專利名稱：人工地層凍結(jié)法對周圍環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種隧道聯(lián)絡(luò)通道人工地層凍結(jié)法施工引起環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)方法及其裝置。
背景技術(shù)：
人工凍結(jié)技術(shù)是采用人工制冷的方法，降低地下工程周圍土體的溫度使土體的含水土層形成凍結(jié)體，以抵抗地壓并隔絕與地下水聯(lián)系的一種土木工程特殊施工技術(shù)。這種施工方法通常不受支護(hù)范圍和支護(hù)深度的限制，能有效防止涌水以及城市挖掘、鉆鑿施工中相鄰?fù)馏w的變形，基本不影響城市的正常運(yùn)行。伴隨著我國人口數(shù)量高峰的來臨，東部沿海廣大經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的軟粘土地區(qū)城市(如上海、杭州、廣州、天津、寧波等地區(qū))的“城市病”(人口眾多、房屋密集、街道狹窄、車輛擁擠)越來越嚴(yán)重，而開發(fā)地下空間、建設(shè)立體交通網(wǎng)絡(luò)是解決交通擁擠狀況的重要途徑，其中地下步行街、越江隧道建設(shè)、地鐵建設(shè)就是其中的重要組成部分。在軟粘土地區(qū)地下空間的開發(fā)過程中，凍結(jié)法施工作為一種較好的地層加固方法發(fā)揮了重要作用，其主要運(yùn)用于施工難度很大的地下商業(yè)街逃生通道、隧道聯(lián)絡(luò)通道及地下泵房建設(shè)等。在工程實(shí)踐中發(fā) 現(xiàn)凍結(jié)法施工對地鐵隧道及其周圍土體存在較大影響，存在著一些主要問題:凍結(jié)時(shí)軟粘土中的孔隙水由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?，體積增大，導(dǎo)致土體凍結(jié)后發(fā)生地面隆起及對地鐵隧道管壁產(chǎn)生凍脹力，隧道管片受凍脹力作用而破損，產(chǎn)生安全隱患；凍結(jié)施工結(jié)束后，在施工區(qū)域有大量的殘余凍土存在，在其融化過程中孔隙水由固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵w積變小，導(dǎo)致隧道軸線變形進(jìn)而引起地面沉降與地表建筑物開裂；在地鐵運(yùn)營期間，由于凍脹力作用使凍融土體結(jié)構(gòu)受損，導(dǎo)致其在地鐵行車振動荷載作用下土體變形較大，存在土體后期變形引起隧道結(jié)構(gòu)受損與行車安全隱患。因此，研究凍結(jié)法施工對周圍工程環(huán)境效應(yīng)的影響是非常必要和具有重大意義的。目前，在人工凍結(jié)法施工研究領(lǐng)域，尚無相關(guān)環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)裝置和方法。要么單純的室內(nèi)研究東融特性，其規(guī)模無法采用和人工地層凍結(jié)法類似的凍結(jié)方式，要么是現(xiàn)場測試系統(tǒng)，即使有相關(guān)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，也只是對溫度場的簡單模擬，即重點(diǎn)在凍結(jié)法施工過程，沒有考慮到周圍環(huán)境效應(yīng)問題。與本發(fā)明相似的產(chǎn)品主要是各種凍結(jié)法現(xiàn)場施工方法和監(jiān)測，或者室內(nèi)凍融特性測試等，如上海隧道工程股份有限公司楊國祥等人的發(fā)明專利“軟土層水平凍結(jié)法連接通道的施工方法”(專利公開號:CN1614152A)、上海隧道工程股份有限公司吳惠明等人的發(fā)明專利“地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道的施工方法”(專利公開號:CN1916362A)、黑龍江省水利科學(xué)研究院鐘華等人的專利“凍土力學(xué)模型試驗(yàn)裝置”(專利公開號:CN101551373A)及劉建坤等人的發(fā)明專利“能施加動荷載的土凍融試驗(yàn)系統(tǒng)”(專利公開號:CN101699284A)。此類裝置和方法要么是對現(xiàn)場凍結(jié)法施工方法的補(bǔ)充，要么是對純粹的土體凍融特性的研究，并未涉及到人工凍結(jié)法對隧道周圍環(huán)境效應(yīng)的影響方面的研究，尤其是針對隧道周圍飽和軟粘土在凍結(jié)法施工的凍融作用后期的變形機(jī)理和特性，更是涉及甚少。目前尚無既能在完全模擬人工低層凍結(jié)法的凍結(jié)方式、又能研究其對周圍土體的環(huán)境影響的公開技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種隧道聯(lián)絡(luò)通道常用的人工地層凍結(jié)法施工引起的周圍土體環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)方法及其裝置，探討人工地層凍結(jié)法對隧道周圍軟粘土凍融特性的影響及變形機(jī)理的研究。通過對凍結(jié)法凍結(jié)過程的模擬，監(jiān)測隧道周圍軟粘土的溫度場變化，應(yīng)力場變化特點(diǎn)以及凍脹融沉位移變化量等來探討凍結(jié)法對周圍環(huán)境效應(yīng)的影響。另外，相比昂貴的凍結(jié)現(xiàn)場試驗(yàn)，縮尺模擬在凍結(jié)法中的應(yīng)用得以驗(yàn)證。