[发明专利]具有补水功能和冻胀测试功能的大型冻土模型试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有补水功能和冻胀测试功能的大型冻土模型试验系统，特别适用于开展有关冻土方面的科学试验研究。该发明可以进行岩土材料冻结性能试验，研究土体的冻胀机理，完成土体的水分场、温度场、应力场三场耦合模型试验。

背景技术

随着我国城市基础建设步伐的加快，各大城市兴起地铁轨道交通建设浪潮，有关地下空间开发的课题也就成为目前学术界研究的一个热点。人工地层冻结工法具有封水性好、强度高、无环境公害、适应性强、复原性好等优点，越来越多地应用于地下空间开发工程中，如：地铁联络通道冻结法施工、盾构进出洞冻结加固、深基坑冻结止水、冻结加固工程等。

冻结施工工法中常将冻土用作临时防水和围护结构，因此研究冻土的物理力学相关方面的性质，对工程实践具有极强的指导意义。由于模型试验可以根据建筑场地的工程概况灵活的设计组装模型试验槽，因此成为当今科学研究的一种有效途径。模型槽试验系统是进行岩土工程领域相关课题的主要室内模型试验载体。目前已有的模型槽主要针对常规的岩土工程问题开发设计，主要涉及地基基础工程、边坡工程、工程地质等方面的研究。针对人工地层冻结工法相关问题的模型试验研究较少，尚缺乏较为完善的土体冻结模型试验测试系统。

鉴于此，开发研制一种可以进行土体冻结相关试验，能进行水分场、温度场及应力场三场耦合的模型试验系统，成为研究人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有补水功能和冻胀测试功能的大型冻土模型试验系统，以用于研究岩土材料的冻结性能，以及土体在水分场、温度场和应力场三场耦合条件下的物理及力学特性。

解决上述技术问题的技术方案是提供一种具有补水功能和冻胀测试功能的大型冻土模型试验系统，其中：该模型试验系统包括模型槽箱体、加载系统、冷冻系统、补水系统、温度场测试装置、冻胀三维应力应变测试装置、冻胀融沉观测装置及数据采集系统；补水系统和冷冻系统安装在模型槽箱体内部，模型槽箱体顶部设有可竖向移动的加载系统，冷冻系统设置在模型槽箱体的中心位置，水平或倾斜方向放置，温度场测试装置设置在冷冻系统四周，冻胀三维应力应变测试装置安装在模型槽箱体内侧壁处，冻胀融沉观测装置固定在模型槽箱体顶部。

本发明具有补水功能和冻胀测试功能的大型冻土模型试验系统具有以下显著的特点和发明效果：

1.本发明创新的将冷冻系统引入到模型试验中，并采用集成的自动化控制系统，一键式操作，使用极为方便。该系统可以自动完成加载，自动制冷调控，以及试验参数的自动采集和数据处理。

2.在模型槽内部设置了渗透补水装置，为土体冻结提供了一个开放的系统，试验中可以提供土体冻结水分发生迁移时的水源补给，尽可能的相似模拟地下水环境，可以真正的实现水土耦合。再配合冷冻系统和加载系统，可以实现土体冻结过程中水分场、温度场和应力场三场的耦合模型试验。

3.试验中应用自制的三维应力应变测试装置，可以监测并计算土体冻结产生的冻胀应力及冻胀引起的冻胀应变；并且在土体表面设置冻胀融沉观测装置，可以从宏观上记录土体表面因冻胀产生的隆起变形，以及土体解冻时发生的融沉变形，有效评估人工冻结法中的冻胀融沉效应。

本发明还有以下特点：

1.可拓展性

在不启用冷冻系统情况时可以进行大比例尺的常规模型槽模拟试验，如基坑开挖、地铁盾构、边坡工程等。设置冷冻机的冻结参数，在模型槽土体表面设置冻结器，设定循环冷媒温度-时间函数，亦可模拟天然冻土对建筑物、构筑物的破坏作用。

2.灵活性和广泛性

整个模型槽是由槽钢叠加而成的，均为螺栓连接组装方便，可以根据试验要求调整模型槽的大小。模拟人工冻土施工时，根据实际工程灵活布置冻结器，可以模拟联络通道水平冻结加固、盾构进出口竖向冻结加固、深基坑冻结止水加固等。

附图说明

图1本发明模型槽箱体水平剖面图；

图2本发明内层模型箱体俯视图；

图3本发明模型槽箱体正视图；

图4本发明模型槽箱体侧视图；

图5本发明顶部反力梁平面图；

图6本发明地下水模拟渗透补水系统；

图7本发明冷冻系统示意图；

图8本发明密封盖俯视图；

图9本发明密封盖A-A剖面图；

图10本发明三维土压力盒示意图；

图11本发明的三维应变花示意图。

图中：