一种支持土工离心机机上冻结的模型装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种支持土工离心机机上冻结的模型装置及试验方法，包括：模型试验箱，用于放置试验土体；测量系统，与模型试验箱和试验土体相配合，用于测量土体参数；数据采集系统，与测量系统相连，用于采集土体参数；数据分析系统，与数据采集系统相连，用于分析土体参数；冻结系统，包括半导体冻结模块，半导体冻结模块设置在模型试验箱内试验土体的上方。与现有技术相比，本发明专利技术利用冻结系统中半导体在电流作用下产生的帕尔帖效应对试验箱的土体进行冷却冻结，可以在离心机运行过程中对试验箱内土体进行直接式冻结，减少了因停机冻结带来的误差，利用离心机重力场与离心力场之间的等效原则最大程度上还原了冻土或人工冻土真实的应力状态。应力状态。应力状态。

【技术实现步骤摘要】
一种支持土工离心机机上冻结的模型装置及试验方法


[0001]本专利技术涉及土工离心机应用领域，尤其是涉及一种支持土工离心机机上冻结的模型装置及试验方法。

技术介绍

[0002]人工地层冻结法是我国沿海软土地区地下空间开挖常用的一种绿色工法，具有封水性好、适应性强及施工环保便利等特点，已经广泛应用于地铁联络通道、盾构进出洞、越江跨海通道和工程抢险急救当中。然而，无论是冻土，亦或是人工冻土都具有明显的冻胀性、融沉性、流变性等工程特性，极易引发多种病害问题，严重威胁建(构)筑物的安全性与稳定性。
[0003]目前开展的关于大型人工冻土或冻土工程的研究通常利用数值分析、物理实验和物理模拟试验等手段，其中就物理模拟试验而言，通过开展足尺的模型试验虽然能更接近工程原型，但该研究方法存在周期长、造价高、数据采集不准确等特点。缩尺模型试验虽然可以解决上述部分问题，但其存在缩尺效应，得到的温度场、应力场、土壤水分迁移等存在比尺失效的情况。
[0004]为了解决足尺与缩尺试验存在的不足，有研究人员专利技术了土工离心机，对应地，土工离心机模拟试验是借助离心机高速旋转为模型创造与原型应力水平相同的应力场，从而使原型的性状在模型中再现的一种物理模拟手段。因此，许多学者便通过土工离心机开展关于冻土或人工冻土工程的相关研究。
[0005]此外，常规的冻结方法比如采用涡流管进行冻结，它主要是将高速旋转的压缩空气分离成低温气体和高温气体，利用产生的冷空气对土体进行不断冻结，但该法必须是采用高速旋转的压缩空气才能进行降温冷却，而储存压缩空气的储存罐面积较大不利于存放。因而，为了实现冻结，许多学者是采用停机的方式对土体进行冻结。但是，这种间接冻结的方式极大程度上影响了试验结果的准确性，同时不利于观察模型箱的试验土体在某一重力环境及运行时刻下冻结的演变规律。
[0006]综上，针对现有土工离心机冻土研究中采用间接冻结方案的缺陷，有必要提出一种解决方案。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种支持土工离心机机上冻结的模型装置及试验方法。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009]根据本专利技术的第一方面，提供一种支持土工离心机机上冻结的模型装置，包括：
[0010]模型试验箱，用于放置试验土体；
[0011]测量系统，与模型试验箱和试验土体相配合，用于测量土体参数；
[0012]数据采集系统，与测量系统相连，用于采集土体参数；
[0013]数据分析系统，与数据采集系统相连，用于分析土体参数；
[0014]冻结系统，包括半导体冻结模块，所述半导体冻结模块设置在模型试验箱内试验土体的上方。
[0015]进一步地，所述模型试验箱包括内箱和外箱，内箱和外箱的侧壁之间形成夹层结构，所述内箱用于放置试验土体，所述内箱的内侧壁设有保温材料；
[0016]所述冻结系统还包括冷媒冻结模块，所述冷媒冻结模块包括冷媒介质，所述冷媒介质设置在内箱和外箱之间的夹层内，所述内箱侧壁的顶部设有冷媒传输口，所述冷媒传输口的位置高于试验土体的顶部，冷媒介质通过冷媒传输口进入内箱。
[0017]进一步地，所述半导体冻结模块包括导冷铝板、半导体制冷片、电源、导热铜管和散热装置，所述电源连接各个半导体制冷片，所述半导体制冷片拼装在导冷铝板上，且半导体制冷片的冷端连接导冷铝板的上表面，半导体制冷片的热端通过导热铜管连接散热装置。
[0018]进一步地，所述导冷铝板的上表面还覆盖有保温膜。
[0019]进一步地，所述散热装置包括鳍片式散热器、散热风扇和风扇保护罩，所述导热铜管连接鳍片式散热器，所述散热风扇固定在鳍片式散热器上，所述风扇保护罩设置在散热风扇外。
[0020]进一步地，所述冻结系统还包括冻结管，所述冻结管的端部位置高于试验土体的顶部，所述冻结管的主体埋设在模型试验箱内试验土体的内部，所述冻结管用于将半导体冻结模块和冷媒冻结模块的冷量传递至试验土体内部；所述冻结管以平行于模型试验箱侧壁的平面形式设置在模型试验箱中央平面的上半部分。