本發(fā)明的解決方案是:人工地層凍結(jié)法對周圍環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)裝置包括以下組成部分:模型箱、模型土體、凍結(jié)支架系統(tǒng)、凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)、測量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和水壓控制設(shè)備。模型箱底部安放和固定凍結(jié)管支架系統(tǒng)，箱內(nèi)鋪填研究區(qū)域的模型土體，凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)的箱內(nèi)凍結(jié)管系統(tǒng)部分由凍結(jié)管支架系統(tǒng)支撐于模型土體的中間部位；并在模型箱的模擬材料區(qū)域內(nèi)設(shè)置測量設(shè)備進(jìn)行參數(shù)測量；數(shù)據(jù)采集設(shè)備與測量設(shè)備相連，實(shí)時(shí)采集和處理測量設(shè)備量測到的各參數(shù)；水壓控制設(shè)備與模型箱相連，為模型箱提供水壓以及凍結(jié)過程的水分補(bǔ)給。所述的模型箱由建筑鋼板焊成并刷防銹漆，密封不漏水，外墻四圍采用聚乙烯泡沫材料保溫；所述的模型土體為研究區(qū)域的原狀土體，根據(jù)相應(yīng)的模型比設(shè)計(jì)厚度分層鋪設(shè)各土層，模型箱內(nèi)壁與試驗(yàn)用土模型接觸的部位設(shè)有的隔熱層。所述的凍結(jié)管支架系統(tǒng)由底座、下寬底板、前壁、后壁、凍結(jié)管支梁及連接鋼條構(gòu)成。底座與凍結(jié)管支梁和下寬底板焊接成整體，前壁、后壁和下寬底板構(gòu)成一槽型空間，擱置凍結(jié)總管，上述部分分為左右兩翼對稱布置在模型箱底部，連接鋼條通過底座底部的螺栓孔使左右部分連接成整體。所述底座采用兩塊高強(qiáng)角鋼，每塊下部各設(shè)有一個(gè)螺栓孔，調(diào)節(jié)螺栓孔使其緊貼箱壁；所述凍結(jié)管支梁采用一定厚度的平直鋼條，每隔一定距離開設(shè)一個(gè)半圓形的凹槽，各凍結(jié)直管放置其中；所述連接鋼條包括四條開有螺栓孔的鋼板，通過底座上下分布的螺栓孔使凍結(jié)管左右單翼相 連，構(gòu)成穩(wěn)固的整體。所述凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)包括低溫恒溫槽、凍結(jié)循環(huán)入液管道、凍結(jié)循環(huán)出液管道和凍結(jié)管系統(tǒng)。凍結(jié)循環(huán)入液管道和出液管道一端分別和低溫恒溫槽連接，另一端分別和凍結(jié)管系統(tǒng)的入口和出口連接，構(gòu)成低溫液體循環(huán)回路。所述凍結(jié)管系統(tǒng)均采用黃銅管，由凍結(jié)回路入總管、出總管和各凍結(jié)支管構(gòu)成，凍結(jié)回路入總管中間開設(shè)回路入口，兩邊等間距開設(shè)小孔通過高強(qiáng)三通閥門連接各凍結(jié)支管一端，其另一端匯合于凍結(jié)回路出總管處等間距分布的三通閥門。所述的測量設(shè)備，包括溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器，所述的溫度傳感器采用電纜組串式模型土體不同位置處的溫度分布；所述的壓力傳感器包括土壓計(jì)和孔壓計(jì)，布置于一層或多層土體內(nèi)；位移傳感器布置在土體表層。所述的數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括溫度采集子系統(tǒng)和壓力采集子系統(tǒng)，所述的溫度采集子系統(tǒng)與溫度傳感器連接，所述的壓力采集子系統(tǒng)分別與土壓計(jì)、孔壓計(jì)和位移傳感器連接。所述的水壓控制設(shè)備包括集水箱、水分補(bǔ)給管和透水砂層構(gòu)成，集水箱懸掛于試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渖戏降膲γ?，水分補(bǔ)給管上端和集水箱相連，下端和透水砂層連接，集水箱中的水分通過水分補(bǔ)給管接通透水砂層從而保證整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的水分補(bǔ)給。所述集水箱采用隔熱陶瓷水箱加工制作而成，頂蓋上設(shè)計(jì)了曝氣溢出孔，箱壁上設(shè)計(jì)了源水進(jìn)水口、出水口和高水位溢出口三個(gè)液路出口，所述的源水進(jìn)水口和出水口均設(shè)有控制通斷的球閥；一種人工地層凍結(jié)法施工引起的周圍土體環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)方法，其包括以下步驟:第一步，確定所需研究的影響因素，根據(jù)人工凍結(jié)法傳熱理論，考慮模擬土體的尺寸，深度及模型箱平面尺寸，凍結(jié)管尺寸，數(shù)量及間距，采用量綱分析法來確定各相似比；或者在此基礎(chǔ)上平行設(shè)計(jì)幾組不同模型相似比，在模擬同種原型工況前提下對比模型結(jié)果以驗(yàn)證傳統(tǒng)縮尺模型在凍結(jié)領(lǐng)域中的應(yīng)用性，提高該模型試驗(yàn)方法及其裝置結(jié)果的準(zhǔn)確性。第二步:確定模型材料，包括模型土體和凍結(jié)管模型材料；第三步:模型試驗(yàn)前期準(zhǔn)備，包括制作模型箱，準(zhǔn)備凍結(jié)循環(huán)模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，上位PC機(jī)調(diào)試；第四步:進(jìn)行模型試驗(yàn)，包括以下幾個(gè)步驟:(I)模型箱設(shè)計(jì)，建筑鋼板焊成并刷防銹漆，前立面為方便土層觀測，采用鋼化玻璃，外加聚苯乙烯發(fā)泡塑料保溫材料；(2)水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和凍結(jié)管支架系統(tǒng)安裝；在完成模型試驗(yàn)排水設(shè)計(jì)的布置后，將放置凍結(jié)管的凍結(jié)管支架系統(tǒng)放入模型箱中；(3)填土前模型箱內(nèi)鋪好隔熱材料，根據(jù)模型設(shè)計(jì)確定的土層厚度開始向模型箱中自下而上地分層填土 ；用鋼尺標(biāo)定各傳感器的位置記號，預(yù)填到設(shè)計(jì)位置處準(zhǔn)備埋設(shè)傳感器；
