本(ben)發(fa)明涉及(ji)模(mo)(mo)型(xing)試驗和人工凍土(tu)工程，具(ju)體說是通(tong)過模(mo)(mo)型(xing)試驗方(fang)法將現(xian)場(chang)(chang)原型(xing)上(shang)的基本(ben)物理力(li)學現(xian)象(凍結壁溫度(du)場(chang)(chang)、應力(li)場(chang)(chang)、水(shui)分(fen)場(chang)(chang)變化(hua)規律及(ji)相互(hu)影響關(guan)系(xi))，按照一定幾(ji)何縮比(bi)進(jin)(jin)行(xing)(xing)設計，在模(mo)(mo)擬同(tong)等的邊界條件下進(jin)(jin)行(xing)(xing)室內試驗(在室內進(jin)(jin)行(xing)(xing)人工多線(xian)圈管凍結壁水(shui)、熱、力(li)耦合模(mo)(mo)型(xing)試驗)。

背景技術：

模型試(shi)(shi)驗(yan)方法是將體現(xian)在(zai)現(xian)場原(yuan)型上的(de)(de)(de)基(ji)本(ben)物理力(li)學現(xian)象，按一定幾何縮比(bi)進行設計，在(zai)模擬(ni)同等的(de)(de)(de)邊界條(tiao)件下進行室內試(shi)(shi)驗(yan)。以盡可能小的(de)(de)(de)人力(li)、物力(li)、財力(li)條(tiao)件下，從(cong)本(ben)質(zhi)掌握現(xian)場實際物理、力(li)學現(xian)象。

凍(dong)土即溫度低(di)于(yu)0℃的(de)土或巖石(shi)。冰作為(wei)膠(jiao)結(jie)材料，將相鄰土顆粒或巖塊體膠(jiao)結(jie)連接而結(jie)構體的(de)強度增大，同時(shi)降低(di)其透水性(xing)，所以在(zai)凍(dong)土工程中(zhong)，能(neng)夠利(li)用的(de)凍(dong)土有利(li)特(te)性(xing)包括其穩定性(xing)、高強度、隔水性(xing)等，但利(li)用凍(dong)結(jie)法(fa)的(de)工程往往困難(nan)程度高，工程造價昂貴。

技術實現要素：

因為凍結(jie)法(fa)施工(gong)造(zao)價(jia)高，所以(yi)，為了在較低成本的情況下，研(yan)究凍結(jie)過程中溫(wen)度場(chang)、應力(li)場(chang)、水分場(chang)變(bian)化規律，以(yi)及相(xiang)互影響關系(xi)，需(xu)要進行(xing)模(mo)(mo)型試驗來模(mo)(mo)擬實(shi)際工(gong)程情況。為了解決上述問題，本發明提出大型多功(gong)能人工(gong)凍結(jie)平臺。

為了實現上述目的，解決方(fang)案如下(xia)：

大型多功能人工凍(dong)結平臺：

A.制冷系(xi)統(tong)：包括箱體、室外冷凝機組、外循環(huan)管路(lu)。可以實現以下(xia)功(gong)能：在箱體內實現通(tong)過壓縮制冷劑(ji)(ji)(如：氟(fu)利(li)昂)將冷媒劑(ji)(ji)(如：酒精)降(jiang)低(或(huo)升高(gao))到(dao)指定溫度并保持恒(heng)溫，通(tong)過控制系(xi)統(tong)使冷媒劑(ji)(ji)進入外循環(huan)系(xi)統(tong)，在外部的(de)(de)循環(huan)管路(lu)中(zhong)進行外循環(huan)，當冷媒劑(ji)(ji)循環(huan)經(jing)過插在土(tu)體中(zhong)的(de)(de)凍結管時，達到(dao)降(jiang)低土(tu)體溫度的(de)(de)目的(de)(de)。

