一种冻融循环的模型试验系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术公开了一种冻融循环的模型试验系统及其使用方法。冻融循环的模型试验系统包括箱体外壳、箱体内壁、保温隔板、隧道空腔、加速度传感器、土压力盒、应变片、百分表、温度传感器、压力泵、盐水箱、液氮车、冷却管、盘管、回路管、汇总器、分配器和联通管；模型箱体内外壁及附属设施的设置可以承载试验中冻融土层和搭载各测量仪器，液氮车和压力泵等可以保证冻融循环模拟的合理进行，各测量仪器可以实时监测温度等关键因素的变化情况，便于对试验的进程进行相应的工程；通过该试验系统可以合理预测和探究季节性冻土地区土体的冻胀效应，并且分析冻胀力对隧道结构设计的影响。析冻胀力对隧道结构设计的影响。析冻胀力对隧道结构设计的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种冻融循环的模型试验系统及其使用方法


[0001]本专利技术属于岩土工程的隧道
，具体涉及一种冻融循环的模型试验系统及其使用方法。

技术介绍

[0002]冻土是一种复杂的多相天然复合体，结构构造上也是一种非均质、各向异性的多孔介质，城市隧道周边土体在经历季节性冻融循环过程中，土中水分存在极其不稳定的相变区间，土原有结构性发生破坏，其工程力学性质将产生显著变化，同时在城市车辆荷载长期耦合作用下，容易导致路面病害和不均匀沉降，危害地下管线的运行安全。
[0003]目前针对冻融循环土体的研究主要集中在室内三轴试验和现场实测，技术较为全面且复杂，主要存在以下三点不足：
[0004]1、室内三轴试验研究的是土单元体，其重塑和开挖过程破坏了土体原有结构，无法真实还原土体原状受力情况；
[0005]2、土压力的产生和冻融循环并没有先后顺序，而三轴试验过程中，均将土样先冻融再施加围压，这是由于仪器的局限性所致；
[0006]3、现场实测过程中，隧道外侧以及土体内部难以布置测点，无法直观的得到土体的变形与内力。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种冻融循环的模型试验系统及使用方法，能够合理预测和探究冻融循环作用下对隧道周边土体产生的不良影响，是一种操作简便、科学合理且经济有效的室内缩尺试验模型系统。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0009]提供了一种冻融循环的模型试验系统，包括：
[0010]室内缩尺模型箱，其包括箱体外壳和隧道空腔，所述隧道空腔设置在所述箱体外壳内中部，所述隧道空腔和所述箱体外壳之间具有冻融土层装填区以及位于冻融土层装填区域下方的非冻融土层装填区；
[0011]测量装置，其包括数量均为多个的加速度传感器、土压力盒、应变片和百分表；所述多个加速度传感器分别设置在所述冻融土层装填区中冻融土层的表面上；所述多个土压力盒分别设置在所述隧道空腔的外部上表面和下表面上；所述多个应变片设置在所述隧道空腔的外表面上；所述多个百分表分别设置在所述非冻融土层装填区中非冻融土层的部分上表面上，以及所述冻融土层装填区中冻融土层的上表面和部分下表面上，其中，所述非冻融土层装填区中非冻融土层的部分上表面和所述冻融土层装填区中冻融土层的部分下表面为各自对应的上表面、下表面与所述隧道空腔接触的区域；
[0012]冻融循环装置，其包括温度传感器、降温液供给机构、降温液回收机构以及两端分别与降温液供给机构、降温液回收机构各自连接的多个冷却管；所述温度传感器设置在所
述冻融土层装填区中冻融土层中；所述冷却液供给机构用以给所述冷却管提供降温液；所述降温液回收机构用以将所述冷却管中的降温液回收至所述降温液供给机构中；所述冷却管穿插在所述室内缩尺模型箱的冻融土层装填区且两端伸出至所述室内缩尺模型箱外。
[0013]进一步的，所述降温液供给机构包括：压力泵、盐水箱、分配器和联通管，所述压力泵设置在位于所述分配器和所述盐水箱之间的联通管上，所述分配器设置在所述室内缩尺模型箱右侧且左侧端与各个所述冷却管的一端相连而右侧端通过联通管与所述盐水箱相连。
[0014]进一步的，所述降温液供给机构还包括：液氮车和盘管，所述液氮车设置在所述室内缩尺模型箱右侧，所述盘管设置在所述盐水箱内部且两端均与所述液氮车相连。
[0015]进一步的，所述降温液回收机构包括：回路管和汇总器，所述回路管设置在所述室内缩尺模型箱外侧周边，所述汇总器设置在所述室内缩尺模型箱左侧且右侧端与各个所述冷却管的另一端相连而左侧端通过所述回路管与所述盐水箱连接。
[0016]进一步的，所述箱体外壳内侧壁上涂刷有隔振涂料。
[0017]进一步的，所述箱体外壳的顶端设有保温隔板。
[0018]进一步的，所述多个土压力盒贴在所述隧道空腔的上下表面，并分布于中心截面和左右两对称截面。
[0019]进一步的，所述多个应变片位于所述隧道空腔中轴截面上，在转角和每边的中心点进行粘贴，并且在转角处粘贴时，应变片靠边。
[0020]进一步的，所述百分表在安置时进行预压，底部探针与测点土体相接触，并分布于中心截面和左右两对称截面。