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(4)將試驗(yàn)土每2cm—層均勻攤鋪在模型箱中，用鐵抹子輕輕的壓平，然后用長木板把土層刮平，確保土層在同一水平面上，并灑水養(yǎng)護(hù)；砂土與粘土的交界面鋪一層皺紋紙，以防止淤泥質(zhì)粘土與地層透水砂層和頂層覆蓋砂層相互混合；表層覆蓋的薄砂層在鋪設(shè)前應(yīng)用篩孔小于2_的篩子過篩，然后均勻鋪在模型箱中，并灑少量水濕潤，用以防止模型測試土體的水分蒸發(fā)；(5)嚴(yán)格控制各傳感器埋設(shè)位置；溫度傳感器組串，采用細(xì)繩綁定凍結(jié)管的方法進(jìn)行嚴(yán)格空位，在細(xì)繩上標(biāo)記好離凍結(jié)管平面的各精確測試位置，填土過程中拉直參考；而粘土中埋放土壓計(jì)時(shí)，在其位置上挖一個(gè)直徑2cm小坑，填少量的砂子，水平放入土壓計(jì)，再用砂子蓋住，并輕輕壓實(shí)，使土壓計(jì)表面與土接觸緊密，同時(shí)可在孔壓計(jì)表面形成過濾層，便于量測；(6)模型土體制備好后，將其置于實(shí)驗(yàn)室設(shè)定的恒溫、恒濕環(huán)境中一段時(shí)間，以減少填土過程對模型土體初始溫度場的影響，模型箱上方覆蓋一層土工布防止模型土水分的蒸發(fā)；(7)鋪土完成后用集水箱通過水分補(bǔ)給管為透水砂層加水壓；自重固結(jié)，固結(jié)時(shí)間根據(jù)土層性質(zhì)而定；(8)凍結(jié)循環(huán)模塊連接調(diào)試運(yùn)行，設(shè)定低溫恒溫槽循環(huán)凍結(jié)液體溫度，開啟凍結(jié)循環(huán)及測量。本發(fā)明主要解決了已有模型試驗(yàn)裝備無法模擬人工地層凍結(jié)法的土體內(nèi)管道凍結(jié)方式的問題，實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)凍結(jié)法過程周圍軟粘土的溫度場、應(yīng)力場和位移場的監(jiān)控，更加實(shí)現(xiàn)了對融解過程及后期再固結(jié)過程的各環(huán)境效應(yīng)評估量的室內(nèi)模型試驗(yàn)監(jiān)測。在封閉環(huán)境下，采用不同凍結(jié)溫度和凍結(jié)時(shí)間及凍結(jié)方式下對周圍土體環(huán)境效應(yīng)的對比分析，可為凍結(jié)法在軟粘土中的應(yīng)用提供多方面的指導(dǎo)意見。


圖1為本發(fā)明模型試驗(yàn)總系統(tǒng)示意圖；其中1-低溫恒溫槽；2_集水箱；3_水分補(bǔ)給管；4_透水砂層；5_凍結(jié)管道；6_凍結(jié)管支架；7_壓力傳感器(土壓、孔壓)；8-溫度傳感器；9_位移傳感器；10_上覆薄砂層；11-溫度采集器；12-壓力采集器；13-PC機(jī)；14_凍結(jié)循環(huán)入液管；15_凍結(jié)管循環(huán)出液管；16_模型箱。圖2(a)為圖1所示模型箱中凍結(jié)管支架系統(tǒng)的凍結(jié)管支架單翼示意圖(系統(tǒng)包括左右對稱的兩翼)。圖2(b)為圖1所示模型箱中凍結(jié)管支架系統(tǒng)的兩翼連接鋼條示意圖；其中，17-凍結(jié)管支架單翼；18_連接鋼條。圖3(a)為凍結(jié)管支架系統(tǒng)的底座角鋼部位示意圖。圖3(b)為凍結(jié)管支架系統(tǒng)的凍結(jié)管支梁示意圖。圖3(c)為凍結(jié)管支架系統(tǒng)的下寬底板示意圖。圖3(d)為凍結(jié)管支架 系統(tǒng)的前壁示意圖。圖3(e)為凍結(jié)管支架系統(tǒng)的后壁示意圖。圖3(f)為凍結(jié)管支架系統(tǒng)的螺栓孔示意圖；其中19-底座角鋼；20_凍結(jié)管支梁；21-下寬底板；22_如壁；23_后壁；24_螺栓孔。圖4為凍結(jié)管系統(tǒng)示意圖；其中25-凍結(jié)循環(huán)入液口 ；26_凍結(jié)循環(huán)出液口 ；27_凍結(jié)支管；28_橡膠軟管接頭；29_聚乙烯塑料保溫管；30_凍結(jié)回路總管。圖5(a)為傳感器布置平面示意圖。圖5(b)為傳感器布置立面示意圖。圖5 (C)為地表位移傳感器布置平面不意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請參閱圖1-3，本發(fā)明提供一種隧道聯(lián)絡(luò)通道常用的人工地層凍結(jié)法施工引起的周圍土體環(huán)境效應(yīng)的模型裝置，其包括模型箱16和模型土體、凍結(jié)支架系統(tǒng)、凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)、測量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和水壓控制設(shè)備。