(1)箱(xiang)體：箱(xiang)體應(ying)可(ke)以實現以下功能。①實現制(zhi)(zhi)冷(leng)功能。通(tong)(tong)過壓(ya)縮制(zhi)(zhi)冷(leng)劑(ji)(ji)(如：氟利昂)將冷(leng)媒(mei)(mei)劑(ji)(ji)(如：酒(jiu)精)降(jiang)低(di)(或升高)到指定溫度(du)并保持恒溫，通(tong)(tong)過控制(zhi)(zhi)系統(tong)使降(jiang)溫后的(de)冷(leng)媒(mei)(mei)劑(ji)(ji)，進(jin)入箱(xiang)體外的(de)管路(lu)。冷(leng)媒(mei)(mei)劑(ji)(ji)流經插(cha)在土體內的(de)凍結(jie)管(其中凍結(jie)管應(ying)由(you)(you)導熱系數較大的(de)金(jin)屬材料(liao)制(zhi)(zhi)成(cheng))，依據熱傳導原(yuan)理，達到降(jiang)低(di)土體溫度(du)的(de)目的(de)，再由(you)(you)外循環管路(lu)流回(hui)箱(xiang)體內部(bu)，重新進(jin)行(xing)降(jiang)溫。②可(ke)以對制(zhi)(zhi)冷(leng)溫度(du)以及冷(leng)媒(mei)(mei)劑(ji)(ji)(如：酒(jiu)精)的(de)循環進(jin)行(xing)調節與控制(zhi)(zhi)。

(2)室(shi)外冷(leng)凝(ning)機組(zu):箱體(ti)內部在壓(ya)縮制冷(leng)劑降溫的(de)過(guo)程中，會產生熱量(liang)，這些熱量(liang)通過(guo)冷(leng)凝(ning)機組(zu)排(pai)放(fang)到室(shi)外。

(3)外循環管(guan)(guan)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)：冷媒(mei)(mei)劑(ji)在箱(xiang)體內降溫后(hou)，通過(guo)循環動力系(xi)統進入(ru)(ru)外循環管(guan)(guan)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)中(zhong)的(de)去路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)酒(jiu)精干路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)，冷媒(mei)(mei)劑(ji)再流入(ru)(ru)各(ge)支(zhi)(zhi)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)中(zhong)，之后(hou)需(xu)要流入(ru)(ru)與各(ge)支(zhi)(zhi)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)相(xiang)連(lian)的(de)插(cha)在土中(zhong)的(de)金(jin)屬凍結管(guan)(guan)，再由各(ge)回(hui)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)支(zhi)(zhi)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)流入(ru)(ru)回(hui)路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)酒(jiu)精干路(lu)(lu)(lu)(lu)(lu)。其中(zhong)金(jin)屬凍結管(guan)(guan)的(de)構(gou)造是(shi)上(shang)端(duan)開口，下端(duan)封閉(bi)的(de)空心圓柱(zhu)形金(jin)屬管(guan)(guan)。

B.模型試驗采(cai)(cai)集(ji)(ji)系統：由計算機(ji)、溫度采(cai)(cai)集(ji)(ji)原(yuan)件(jian)(jian)、壓力采(cai)(cai)集(ji)(ji)原(yuan)件(jian)(jian)、水分采(cai)(cai)集(ji)(ji)原(yuan)件(jian)(jian)組成。可以(yi)實現(xian)以(yi)下(xia)功能(neng)：能(neng)夠通過計算機(ji)實時(shi)對(dui)土(tu)體溫度、水分、內部應力進行監測(ce)、收集(ji)(ji)。

(1)溫度(du)(du)(du)采(cai)集原件(jian)(jian)：土體(ti)溫度(du)(du)(du)變化是試驗的(de)基(ji)礎和關鍵(jian)，因此(ci)對(dui)溫度(du)(du)(du)采(cai)集要(yao)求(qiu)較高。要(yao)求(qiu)溫度(du)(du)(du)傳感器能夠在低溫條(tiao)件(jian)(jian)下工作，溫度(du)(du)(du)采(cai)集儀要(yao)求(qiu)測量精(jing)度(du)(du)(du)達(da)到±0.5℃。

(2)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)采集原(yuan)件：為了(le)測量(liang)在(zai)(zai)土體凍結過程中(zhong)(zhong)引起(qi)的內(nei)部凍脹力(li)(li)(li)，需要在(zai)(zai)土體中(zhong)(zhong)埋置微型壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)盒，選(xuan)用(yong)電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)式傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)。電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)式傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)工作原(yuan)理：土壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)作用(yong)在(zai)(zai)傳感(gan)(gan)器(qi)(qi)的彈(dan)性膜上，使得(de)膜產(chan)生(sheng)變(bian)形，粘貼在(zai)(zai)彈(dan)性膜內(nei)表面(mian)的電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)片的阻(zu)值發生(sheng)變(bian)化，從(cong)應(ying)變(bian)儀上得(de)到(dao)膜受力(li)(li)(li)后產(chan)生(sheng)的應(ying)變(bian)值，再根據試驗前(qian)標(biao)定的“壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)-應(ying)變(bian)”曲線換算得(de)到(dao)土壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)值。

