[发明专利]人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验装置及方法

权利要求书

1.一种人工地层冻结法对周围环境效应的模型试验系统，其特征在于，其包括模型箱和模型土体、冻结支架系统、冻结循环系统、测量设备、数据采集设备和水压控制设备，模型箱内放置模拟研究区域的模型土体和冻结支架系统及冻结循环系统的箱内冻结管系统；并在模型箱的模拟材料区域内设置测量设备进行参数测量；数据采集设备与测量设备相连以实时采集和处理测量设备量测到的各参数；水压控制设备与模型箱相连为模型箱提供水压以及冻结过程的水分补给。

2.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的模型箱底部安放和固定冻结管支架系统；箱内铺填研究区域的模型土体，冻结循环系统的箱内冻结管部分由冻结管支架系统支撑于模型土体中间部位；或者，优选的：模型箱由建筑钢板构成并刷有防锈漆，密封不漏水，外墙四围设有保温材料，例如聚乙烯泡沫材料。

3.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的模型土体为研究区域的原状土体，根据相应的模型比设计厚度分层铺设各土层，模型箱内壁与试验用土模型接触的部位设有隔热层。

4.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的冻结管支架系统由底座、下宽底板、前壁、后壁、冻结管支梁及连接钢条构成；底座与冻结管支梁和下宽底板固定连接成整体，前壁、后壁和下宽底板构成一槽型空间用于搁置冻结总管，上述部分分为左右两翼对称的布置在模型箱底部，连接钢条通过底座底部的螺栓孔使左右部分连接成整体。

5.如权利要求4所述的模型试验系统，其特征在于：所述底座采用两块高强角钢，每块下部各设有一个螺栓孔，调节螺栓孔使其紧贴箱壁；所述冻结管支梁采用平直钢条，每隔一定距离开设一个半圆形的凹槽，各冻结支管放置于其中；所述连接钢条包括四条开有螺栓孔的钢板，通过底座上下分布的螺栓孔使冻结管支架系统的左右两翼相连，构成稳固的整体。

6.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述冻结循环系统包括低温恒温槽、冻结循环入液管道、冻结循环出液管道和冻结管系统，冻结循环入液管道和出液管道一端分别和低温恒温槽连接，另一端分别和冻结管系统的入口和出口连接，构成低温液体循环回路。

7.如权利要求6所述的模型试验系统，其特征在于：所述冻结循环系统中的低温恒温槽最低温度为-42℃，温度控制精度可达0.01摄氏度，额定电压采用动力电压380V，可自由调节设定目标温度和冻结时间。

8.如权利要求6所述的模型试验系统，其特征在于：所述冻结管系统均采用黄铜管制成，由冻结回路入总管、出总管和各冻结支管构成，冻结回路入总管中间开设回路入口，两边等间距开设小孔通过高强三通阀门连接各冻结支管一端，其另一端汇合于冻结回路出总管处等间距分布的三通阀门。

9.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的测量设备，包括温度传感器、压力传感器和位移传感器，所述的温度传感器采用电缆组串式测量模型土体不同位置处的温度分布；所述的压力传感器包括土压计和孔压计，布置于一层或多层土体内；位移传感器布置在土体表层。

10.如权利要求9所述的模型试验系统，其特征在于：所述测量设备中的温度传感器采用电缆组串式，模型土体不同位置插设电缆线，不同深度处串联温度传感器。

11.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的数据采集设备包括温度采集子系统和压力采集子系统，所述的温度采集子系统与温度传感器连接，所述的压力采集子系统分别与土压计、孔压计和位移传感器连接。

12.如权利要求1所述的模型试验系统，其特征在于：所述的水压控制设备包括集水箱、水分补给管和透水砂层，集水箱悬挂于试验模型箱上方的墙面，水分补给管上端和集水箱相连，下端和透水砂层连接，集水箱中的水分通过水分补给管接通透水砂层从而保证整个试验系统的水分补给。

13.如权利要求12所述的模型试验系统，其特征在于：所述集水箱采用隔热陶瓷水箱，顶盖上设有曝气溢出孔，箱壁上设有源水进水口、出水口和高水位溢出口三个液路出口，所述的源水进水口和出水口均设有控制通断的球阀。