模型箱16是模型試驗(yàn)的主體容器，尺寸大小可根據(jù)試驗(yàn)需求而定，模型箱底部安放和固定凍結(jié)管支架系統(tǒng)，箱內(nèi)鋪填研究區(qū)域的模型土體，凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)的箱內(nèi)凍結(jié)管系統(tǒng)部分由凍結(jié)管支架系統(tǒng)支撐于模型土體中間部位；測量設(shè)備放置于模型箱16內(nèi)的模型土體內(nèi)部和表層，數(shù)據(jù)采集設(shè)備與測量設(shè)備相連，實(shí)時(shí)采集和處理測量設(shè)備量測到的各參數(shù)；水壓控制設(shè)備與模型箱相連，為模型箱提供水壓以及凍結(jié)過程的水分補(bǔ)給。凍結(jié)管支架系統(tǒng)(參閱圖2-3)由底座19、凍結(jié)管支梁20、下寬底板21、前壁22、后壁23及連接鋼條18構(gòu)成。底座19采用兩塊80mmX80mmX8mm的高強(qiáng)角鋼，與凍結(jié)管支梁20和下寬底板21焊接成整體；前壁22、后壁23和下寬底板21構(gòu)成一槽型空間，擱置凍結(jié)總管30，以上部分連接組成凍結(jié)管支架單翼17左右對稱布置在模型箱底部，連接鋼條18包括四條鋼條通過底座上下分布的螺栓孔24使凍結(jié)管左右單翼相連，構(gòu)成穩(wěn)固的整體。凍結(jié)管支梁采用Icm厚的鋼條，且每隔4cm開一個(gè)半圓形的凹槽，可以將各凍結(jié)支管27固定在凹槽中并用扎帶扎緊。凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)(參閱圖1)包括低溫恒溫槽1、凍結(jié)循環(huán)入液管道14、凍結(jié)循環(huán)出液管道15和凍結(jié)管系統(tǒng)(參閱圖4)。凍結(jié)循環(huán)入液管道和出液管道一端分別和低溫恒溫槽I相連，另一端分別和凍結(jié)管系統(tǒng)的入口 25和出口 26連接，構(gòu)成低溫液體循環(huán)回路。低溫恒溫槽采用DLSB-20/40型低溫冷卻泵控制溫度和循環(huán)流量，最低溫度可達(dá)-42°C，溫度控制精度可達(dá)0.2攝氏度，額定電壓采用動力電壓380V，可自由調(diào)節(jié)設(shè)定目標(biāo)溫度和凍結(jié)時(shí)間。凍結(jié)管系統(tǒng)(參閱圖4)均采用黃銅管，由凍結(jié)循環(huán)入液口 25、凍結(jié)循環(huán)出液口 26，凍結(jié)總管30和各凍結(jié)支管27構(gòu)成，其具體尺寸根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)相似比來確定。凍結(jié)回路入總管30中間開設(shè)入液口 25，兩邊等間距開設(shè)小孔通過高強(qiáng)三通閥門連接各凍結(jié)支管27 —端，其另一端匯合于凍結(jié)回路出總管30上開設(shè)的各等間距小孔，凍結(jié)循環(huán)液體經(jīng)凍結(jié)循環(huán)出液口流出。低溫凍結(jié)液從低溫恒溫槽I出發(fā)，從凍結(jié)循環(huán)入液管道14進(jìn)入凍結(jié)循環(huán)入液口25，通過凍結(jié)循環(huán)總管30，流經(jīng)各凍結(jié)支管27，完成凍結(jié)液體與周圍土體的熱量交換，再匯合到凍結(jié)循環(huán)總管30，最后經(jīng)由凍結(jié)循環(huán)出液口 26通過凍結(jié)循環(huán)出液管道，流回低溫恒溫槽完成一次凍結(jié)循環(huán)。

測量設(shè)備，包括溫度傳感器8、壓力傳感器7和位移傳感器9，溫度傳感器采用電纜組串式測量模型土體不同位置處的溫度分布；壓力傳感器包括土壓計(jì)和孔壓計(jì)，布置于一層或多層土體內(nèi)；位移傳感器布置在土體表層。各傳感器具體放置位置根據(jù)自己的研究精度要求而定，以能獲得所需參數(shù)的足夠數(shù)據(jù)2為準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括溫度采集子系統(tǒng)11和壓力采集子系統(tǒng)12，溫度采集子系統(tǒng)采用搜博公司提供的SLET3000T溫度采集器，壓力采集系統(tǒng)采用YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。水壓控制設(shè)備包括集水箱2、水分補(bǔ)給管3和透水砂層4構(gòu)成，集水箱2懸掛于試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渖戏降膲γ妫盅a(bǔ)給管3上端和集水箱2相連，下端和透水砂層4相通，集水箱2中的水分通過水分補(bǔ)給管3接通透水砂層4從而保證整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的水分補(bǔ)給。集水箱2采用隔熱陶瓷水箱加工制作而成，頂蓋上設(shè)計(jì)了曝氣溢出孔，箱壁上設(shè)計(jì)了源水進(jìn)水口、出水口和高水位溢出口 3個(gè)液路出口，源水進(jìn)水口和出水口均設(shè)有控制通斷的球閥；在鋪土之前將模型箱16的左、右、后立面和底面用電動磨光機(jī)打磨光滑，先刷一層防銹漆，接著再刷一層油漆，最大限度的降低邊界效應(yīng)。前立面的鋼化玻璃硅膠處理，密封不漏水。待將模型箱打磨光滑，防銹和保溫處理完成，隨后安裝凍結(jié)管支架系統(tǒng)和水分補(bǔ)給設(shè)備，連接好凍結(jié)管支架系統(tǒng)各部件后安裝于模型箱底部，檢查其是否和箱壁緊貼，4個(gè)連接鋼條與長螺栓孔的扣合度是否緊湊；連接集水槽2和水分補(bǔ)給管3，并將其另一端埋設(shè)在鋪設(shè)完成的透水砂層4中，調(diào)試管道連通性。然后，將現(xiàn)場取回的模型土體，根據(jù)模型設(shè)計(jì)確定的土層厚度開始向模型箱中自下而上地分層填土 ；在鋪土的同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)方案，埋設(shè)測量設(shè)備，壓力傳感器7和位移傳感器9。