(3)水(shui)分采(cai)集(ji)原(yuan)件：土(tu)體凍結(jie)過(guo)程，將引(yin)起土(tu)體內(nei)部水(shui)分的遷移，水(shui)分遷移的同時引(yin)起土(tu)體內(nei)部壓(ya)力的變(bian)(bian)(bian)化。可(ke)選用(yong)以能量(liang)脈(mo)沖為基本原(yuan)理的水(shui)分傳感(gan)器，通過(guo)測(ce)量(liang)一定體積土(tu)體中(zhong)含(han)水(shui)量(liang)的變(bian)(bian)(bian)化引(yin)起的電壓(ya)變(bian)(bian)(bian)化，再通過(guo)建立(li)二者的函數關系，換算得出土(tu)體含(han)水(shui)量(liang)的變(bian)(bian)(bian)化，來實現對水(shui)分變(bian)(bian)(bian)化數據的采(cai)集(ji)、監測(ce)。

(4)計算機(ji)：安裝凍結模型(xing)試(shi)驗監(jian)測監(jian)控系(xi)統(tong)，能夠通過計算機(ji)實時對(dui)監(jian)測數據(ju)進行采集(ji)保存。該系(xi)統(tong)界面由試(shi)驗控制(zhi)界面、溫度數據(ju)采集(ji)界面、水分數據(ju)采集(ji)界面以及凍結應力數據(ju)采集(ji)界面構成。

C.試(shi)驗平(ping)臺(tai)(tai)：模型試(shi)驗平(ping)臺(tai)(tai)由直徑3.0m，深(shen)度1.8m的圓柱形(xing)基(ji)坑和距離平(ping)臺(tai)(tai)頂端1.5m的反力架(jia)組成。

(1)基坑：為搭建試驗模型提(ti)供空(kong)間。

(2)反(fan)力(li)架：為(wei)外循環管(guan)路(配液(ye)圈和集液(ye)圈)提供(gong)支撐。當需要測量(liang)凍土承載力(li)時，還可在反(fan)力(li)架下部安裝千斤頂等裝置(zhi)。

本發明的有益(yi)技術效果體現在(zai)：

1、在(zai)(zai)實(shi)際(ji)(ji)進行(xing)凍結施(shi)工前，可(ke)通過(guo)本(ben)發明在(zai)(zai)室內進行(xing)相似模型試驗，為實(shi)際(ji)(ji)施(shi)工提供設計參數及經(jing)驗，為實(shi)際(ji)(ji)工程節約大(da)量成(cheng)本(ben)。

2、凍結(jie)施工成(cheng)本(ben)較高，所以科研(yan)人(ren)員想要對(dui)凍結(jie)施工中(zhong)土體(ti)的各種物理、力學性(xing)質進(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)時(shi)(shi)，往往會(hui)受到(dao)成(cheng)本(ben)的限(xian)制(zhi)，無法展開大(da)量研(yan)究(jiu)。本(ben)發明可以在較小成(cheng)本(ben)的前提下(xia)，對(dui)實際工程進(jin)行(xing)模擬，使研(yan)究(jiu)人(ren)員的研(yan)究(jiu)不會(hui)受到(dao)資金(jin)、時(shi)(shi)間和地點等因素的限(xian)制(zhi)，方(fang)便研(yan)究(jiu)。