[0021]进一步地，所述测量系统包括压力测量系统，所述压力测量系统包括土压力传感器和孔压传感器，以距离冻结管不同水平距离处为安装平面，所述土压力传感器和孔压传感器埋设在各个安装平面的不同深度处。
[0022]进一步地，所述测量系统包括温度测量系统，所述温度测量系统包括横向热敏电阻温度测量器和纵向热敏电阻温度测量器，所述横向热敏电阻温度测量器设置在预设置的冻结帷幕边界平面的不同深度处，以距离冻结管不同水平距离处为安装平面，所述纵向热敏电阻温度测量器设置在各个安装平面的不同深度处。
[0023]进一步地，所述测量系统包括位移测量系统，所述位移测量系统包括分层位移标和激光位移传感器，以距离冻结管不同水平距离处为安装平面，所述分层位移标的下端板设置在各个安装平面的不同深度处，所述分层位移标的上端板位置高于试验土体的顶部，所述激光位移传感器安装在试验土体的上方，用于测量分层位移标的上端板的位移量。
[0024]根据本专利技术的第二方面，提供一种试验方法，基于如本专利技术第一方面所述的一种支持土工离心机机上冻结的模型装置，包括：
[0025]S1、设计离心机试验模型箱，确定实际的研究对象进而确定土的种类，然后将试验土体分层填筑于试验模型箱内；
[0026]S2、按照试验方案在试验模型箱内设置测量系统；
[0027]S3、在试验模型箱上安装冻结系统；
[0028]S4、将离心机试验模型箱放入离心舱中的箱体中，开启土工离心机，同时启动冻结系统进行冻结；
[0029]S5、通过测量系统记录试验模型箱内试验土体的参数变化，通过数据采集系统将测量数据传输至数据分析系统，进行土体参数分析。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0031](1)利用冻结系统中半导体在电流作用下产生的Peltier效应(帕尔帖效应)对试验箱的土体进行冷却冻结，可以在离心机运行过程中对试验箱内土体进行直接式冻结，减少了因停机冻结带来的误差，利用离心机重力场与离心力场之间的等效原则最大程度上还原了冻土或人工冻土真实的应力状态，通过在离心机运行过程中进行逐渐冻结的方式，可真实再现冻土或人工冻土工程温度场、应力场、冻胀量等变化过程。
[0032](2)利用半导体在电流作用下产生的Peltier效应(帕尔帖效应)对试验箱的土体进行冷却冻结，同时利用液氮等制冷剂在离心机旋转下蒸发生成冷气对土体进行双重制冷，可以通过调整半导体冻结模块的功率和冷媒介质的用量，实现不同冻结要求，有效地保证了土体的冻结，整体操作简单、技术成熟且有效节省了空间。
[0033](3)整个试验过程中冻结土体的温度、土压力、孔隙水压力、分层冻胀量、土表冻胀量等均可通过数据采集系统进行实时收集，通过数据分析系统可及时地总结与梳理土体不断冻结过程的变化规律。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种支持土工离心机机上冻结的模型装置，其特征在于，包括：模型试验箱，用于放置试验土体；测量系统，与模型试验箱和试验土体相配合，用于测量土体参数；数据采集系统，与测量系统相连，用于采集土体参数；数据分析系统，与数据采集系统相连，用于分析土体参数；冻结系统，包括半导体冻结模块，所述半导体冻结模块设置在模型试验箱内试验土体的上方。2.根据权利要求1所述的一种支持土工离心机机上冻结的模型装置，其特征在于，所述模型试验箱包括内箱和外箱，内箱和外箱的侧壁之间形成夹层结构，所述内箱用于放置试验土体，所述内箱的内侧壁设有保温材料；所述冻结系统还包括冷媒冻结模块，所述冷媒冻结模块包括冷媒介质，所述冷媒介质设置在内箱和外箱之间的夹层内，所述内箱侧壁的顶部设有冷媒传输口，所述冷媒传输口的位置高于试验土体的顶部，冷媒介质通过冷媒传输口进入内箱。3.根据权利要求1所述的一种支持土工离心机机上冻结的模型装置，其特征在于，所述半导体冻结模块包括导冷铝板、半导体制冷片、电源、导热铜管和散热装置，所述电源连接各个半导体制冷片，所述半导体制冷片拼装在导冷铝板上，且半导体制冷片的冷端连接导冷铝板的上表面，半导体制冷片的热端通过导热铜管连接散热装置。4.根据权利要求3所述的一种支持土工离心机机上冻结的模型装置，其特征在于，所述导冷铝板的上表面还覆盖有保温膜。5.根据权利要求3所述的一种支持土工离心机机上冻结的模型装置，其特征在于，所述散热装置包括鳍片式散热器、散热风扇和风扇保护罩，所述导热铜管连接鳍片式散热器，所述散热风扇固定在鳍片式散热器上，所述风扇保护罩设置在散热风扇外。6.根据权利要求1或2所述的一种支持土工离心机机上冻结的模型装置，其特征在于，所述冻结系统还包括冻结管，所述冻结管的端部位置高于试验土体的顶部，所述冻结管的主体埋设在模型试验箱内试验土体的内部，所述冻结管用于将半导体冻结模块和冷媒冻结模块的冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：周洁，周华德，班超，刘成君，郭仲秋，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：