用鋼尺貼于模型箱玻璃里面內(nèi)壁，用于標(biāo)定各傳感器的位置記號，當(dāng)填到設(shè)計(jì)位置處準(zhǔn)備埋設(shè)傳感器；溫度傳感器采用組串式測量模型土體不同位置處的溫度分布，壓力傳感器包括土壓計(jì)、孔壓計(jì)分別精確測量整個(gè)試驗(yàn)過程中(包括凍結(jié)和解凍)模型土體的土壓力和孔隙水壓力變化；位移傳感器用于測量試驗(yàn)過程土體表面位移發(fā)展規(guī)律。溫度傳感器8采用組串式，5個(gè)數(shù)字溫度傳感器串聯(lián)成一組，位置方便靈活，精度可達(dá)0.2°C，具有高靈敏性和延遲小特點(diǎn)。溫度傳感器組串采用細(xì)繩綁定凍結(jié)管的方法進(jìn)行嚴(yán)格空位，在細(xì)繩上標(biāo)記好離凍結(jié)管平面的各精確測試位置，填土過程中拉直參考；而粘土中埋放土壓計(jì)時(shí)，在其位置上挖一個(gè)直徑2cm小坑，填少量的砂子，水平放入土壓計(jì)，再用砂子蓋住，并輕輕壓實(shí)，使土壓計(jì)表面與土接觸緊密，同時(shí)可在孔壓計(jì)表面形成過濾層，便于量測；將試驗(yàn)土每2cm —層均勻攤鋪在模型箱中，用鐵抹子輕輕的壓平，然后用長木板把土層刮平，確保土層在同一水平面上，并灑水養(yǎng)護(hù)；砂土與粘土的交界面鋪一層皺紋紙， 以防止淤泥質(zhì)粘土與地層透水砂層和頂層覆蓋砂層相互混合；表層覆蓋的薄砂層在鋪設(shè)前應(yīng)用篩孔小于2mm的篩子過篩，然后均勻鋪在模型箱中，并灑少量水濕潤，用以防止模型測試土體的水分蒸發(fā)；當(dāng)模型土體鋪填至凍結(jié)管支梁所在的高度處時(shí)放置凍結(jié)管系統(tǒng)，然后繼續(xù)按照以上所述的鋪土和各傳感器埋設(shè)方法完成以上部分模型土體的鋪填和各傳感器的布置。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料或其他相關(guān)資料，鋪土完成后控制集水箱2水位為模型土體加水加壓，實(shí)驗(yàn)開始前先使集水箱2達(dá)到預(yù)定水位，確保水分補(bǔ)給管3和透水砂層4充滿水分。然后在自重作用下進(jìn)行固結(jié)同時(shí)設(shè)置試驗(yàn)室溫度為模擬原始地層的溫度，待模型土體固結(jié)完成和溫度穩(wěn)定后，連接凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)，采用止水膠布做好一切防漏措施，一切外置管道都包裹保溫材料，保證循環(huán)過程的熱量損失；首先設(shè)定低溫恒溫槽凍結(jié)循環(huán)的溫度以及最大凍結(jié)時(shí)間，預(yù)運(yùn)行到目的溫度后，連通凍結(jié)管系統(tǒng)調(diào)試其連通性。打開上位PC機(jī)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及測量模塊，調(diào)試其連通性；一切檢查就緒后，正式開啟低溫恒溫槽循環(huán)功能，打開各測試系統(tǒng)，采集系統(tǒng)，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)試驗(yàn)?zāi)K的“試驗(yàn)開始”，經(jīng)過大約幾十秒的自動調(diào)整，凍結(jié)液體開始在模型被測試土體里循環(huán)，進(jìn)行熱量交換，點(diǎn)擊“監(jiān)測曲線”可以實(shí)時(shí)觀測到各預(yù)設(shè)位置的溫度變化曲線，土壓、孔壓及地表位移變化曲線。實(shí)驗(yàn)開始后將源水進(jìn)水口水閥微開，使凍結(jié)循環(huán)過程中被測試土體若發(fā)生任何水分遷移，模型土體能夠及時(shí)獲得補(bǔ)充。根據(jù)監(jiān)測處于凍結(jié)圈壁處的溫度傳感器讀數(shù)來確定凍結(jié)循環(huán)積極凍結(jié)的完成，再可根據(jù)不同試驗(yàn)方案調(diào)整維護(hù)凍結(jié)溫度和時(shí)間繼續(xù)試驗(yàn)；隨后進(jìn)行解凍和長期沉降監(jiān)測。一種人工地層凍結(jié)法施工引起的周圍土體環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)方法，包括以下步驟:第一步:確定幾何相似比，本實(shí)施例中，按上海市隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工所處的地層深度資料，平均深度采用12.5m，模型箱深度1.0m，模型試驗(yàn)用土至少填滿至0.5m，所以最終確定模型幾何相似比為1:50 ;或者在1:50相似比的基礎(chǔ)上，平行設(shè)計(jì)1:40，1:50和1:60三組平行模型試驗(yàn)，控制模型箱內(nèi)填埋土體深度0.625m, 0.5m和0.42m，從而模擬同種原型工況前提下的對比試驗(yàn)結(jié)果來確定傳統(tǒng)縮尺效應(yīng)在凍結(jié)領(lǐng)域的適用性和模型結(jié)果的準(zhǔn)確性。第二步:確定模型材料，即待測試對象到模型土體的轉(zhuǎn)化與制備以及凍結(jié)管道系統(tǒng)材料設(shè)計(jì)；模型土體為研究區(qū)域的原狀土體；凍結(jié)管采用不銹黃銅管，目前市場上能獲取的最小直徑是6mm，而工程實(shí)際中凍結(jié)管規(guī)格大多為9l08mm 120mm，就凍結(jié)系統(tǒng)的幾何相似只能達(dá)到1:20，值得說明的是，這里即使通過特殊工藝制作出滿足幾何相似比的凍結(jié)管直徑，熱量交換的力學(xué)性質(zhì)卻無法滿足，主要原因在于，管內(nèi)流體的熱力學(xué)過程，進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)時(shí)并不能選用傅里葉數(shù)作為相似準(zhǔn)則。