附圖說明：

下面結(jie)合附圖，通(tong)過實施例對本(ben)發明(ming)進一(yi)步地說明(ming)。

圖(tu)1是箱(xiang)體(ti)、室外冷凝機組和(he)外循(xun)環(huan)管(guan)(guan)路(lu)(lu)(lu)的(de)連接圖(tu)。其中(zhong)(zhong)圖(tu)1中(zhong)(zhong)1為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)配液(ye)圈，2為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)回(hui)液(ye)管(guan)(guan)，3為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)供(gong)液(ye)管(guan)(guan)，4為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)集液(ye)圈，5為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)凍(dong)(dong)(dong)結管(guan)(guan)，6為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)被凍(dong)(dong)(dong)結的(de)土體(ti)，7為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)去路(lu)(lu)(lu)酒(jiu)精(jing)干(gan)路(lu)(lu)(lu)，8為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)回(hui)路(lu)(lu)(lu)酒(jiu)精(jing)干(gan)路(lu)(lu)(lu)，9為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)箱(xiang)體(ti)，10和(he)11為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)箱(xiang)體(ti)和(he)冷凝機組的(de)連接管(guan)(guan)，12為(wei)(wei)(wei)(wei)(wei)冷凝機組。圖(tu)1中(zhong)(zhong)1配液(ye)圈，2回(hui)液(ye)管(guan)(guan)，3供(gong)液(ye)管(guan)(guan)，4集液(ye)圈，5凍(dong)(dong)(dong)結管(guan)(guan)，7去路(lu)(lu)(lu)酒(jiu)精(jing)干(gan)路(lu)(lu)(lu)，8回(hui)路(lu)(lu)(lu)酒(jiu)精(jing)干(gan)路(lu)(lu)(lu)，以上部(bu)分構成外循(xun)環(huan)管(guan)(guan)路(lu)(lu)(lu)。

圖2是試驗平臺(tai)的示意圖。圖2中13為(wei)(wei)反力架，14為(wei)(wei)室內(nei)地面(mian)，15為(wei)(wei)基坑，16為(wei)(wei)基坑內(nei)壁。

具體實施方式：

實施實例1：

研究人工凍(dong)結(jie)條(tiao)件下土體凍(dong)結(jie)及融(rong)化(hua)過程(cheng)各物理(li)量變化(hua)規(gui)律

第一步：物(wu)理模型設計(ji)

確(que)定土壤類型(xing)(xing)(如黏土、粉土等)。依照相(xiang)似模型(xing)(xing)理論求得(de)幾何(he)縮比、溫(wen)(wen)度(du)縮比、時間縮比，從而確(que)定模型(xing)(xing)的幾何(he)尺(chi)寸(cun)，凍結(jie)管圈如何(he)分布(bu)，凍結(jie)溫(wen)(wen)度(du)以及凍結(jie)時間。確(que)定溫(wen)(wen)度(du)采(cai)集原件(jian)、應力采(cai)集原件(jian)、水分采(cai)集原件(jian)的布(bu)置位置。

第二步：模型搭建

首(shou)先，按照設(she)計要(yao)求(qiu)，在15基(ji)坑內(nei)部填土(tu)(tu)，搭建(jian)土(tu)(tu)體模型，并于搭建(jian)模型的過程中(zhong)，在土(tu)(tu)體中(zhong)的指定位(wei)置(zhi)埋(mai)置(zhi)溫度采(cai)集(ji)(ji)原(yuan)件、應(ying)力采(cai)集(ji)(ji)原(yuan)件和(he)水分采(cai)集(ji)(ji)原(yuan)件。土(tu)(tu)體模型搭建(jian)完(wan)成(cheng)后，開始(shi)布置(zhi)凍(dong)(dong)結(jie)(jie)管路。其中(zhong)1配液(ye)(ye)圈和(he)2集(ji)(ji)液(ye)(ye)圈放(fang)置(zhi)于13反力架上(shang)方，凍(dong)(dong)結(jie)(jie)管通過3供液(ye)(ye)管和(he)2回(hui)液(ye)(ye)管與1配液(ye)(ye)圈和(he)2集(ji)(ji)液(ye)(ye)圈相連。按照設(she)計布置(zhi)圖，在土(tu)(tu)體模型的指定位(wei)置(zhi)埋(mai)入(ru)5凍(dong)(dong)結(jie)(jie)管。在凍(dong)(dong)結(jie)(jie)管埋(mai)置(zhi)完(wan)成(cheng)后，將預先留(liu)出的試驗(yan)采(cai)集(ji)(ji)原(yuan)件的連接線(xian)同數據采(cai)集(ji)(ji)儀(yi)器相連。

第三步：試驗實施

試(shi)(shi)驗模型(xing)搭建完(wan)成后，啟動(dong)制冷(leng)系統，開始模型(xing)試(shi)(shi)驗，進行(xing)凍結(jie)過(guo)程(cheng)溫度采集。按照試(shi)(shi)驗設(she)計的(de)凍結(jie)時間，當凍結(jie)過(guo)程(cheng)達到指定時間后，應停止制冷(leng)裝置，并(bing)在(zai)(zai)設(she)計的(de)融(rong)化溫度下(xia)，對土(tu)(tu)體進行(xing)解(jie)凍，在(zai)(zai)融(rong)化過(guo)程(cheng)中，任然要對土(tu)(tu)體進行(xing)各物(wu)理量的(de)監測(ce)，土(tu)(tu)體完(wan)全融(rong)化后，試(shi)(shi)驗結(jie)束。

