提供依据。据。据。
【技术实现步骤摘要】
模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统及方法
[0001]本专利技术涉及模型试验
，尤其涉及一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统及方法。
技术介绍
[0002]在地铁开挖时若采用降水法施工将地下水抽出排掉，会引起地面沉降等问题，同时也是对水资源极大的浪费，而冻结法施工具有防止涌水、不受支护范围和深度的限制以及控制土体变形的优点，可以有效地对含水地层进行加固。目前冻结法施工已广泛应用于富水软粘土地层中地铁联络通道的建设中。
[0003]然而，当冻结法施工在含水粗粒土地层中应用时，地层中地下水的流速往往较大。地下水的流动会对冻结法施工产生诸多不利影响。首先，水的渗流会带走部分冻结管产生的冷量，从而影响制冷效果，增加冻结壁形成时间，地下水渗流速度过大甚至可能导致冻结壁无法交圈(渗流对温度场的影响)；第二，渗流会改变粗粒土冻结过程中的冻结速率、温度梯度和水分迁移状态，从而改变粗粒土的冻胀融沉特性，较大的冻胀量会对周边建筑产生向上位移(渗流对变形场的影响)；第三，冻胀产生的冻胀力也会对周围管线和建筑物基础造成不利影响(渗流对应力场的影响)；此外，温度场、变形场和应力场之间也会相互影响。这些物理场之间相互作用尚不明确，因此，有必要开展关与人工冻结法施工土层中渗流场、温度场、变形场和应力场之间相互关系的研究。
[0004]目前，相关的试验研究主要分为两方面，一方面是采用冻胀试验对土的冻胀融沉特性展开研究；另一方面是利用室内模型试验模拟渗流对冻结法施工温度场的影响。两者均无法考虑多个物理场(渗流场、温度场、变形场和应力场)相互耦合所带来的影响。对于冻胀试验，一般采用一套包括恒温箱、试样筒、配套冷浴、补水瓶、温度和位移传感器以及数据采集仪的装置。通过调节冷浴温度来实现对土体冻结过程的模拟，并通过传感器测量冻胀融沉量以及土试样内部温度，数据采集仪负责采集数据；通过调节补水瓶的位置以及水位高度可模拟土的饱和状态以及改变系统的开敞性。对于室内模型试验，现阶段用于研究渗流对冻结法施工影响的试验装置一般包括模型试验箱、配套冷浴、冻结管、给水装置、温度传感器以及数据采集仪。冷浴负责对冻结管进行降温，从而对模型试验箱内的土体进行降温；给水装置可以实现对地下水渗流的模拟；温度传感器和数据采集仪负责对土体内部温度的监测与采集。
[0005]一般的冻胀试验装置体积小，只能进行单一方向的冻结，不仅不能模拟冻结管的布设，也不能模拟渗流。室内模型试验体积大，可以灵活控制冻结方式、渗流以及地层状态，更适用于研究渗流对冻结法施工的影响，但是现在的试验装置只能实现对土体内部温度场的监测，而无法实现对其他物理场(变形场和应力场)的监测。
[0006]综上所述，现阶段的研究方法与手段只能模拟单一或者两个物理场的耦合作用，无法考虑人工冻结过程中多个物理场的耦合作用。因此，有必要研制一套可用于监测人工冻结过程中渗流场、温度场、变形场和应力场的试验装置。
技术实现思路
[0007]本专利技术提供一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统及方法，用以解决现有技术中的研究方法和手段只能模拟单一或两个物理场的耦合作用，无法模拟多个物理场的相互作用关系，导致模拟不全面的缺陷，实现模拟多个物理场的之间的耦合关系。
[0008]本专利技术提供一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，包括：
[0009]试验箱体，所述试验箱体内部依次形成连通的第一储水室、填土箱体和第二储水室，所述第一储水室设有第一进水口，所述第二储水室设有第一出水口；
[0010]制冷系统；
[0011]若干根冻结管，所述若干根冻结管埋设于所述填土箱体的土层中，所述冻结管的进水口与所述制冷系统的冷媒出口连通，所述冻结管的出水口与所述制冷系统的冷媒入口连通；
[0012]给水循环系统，所述给水循环系统设有第二进水口和第二出水口，所述第二进水口与所述第一出水口连通，所述第二出水口与所述第一进水口连通；
[0013]数据采集系统，所述数据采集系统包括数据采集仪、位移传感器、温度传感器和应力传感器，所述数据采集仪分别与所述位移传感器、所述温度传感器和所述应力传感器电连接，所述位移传感器设于所述填土箱体的土层顶部，所述温度传感器和所述应力传感器分别埋设于所述填土箱体的土层中。
[0014]根据本专利技术提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，所述试验箱体还包括缓冲室和过滤室，所述第一储水室、所述缓冲室、所述填土箱体、所述过滤室和所述第二储水室依次沿所述试验箱体的长度方向设置并通过滤网依次连通。
[0015]根据本专利技术提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，所述缓冲室和所述过滤室内分别设有透水石。