凍結(jié)過程為達(dá)到一定的熱交換功率，必須保證管內(nèi)流體達(dá)到一定流速。因此在以模型土體為主要研究對象情況下，保證一定的熱交換功率是凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵；本實(shí)施例中依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，采用8根直徑為6mm的凍結(jié)管，間距為4cm,而凍結(jié)圈設(shè)計(jì)厚度2cm。第三步:模型試驗(yàn)前期準(zhǔn)備，包括制作模型箱，凍結(jié)管支架系統(tǒng)，準(zhǔn)備凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備、測量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備，上位PC機(jī)調(diào)試；第四步:進(jìn)行模型試驗(yàn)，包括以下幾個(gè)步驟:1.將模型箱打磨光滑，防銹和保溫處理，前立面的鋼化玻璃硅膠處理，密封不漏水。2.水位控制系統(tǒng)連接和凍結(jié)管支架系統(tǒng)安裝；在完成模型試驗(yàn)水位控制系統(tǒng)的布置后，將放置凍結(jié)管的凍結(jié)管支架系統(tǒng)固定于模型箱底部；3.將試驗(yàn)土每2cm—層均勻攤鋪在模型箱中，用鐵抹子輕輕的壓平，然后用長木板把土層刮平，確保土層在同一水平面上，并灑水養(yǎng)護(hù)；砂土與粘土的交界面鋪一層皺紋紙，以防止淤泥質(zhì)粘土與地層透水砂層和頂層覆蓋砂層相互混合；表層覆蓋的薄砂層在鋪設(shè)前應(yīng)用篩孔小于2_的篩子過篩，然后均勻鋪在模型箱中，并灑少量水濕潤，用以防止模型測試土體的水分蒸發(fā)；各土層厚度按照研究區(qū)域的實(shí)際土層鋪設(shè)，并當(dāng)模型土體鋪填至凍結(jié)管支梁所在的高度處時(shí)放置凍結(jié)管系統(tǒng)；4.填土過程中，根據(jù)研究需求埋設(shè)測量設(shè)備。嚴(yán)格控制各傳感器埋設(shè)位置；溫度傳感器組串，采用細(xì)繩綁定凍結(jié)管的方法進(jìn)行定位，在細(xì)繩上標(biāo)記好離凍結(jié)管平面的各精確測試位置，填土過程中拉直參考；而粘土中埋放土壓計(jì)時(shí)，在其位置上挖一個(gè)直徑2cm小坑，填少量的砂子，水平放入土壓計(jì)，再用砂子蓋住，并輕輕壓實(shí)，使土壓計(jì)表面與土接觸緊密，同時(shí)可在孔壓計(jì)表面形成過濾層，便于量測。本實(shí)施例中，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，在預(yù)設(shè)位置埋設(shè)安裝各傳感器原件，包括4個(gè)溫度傳感器組串，壓力傳感器(7個(gè)土壓和5個(gè)孔壓)和位移傳感器(5個(gè))，圖5顯示本實(shí)施例傳感器埋設(shè)的詳圖(采用8根直徑為6_的凍結(jié)管，間距為4cm，而凍結(jié)圈設(shè)計(jì)厚度2cm)。三組溫度傳感器組串沿深度方向分別分布在凍結(jié)管之間，離凍結(jié)管平面2cm處(凍結(jié)圈位置)和離凍結(jié)管4cm位置處，另外第四組傳感器分布于凍結(jié)管系統(tǒng)外圍用于測量橫向溫度的影響，間距分別是2cm、2cm、4cm和4cm (圖5 (a))。而土壓計(jì)和孔壓計(jì)沿凍結(jié)管中心第5根位置處在上述三個(gè)平面內(nèi)分別布置，其他相對位置如圖5 (b)所示；而5個(gè)位移計(jì)圍繞中心點(diǎn)覆蓋整個(gè)模型土體表面，四周4個(gè)位移計(jì)呈十字分布，離中心點(diǎn)距離都是14cm (如圖5 (C))。5.鋪土完成后用集水箱為模型土體加水加壓；6.連接凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)定低溫恒溫槽凍結(jié)循環(huán)的溫度以及最大凍結(jié)時(shí)間。7.自重作 用下進(jìn)行固結(jié)同時(shí)設(shè)置試驗(yàn)室溫度為模擬原始地層的溫度。8.開始凍結(jié)循環(huán)及量測，具體根據(jù)不同的模型材料、及其大小及研究目的選擇不同的凍結(jié)循環(huán)溫度、凍結(jié)圈厚度以及解凍方式。比如本實(shí)施例，凍結(jié)圈設(shè)計(jì)厚度2cm，監(jiān)測處于凍結(jié)圈壁處的溫度傳感器讀數(shù)來確定凍結(jié)循環(huán)積極凍結(jié)的完成，再可根據(jù)不同試驗(yàn)方案調(diào)整維護(hù)凍結(jié)溫度和時(shí)間繼續(xù)試驗(yàn)；隨后進(jìn)行解凍和長期沉降監(jiān)測。上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種人工地層凍結(jié)法對周圍環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，其包括模型箱和模型土體、凍結(jié)支架系統(tǒng)、凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)、測量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和水壓控制設(shè)備，模型箱內(nèi)放置模擬研究區(qū)域的模型土體和凍結(jié)支架系統(tǒng)及凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)的箱內(nèi)凍結(jié)管系統(tǒng)；并在模型箱的模擬材料區(qū)域內(nèi)設(shè)置測量設(shè)備進(jìn)行參數(shù)測量；數(shù)據(jù)采集設(shè)備與測量設(shè)備相連以實(shí)時(shí)采集和處理測量設(shè)備量測到的各參數(shù)；水壓控制設(shè)備與模型箱相連為模型箱提供水壓以及凍結(jié)過程的水分補(bǔ)給。
