[发明专利]一种模拟深立井冻结的大型模型试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种深立井冻结模拟装置，特别涉及一种模拟深立井冻结的大型模型试验装置。

背景技术

冻结法是在井筒开挖之前，从地面沿拟建竖井外围一定距离的同心圆周上间隔向下钻孔，孔底深入不透水层，然后在每个钻孔中沉放冻结管；在地面安装冷冻设备，用循环泵将制冷剂输入冻结管，经制冷剂长时间连续地吸取管外的热量，使周围地层冻结，使之能承受水、土压力并阻隔地下水，在它的保护下开挖地层和修筑衬砌。

因此，冻结法主要适用于在松散不稳定的冲积层，裂隙发育的含水岩层，淤泥、松软泥岩，以及饱和含水和水头特别高的地层进行竖井工程；其是一种借助人工制冷手段暂时加固地层和隔断地下水的特殊施工方法。

在实际采用冻结法凿井施工中，常需要对冻结方案进行论证优化设计，以确定最佳方案。在诸多研究方法中物理相似模拟试验以其直观准确的特点常作为冻结方案研究中的重要手段。这就需要在竖井冻结施工之前以特征地层为研究对象开展相似模拟试验，以便掌握按某种冻结方案拟冻结地层中冻结壁的形成扩展情况及井筒开挖后冻结壁受力、变形规律，为竖井工程安全施工在方案的科学合理性上夯实基础。但是，现有技术中的模拟装置存在如下技术缺陷：(1)试验装置有效试验空间普遍不足，边界效应与尺度效应常对试验结果造成不利影响。(2)结构受力与试验操作的方便性难以兼顾，部分试验台操作方便但结构受力不好，难以实现高压加载。(3)对大型岩土试件模拟地压加载存在较大困难，隔膜易损导致试验失败。(4)井筒开挖模拟存在较大难度，且难以对开挖后井帮的位移变形情况进行监测。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种更大试验空间，结构受力更合理，能够模拟深立井高地压环境与不同段高井筒开挖的大型模型试验装置，使得在深立井井筒冻结方案研究优化阶段，通过相似模拟实验获得深井高地压环境下冻结壁温度场、冻结壁与未冻土整体受力情况、冻结壁稳定性、冻结壁位移、井筒支护等方面的相关信息，为深立井井筒实际施工提供有力的技术支撑。

本发明的技术方案是这样实现的：一种模拟深立井冻结的大型模型试验装置，包括模型试验筒、泥浆加载系统、液压系统、开挖模拟系统、制冷系统、监测系统和数据采集与控制系统，开挖模拟系统位于土试样内，土试样位于模型试验筒内，泥浆加载系统、液压系统和数据采集与控制系统均位于模型试验筒外，监测系统的一部分监测端埋于土试样内、另一部分监测端位于开挖模拟系统内，监测系统的输出端与数据采集与控制系统的输入端连接，液压系统为开挖模拟系统提供液压驱动力，泥浆加载系统的泥浆输出口与模型试验筒内壁和土试样之间的空腔流体导通，制冷系统为土试样冻结提供循环低温液体。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，模型试验筒包括试验筒底座、中间筒身、上端盖、上法兰、下端盖和下法兰，下端盖固定安装在试验筒底座上，下法兰固定安装在下端盖上，中间筒身固定安装在下法兰上，上法兰固定安装中间筒身上，上端盖固定安装在上法兰上，中间筒身、上法兰和下法兰均同轴焊接安装；中间筒身上安装有渗流液流出管，下端盖上分别安装有泥浆补压管、泥浆进液管和制冷进液管，上端盖上分别安装有放空管、低温液排出管和压力检测管；在下端盖的中心处开设有第一台阶式安装孔，第一台阶式安装孔的上端孔径大于下端孔径，在第一台阶式安装孔的上端安装有下活动小端盖，下活动小端盖与第一台阶式安装孔的上端孔凸凹密封配合，下端盖下表面上固定安装有用于封闭第一台阶式安装孔下端开口的第一封板，下活动小端盖上开设有内外连接测试线引线孔和低温进液孔，制冷进液管依次穿过第一封板和下活动小端盖上的低温进液孔与位于模型试验筒内的低温进液分水器流体导通；在上端盖的中心处开设有第二台阶式安装孔，第二台阶式安装孔的上端孔径小于下端孔径，在第二台阶式安装孔的下端安装有上活动小端盖，上活动小端盖上开设有内外连接测试线引线孔和液压油孔，上活动小端盖与第二台阶式安装孔的下端孔凸凹密封配合，上端盖上表面上固定安装有用于封闭第二台阶式安装孔上端开口的第二封板，低温液排出管位于模型试验筒内的一端与低温回液分水器流体导通。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，上法兰和下法兰均采用坡口设计，即：上法兰与上端盖的接触面边缘相对于上法兰面所在水平面向下倾斜，下法兰与下端盖的接触面边缘相对于下法兰面所在水平面向上倾斜。

上述模拟深立井冻结的大型模型试验装置，在上端盖与上法兰的接触面上以及在下端盖与下法兰的接触面上均设置有密封槽，在密封槽内安装有丁氰橡胶密封垫圈；上活动小端盖与上端盖之间以及下活动小端盖与下端盖之间设置有铜板垫圈和丁氰橡胶密封垫圈。