[0016]根据本专利技术提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，还包括第一法兰盘和第二法兰盘，所述冻结管的进水口通过所述第一法兰盘与所述制冷系统的冷媒出口连通，所述冻结管的出水口通过所述第二法兰盘与所述制冷系统的冷媒入口连通。
[0017]根据本专利技术提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，所述第一法兰盘和所述第二法兰盘分别包括法兰主管和法兰支管，所述法兰支管呈环形分布并与所述法兰主管连通；其中，
[0018]所述第一法兰盘的法兰主管与所述冷媒出口连通，所述第一法兰盘的法兰支管与所述冻结管的进水口连通，所述第二法兰盘的法兰主管与所述冷媒入口连通，所述第二法兰盘的法兰支管与所述冻结管的出水口连通。
[0019]根据本专利技术提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，所述法兰支管至少由两层环形分布，且分布于靠近环形中心的所述法兰支管的长度大于分布于远离环形中心的所述法兰支管的长度。
[0020]根据本专利技术提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，所述冻结管的进水口和所述冻结管的出水口分别位于所述冻结管的同一端。
[0021]根据本专利技术提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，所述给水循环系统包括给水箱体、水泵和流量计，所述给水箱体内设有过滤板并通过所述过滤
板分割形成连通的浑水室和清水室，所述第二进水口与所述浑水室连通，所述清水室通过所述水泵与所述第二出水口连通，所述流量计设于所述第二出水口与所述第一进水口之间。
[0022]根据本专利技术提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，所述制冷系统包括制冷机和冷媒水箱，所述冷媒入口和所述冷媒出口分别与所述冷媒水箱连通，所述制冷机与所述冷媒水箱连通，在所述冷媒入口和所述冷媒出口还设有阀体。
[0023]本专利技术还提供一种利用本专利技术的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统的试验方法，包括：
[0024]将若干根冻结管竖直放置于所述填土箱体内；
[0025]根据试验需求确定土的类型以及各项参数，采用分层击实的方法进行填土，当填土高度达到预设高度时，将温度传感器和应力传感器布设于土层待测位置；
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，包括：试验箱体，所述试验箱体内部依次形成连通的第一储水室、填土箱体和第二储水室，所述第一储水室设有第一进水口，所述第二储水室设有第一出水口；制冷系统；若干根冻结管，所述若干根冻结管埋设于所述填土箱体的土层中，所述冻结管的进水口与所述制冷系统的冷媒出口连通，所述冻结管的出水口与所述制冷系统的冷媒入口连通；给水循环系统，所述给水循环系统设有第二进水口和第二出水口，所述第二进水口与所述第一出水口连通，所述第二出水口与所述第一进水口连通；数据采集系统，所述数据采集系统包括数据采集仪、位移传感器、温度传感器和应力传感器，所述数据采集仪分别与所述位移传感器、所述温度传感器和所述应力传感器电连接，所述位移传感器设于所述填土箱体的土层顶部，所述温度传感器和所述应力传感器分别埋设于所述填土箱体的土层中。2.根据权利要求1所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，所述试验箱体还包括缓冲室和过滤室，所述第一储水室、所述缓冲室、所述填土箱体、所述过滤室和所述第二储水室依次沿所述试验箱体的长度方向设置并通过滤网依次连通。3.根据权利要求2所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，所述缓冲室和所述过滤室内分别设有透水石。4.根据权利要求1所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，还包括第一法兰盘和第二法兰盘，所述冻结管的进水口通过所述第一法兰盘与所述制冷系统的冷媒出口连通，所述冻结管的出水口通过所述第二法兰盘与所述制冷系统的冷媒入口连通。5.根据权利要求4所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，所述第一法兰盘和所述第二法兰盘分别包括法兰主管和法兰支管，所述法兰支管呈环形分布并与所述法兰主管连通；其中，所述第一法兰盘的法兰主管与所述冷媒出口连通，所述第一法兰盘的法兰支管与所述冻结管的进水口连通，所述第二法兰盘的法兰主管与所述冷媒入口连通，所述第二法兰盘的法兰支管与所述冻结管的出水口连通。6....
【专利技术属性】
技术研发人员：王方宇，彭丽云，屈峣，赵军霖，齐吉琳，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：
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