2.如權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述的模型箱底部安放和固定凍結(jié)管支架系統(tǒng)；箱內(nèi)鋪填研究區(qū)域的模型土體，凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)的箱內(nèi)凍結(jié)管部分由凍結(jié)管支架系統(tǒng)支撐于模型土體中間部位；或者，優(yōu)選的:模型箱由建筑鋼板構(gòu)成并刷有防銹漆，密封不漏水，外墻四圍設(shè)有保溫材料，例如聚乙烯泡沫材料。
3.如權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述的模型土體為研究區(qū)域的原狀土體，根據(jù)相應(yīng)的模型比設(shè)計(jì)厚度分層鋪設(shè)各土層，模型箱內(nèi)壁與試驗(yàn)用土模型接觸的部位設(shè)有隔熱層。
4.如權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述的凍結(jié)管支架系統(tǒng)由底座、下寬底板、前壁、后壁、凍結(jié)管支梁及連接鋼條構(gòu)成；底座與凍結(jié)管支梁和下寬底板固定連接成整體，前壁、后壁和下寬底板構(gòu)成一槽型空間用于擱置凍結(jié)總管，上述部分分為左右兩翼對稱的布置在模型箱底部，連接鋼條通過底座底部的螺栓孔使左右部分連接成整體。
5.如權(quán)利要求4所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述底座采用兩塊高強(qiáng)角鋼，每塊下部各設(shè)有一個(gè)螺栓孔，調(diào)節(jié)螺栓孔使其緊貼箱壁；所述凍結(jié)管支梁采用平直鋼條，每隔一定距離開設(shè)一個(gè)半圓形的凹槽，各凍結(jié)支管放置于其中；所述連接鋼條包括四條開有螺栓孔的鋼板，通過底座上下分布的螺栓孔使凍結(jié)管支架系統(tǒng)的左右兩翼相連，構(gòu)成穩(wěn)固的整體。
6.如權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)包括低溫恒溫槽、凍結(jié)循環(huán)入液管道、凍結(jié)循環(huán)出液管道和凍結(jié)管系統(tǒng)，凍結(jié)循環(huán)入液管道和出液管道一端分別和低溫恒溫 槽連接，另一端分別和凍結(jié)管系統(tǒng)的入口和出口連接，構(gòu)成低溫液體循環(huán)回路。
7.如權(quán)利要求6所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)中的低溫恒溫槽最低溫度為-42°C，溫度控制精度可達(dá)0.0l攝氏度，額定電壓采用動力電壓380V，可自由調(diào)節(jié)設(shè)定目標(biāo)溫度和凍結(jié)時(shí)間。
8.如權(quán)利要求6所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述凍結(jié)管系統(tǒng)均采用黃銅管制成，由凍結(jié)回路入總管、出總管和各凍結(jié)支管構(gòu)成，凍結(jié)回路入總管中間開設(shè)回路入口，兩邊等間距開設(shè)小孔通過高強(qiáng)三通閥門連接各凍結(jié)支管一端，其另一端匯合于凍結(jié)回路出總管處等間距分布的三通閥門。
9.如權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述的測量設(shè)備，包括溫度傳感器、壓力傳感器和位移傳感器，所述的溫度傳感器采用電纜組串式測量模型土體不同位置處的溫度分布；所述的壓力傳感器包括土壓計(jì)和孔壓計(jì)，布置于一層或多層土體內(nèi)；位移傳感器布置在土體表層。
10.如權(quán)利要求9所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述測量設(shè)備中的溫度傳感器采用電纜組串式，模型土體不同位置插設(shè)電纜線，不同深度處串聯(lián)溫度傳感器。
11.如權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括溫度采集子系統(tǒng)和壓力采集子系統(tǒng)，所述的溫度采集子系統(tǒng)與溫度傳感器連接，所述的壓力采集子系統(tǒng)分別與土壓計(jì)、孔壓計(jì)和位移傳感器連接。
12.如權(quán)利要求1所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述的水壓控制設(shè)備包括集水箱、水分補(bǔ)給管和透水砂層，集水箱懸掛于試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渖戏降膲γ妫盅a(bǔ)給管上端和集水箱相連，下端和透水砂層連接，集水箱中的水分通過水分補(bǔ)給管接通透水砂層從而保證整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的水分補(bǔ)給。