第四步：數據處(chu)理及分析

試驗結(jie)束后(hou)，將得到凍結(jie)各(ge)個過程(cheng)中(zhong)的(de)物理量。對(dui)試驗結(jie)果進行處理分析，研究變化(hua)規律。

實施實例2：往(wang)復荷載下凍土地基(ji)承(cheng)載力研(yan)究

第一步：物理模(mo)型設計

確(que)(que)定(ding)土壤類型(xing)(xing)(如黏土、粉土等)。依(yi)照相似模(mo)型(xing)(xing)理論求(qiu)得幾何(he)(he)縮(suo)比(bi)、溫(wen)(wen)度縮(suo)比(bi)、時(shi)間縮(suo)比(bi)，從而確(que)(que)定(ding)模(mo)型(xing)(xing)的幾何(he)(he)尺寸(cun)，凍結管圈如何(he)(he)分布，凍結溫(wen)(wen)度以及凍結時(shi)間。確(que)(que)定(ding)溫(wen)(wen)度采集原件、應力(li)采集原件以及荷載施加(jia)裝置的布置位置。

第二步：模型搭建

按照設計要求，在(zai)(zai)15基坑內部填土，搭建土體模(mo)型，并于搭建模(mo)型的(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，在(zai)(zai)土體中(zhong)的(de)(de)(de)指(zhi)定位置(zhi)(zhi)(zhi)埋置(zhi)(zhi)(zhi)溫度采(cai)集(ji)原件(jian)(jian)、應力采(cai)集(ji)原件(jian)(jian)、應變采(cai)集(ji)原件(jian)(jian)。土體模(mo)型搭建完成后，開(kai)始布置(zhi)(zhi)(zhi)凍(dong)結(jie)管(guan)(guan)(guan)路。其中(zhong)1配(pei)(pei)液(ye)圈和(he)2集(ji)液(ye)圈放置(zhi)(zhi)(zhi)于反力架(jia)上方，凍(dong)結(jie)管(guan)(guan)(guan)通過(guo)3供(gong)液(ye)管(guan)(guan)(guan)和(he)2回(hui)液(ye)管(guan)(guan)(guan)與1配(pei)(pei)液(ye)圈和(he)2集(ji)液(ye)圈相連(lian)(lian)。按照設計布置(zhi)(zhi)(zhi)圖，在(zai)(zai)土體模(mo)型的(de)(de)(de)指(zhi)定位置(zhi)(zhi)(zhi)埋入(ru)5凍(dong)結(jie)管(guan)(guan)(guan)，并在(zai)(zai)13反力架(jia)下方安裝千斤頂(ding)作為試驗的(de)(de)(de)加載裝置(zhi)(zhi)(zhi)。在(zai)(zai)凍(dong)結(jie)管(guan)(guan)(guan)埋置(zhi)(zhi)(zhi)完成后，將預先(xian)留出(chu)的(de)(de)(de)試驗采(cai)集(ji)原件(jian)(jian)的(de)(de)(de)連(lian)(lian)接線同數據采(cai)集(ji)儀器相連(lian)(lian)。

第三步：試驗實施

試驗模型搭建完成(cheng)后，啟動制冷系統，開(kai)始(shi)模型試驗，進(jin)行凍(dong)結過程溫度(du)采集(ji)。當土(tu)(tu)體(ti)的溫度(du)達(da)到指(zhi)定(ding)溫度(du)后，保持其溫度(du)穩定(ding)，按(an)照設計的加(jia)載(zai)(zai)方式，開(kai)始(shi)對(dui)凍(dong)結土(tu)(tu)體(ti)施加(jia)往(wang)復周(zhou)期性加(jia)載(zai)(zai)，并對(dui)加(jia)載(zai)(zai)過程中(zhong)的土(tu)(tu)中(zhong)應(ying)力(li)和土(tu)(tu)體(ti)應(ying)變數據(ju)進(jin)行采集(ji)。

第(di)四(si)步：數(shu)據處理及分(fen)析

對試驗結果(guo)進行(xing)處理分析。