[0021]一种冻融循环的模型试验系统的使用方法，包括以下步骤：
[0022]先往箱体外壳内部回填非冻融土层，回填时应当分层压实，同时不同分层间采取刮花处理；
[0023]然后待非冻融土层回填完毕后，放置位于非冻融土层顶部的土压力盒和百分表，预先在隧道空腔的外围粘贴应变片，将隧道空腔放入非冻融土层上，进行按压；在隧道空腔与箱体外壳之间的孔隙先填冻融土层，待填到与隧道空腔顶面高度平齐后，开始布设隧道空腔上表面的加速度传感器、土压力盒和百分表，采用分层回填土层，在每一层回填时除了刮花处理外，还应放置贯穿箱体外壳的冷却管和温度传感器，待冻融土层即将回填完毕时，开始布设加速度传感器和土压力盒，其中，加速度传感器放置时应当嵌入土层一定深度来保证其方向始终垂直于土层表面；
[0024]最后盖在试验开始之前，启动冻融循环装置，观察温度传感器的变化，并利用冻融循环装置调节土层温度，再次观察温度传感器的变化，待应变、土压力、加速度、位移和温度数据稳定后，对数据归零，并正式开始试验。
[0025]本专利技术冻融循环的模型试验系统以及使用方法至少具有如下有益效果：
[0026]1、本专利技术通过焊接而成的外壳，保证试验进行过程中的稳定性，同时在周边和顶层采用隔振和保温材料，缩小了试验内部温度和能量流失，保证试验的精确性。
[0027]2、本专利技术上下采用双层土层，精确模拟了季节性冻土地区浅层冻结的特点，同时也模拟内部管线隧道，且模型箱整体占地面积小，拼装过程无需大型机械入场，在节省经费的同时，降低了安全风险。
[0028]3、本专利技术利用液氮循环系统间接冻结模型箱内土壤，一方面减少了液氮的泄露流出的风险，另一方面保证了土壤冻胀作用与周边土压力作用正确的先后顺序，增大试验结果的说服力。
[0029]4、本专利技术利用盘管弯曲盘绕的特点，在有限体积的盐水箱体内部增大了盐水与液氮的接触面积与接触时间，降低模型箱体周边的场地占用率的同时保证了冷却管冻结温度场的形成，缩短试验时间，更加高效。
[0030]5、本专利技术在冻融循环装置中安置分配器和汇总器，可通过调节分配器，来控制各冷却管内部流速和流量，必要时可关闭部分冷却管来保证土体内部温度场的均衡，实现了试验各变量的可控性。
[0031]6、本专利技术在盐水冷却管的两端均设置的回路管，整个循环系统处于封闭状态，不仅实现了盐水的循环利用，也保证了模型箱内部的干燥性，免除其他干扰性因素。
附图说明
[0032]图1是本专利技术一实施例中冻融循环的模型试验系统在沿着一剖切方向剖切后的剖视图；
[0033]图2是本专利技术一实施例中一种冻融循环的模型试验系统在沿着另一剖切方向剖切后的剖视图；
[0034]图3是图2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冻融循环的模型试验系统，其特征在于，包括：室内缩尺模型箱，其包括箱体外壳和隧道空腔，所述隧道空腔设置在所述箱体外壳内中部，所述隧道空腔和所述箱体外壳之间具有冻融土层装填区以及位于冻融土层装填区域下方的非冻融土层装填区；测量装置，其包括数量均为多个的加速度传感器、土压力盒、应变片和百分表；所述多个加速度传感器分别设置在所述冻融土层装填区中冻融土层的表面上；所述多个土压力盒分别设置在所述隧道空腔的外部上表面和下表面上；所述多个应变片设置在所述隧道空腔的外表面上；所述多个百分表分别设置在所述非冻融土层装填区中非冻融土层的部分上表面上，以及所述冻融土层装填区中冻融土层的上表面和部分下表面上，其中，所述非冻融土层装填区中非冻融土层的部分上表面和所述冻融土层装填区中冻融土层的部分下表面为各自对应的上表面、下表面与所述隧道空腔接触的区域；冻融循环装置，其包括温度传感器、降温液供给机构、降温液回收机构以及两端分别与降温液供给机构、降温液回收机构各自连接的多个冷却管；所述温度传感器设置在所述冻融土层装填区中冻融土层中；所述冷却液供给机构用以给所述冷却管提供降温液；所述降温液回收机构用以将所述冷却管中的降温液回收至所述降温液供给机构中；所述冷却管穿插在所述室内缩尺模型箱的冻融土层装填区且两端伸出至所述室内缩尺模型箱外。2.根据权利要求1所述的冻融循环的模型试验系统，其特征在于，所述降温液供给机构包括：压力泵、盐水箱、分配器和联通管，所述压力泵设置在位于所述分配器和所述盐水箱之间的联通管上，所述分配器设置在所述室内缩尺模型箱右侧且左侧端与各个所述冷却管的一端相连而右侧端通过联通管与所述盐水箱相连。3.根据权利要求2所述的冻融循环的模型试验系统，其特征在于，所述降温液供给机构还包括：液氮车和盘管，所述液氮车设置在所述室内缩尺模型箱右侧，所述盘管设置在所述盐水箱内部且两端均与所述液氮车相连。4.根据权利要求2所述的冻融循环的模型试验系统，其特征在于，所述降温液回收机...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙苗苗，黄鑫，丁智，周奇辉，刘尊景，马帜，王震，吴熙，虞健刚，黄灿，周烜毅，陈海涛，职非寒，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：