13.如權(quán)利要求12所述的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述集水箱采用隔熱陶瓷水箱，頂蓋上設(shè)有曝氣溢出孔，箱壁上設(shè)有源水進(jìn)水口、出水口和高水位溢出口三個(gè)液路出口，所述的源水進(jìn)水口和出水口均設(shè)有控制通斷的球閥。
14.一種人工地層凍結(jié)法對周圍環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)方法，其特征在于:其包括以下步驟: (1)確定所需研究的影響因素，根據(jù)人工凍結(jié)法傳熱理論，確定模擬土體的尺寸，深度及模型箱平面尺寸，凍結(jié)管尺寸，數(shù)量及間距，采用量綱分析法來確定各相似比；或者在此基礎(chǔ)上平行設(shè)計(jì)幾組不同模型相似比，在模擬同種原型工況前提下對比模型結(jié)果以驗(yàn)證傳統(tǒng)縮尺模型在凍結(jié)領(lǐng)域中的應(yīng)用性，提高該模型試驗(yàn)方法及其裝置結(jié)果的準(zhǔn)確性； (2)確定模型材料，包括模型土體和凍結(jié)管模型材料； (3)模型試驗(yàn)前期準(zhǔn)備，包括制作模型箱，準(zhǔn)備凍結(jié)循環(huán)模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，上位PC機(jī)調(diào)試； (4)進(jìn)行模型試驗(yàn)。
15.如權(quán)利要求1 4所述的模型試驗(yàn)方法，其特征在于: 所述步驟(4)包括以下環(huán)節(jié): (1)以建筑鋼板焊成模型箱并刷防銹漆，前立面為方便土層觀測，采用鋼化玻璃，外加聚苯乙烯發(fā)泡塑料保溫材料； (2)水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和凍結(jié)管支架系統(tǒng)安裝；在完成模型試驗(yàn)排水設(shè)計(jì)的布置后，將放置凍結(jié)管的凍結(jié)管支架系統(tǒng)放入模型箱中； (3)填土前模型箱內(nèi)鋪好隔熱材料，根據(jù)模型設(shè)計(jì)確定的土層厚度開始向模型箱中自下而上地分層填土 ；標(biāo)定各傳感器的位置記號，預(yù)填到設(shè)計(jì)位置處準(zhǔn)備埋設(shè)傳感器； (4)將試驗(yàn)土均勻攤鋪在模型箱中，壓平，然后把土層刮平，確保土層在同一水平面上，并灑水養(yǎng)護(hù)；砂土與粘土的交界面鋪一層皺紋紙，以防止淤泥質(zhì)粘土與地層透水砂層和頂層覆蓋砂層相互混合；表層覆蓋的薄砂層在鋪設(shè)前應(yīng)用篩子過篩，然后均勻鋪在模型箱中，并灑少量水濕潤，用以防止模型測試土體的水分蒸發(fā)； (5)嚴(yán)格控制各傳感器埋設(shè)位置；溫度傳感器組串，采用細(xì)繩綁定凍結(jié)管的方法進(jìn)行嚴(yán)格空位，在細(xì)繩上標(biāo)記好離凍結(jié)管平面的各精確測試位置，填土過程中拉直參考；而粘土中埋放土壓計(jì)時(shí)，在其位置上挖一個(gè)小坑，填少量的砂子，水平放入土壓計(jì)，再用砂子蓋住，并輕輕壓實(shí)，使土壓計(jì)表面與土接觸緊密，同時(shí)可在孔壓計(jì)表面形成過濾層，便于量測； (6)模型土體制備好后，將其置于實(shí)驗(yàn)室設(shè)定的恒溫、恒濕環(huán)境中一段時(shí)間，以減少填土過程對模型土體初始溫度場的影響，模型箱上方覆蓋一層土工布防止模型土水分的蒸發(fā)；(7)鋪土完成后用集水箱通過水分補(bǔ)給管為透水砂層加水壓；自重固結(jié)，固結(jié)時(shí)間根據(jù)土層性質(zhì)而定； (8)凍結(jié)循環(huán)模塊連接調(diào)試運(yùn)行，設(shè)定低溫恒溫槽循環(huán)凍結(jié)液體溫度，開啟凍結(jié)循環(huán)及測量。
16.如權(quán)利要求15所述的模型試驗(yàn)方法，其特征在于:環(huán)節(jié)(4)中是將試驗(yàn)土每2cm —層均勻攤鋪在模型箱 中；所述篩子的篩孔小于2mm ;環(huán)節(jié)(5)中所述小坑的直徑為2cm。
全文摘要
一種人工地層凍結(jié)法對周圍環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)裝置，其包括模型箱和模型土體、凍結(jié)支架系統(tǒng)、凍結(jié)循環(huán)系統(tǒng)、測量設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和水壓控制設(shè)備。本發(fā)明還公開了一種人工地層凍結(jié)法對周圍環(huán)境效應(yīng)的模型試驗(yàn)方法。本發(fā)明克服了凍結(jié)法設(shè)計(jì)只能考慮短期施工階段影響的缺陷，在達(dá)到設(shè)計(jì)的凍結(jié)溫度和凍結(jié)強(qiáng)度的前提下，控制積極凍結(jié)方式和維護(hù)凍結(jié)，可以對不同凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間以及不同凍結(jié)方式和解凍方式下對比分析周圍土體溫度場，應(yīng)力場和位移場的變化，對其變形機(jī)理進(jìn)行研究。同時(shí)可以驗(yàn)證縮尺模型在凍結(jié)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
文檔編號G01N33/24GK103245771SQ20131015336
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者周潔, 唐益群, 李珺, 劉宇亭, 任興偉, 楊奇 申請人:同濟(jì)大學(xué)