[发明专利]模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统及方法

权利要求书

1.一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，包括：

试验箱体，所述试验箱体内部依次形成连通的第一储水室、填土箱体和第二储水室，所述第一储水室设有第一进水口，所述第二储水室设有第一出水口；

制冷系统；

若干根冻结管，所述若干根冻结管埋设于所述填土箱体的土层中，所述冻结管的进水口与所述制冷系统的冷媒出口连通，所述冻结管的出水口与所述制冷系统的冷媒入口连通；

给水循环系统，所述给水循环系统设有第二进水口和第二出水口，所述第二进水口与所述第一出水口连通，所述第二出水口与所述第一进水口连通；

数据采集系统，所述数据采集系统包括数据采集仪、位移传感器、温度传感器和应力传感器，所述数据采集仪分别与所述位移传感器、所述温度传感器和所述应力传感器电连接，所述位移传感器设于所述填土箱体的土层顶部，所述温度传感器和所述应力传感器分别埋设于所述填土箱体的土层中。

2.根据权利要求1所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，所述试验箱体还包括缓冲室和过滤室，所述第一储水室、所述缓冲室、所述填土箱体、所述过滤室和所述第二储水室依次沿所述试验箱体的长度方向设置并通过滤网依次连通。

3.根据权利要求2所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，所述缓冲室和所述过滤室内分别设有透水石。

4.根据权利要求1所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，还包括第一法兰盘和第二法兰盘，所述冻结管的进水口通过所述第一法兰盘与所述制冷系统的冷媒出口连通，所述冻结管的出水口通过所述第二法兰盘与所述制冷系统的冷媒入口连通。

5.根据权利要求4所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，所述第一法兰盘和所述第二法兰盘分别包括法兰主管和法兰支管，所述法兰支管呈环形分布并与所述法兰主管连通；其中，

所述第一法兰盘的法兰主管与所述冷媒出口连通，所述第一法兰盘的法兰支管与所述冻结管的进水口连通，所述第二法兰盘的法兰主管与所述冷媒入口连通，所述第二法兰盘的法兰支管与所述冻结管的出水口连通。

6.根据权利要求5所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，所述法兰支管至少由两层环形分布，且分布于靠近环形中心的所述法兰支管的长度大于分布于远离环形中心的所述法兰支管的长度。

7.根据权利要求4所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，所述冻结管的进水口和所述冻结管的出水口分别位于所述冻结管的同一端。

8.根据权利要求1所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，所述给水循环系统包括给水箱体、水泵和流量计，所述给水箱体内设有过滤板并通过所述过滤板分割形成连通的浑水室和清水室，所述第二进水口与所述浑水室连通，所述清水室通过所述水泵与所述第二出水口连通，所述流量计设于所述第二出水口与所述第一进水口之间。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，其特征在于，所述制冷系统包括制冷机和冷媒水箱，所述冷媒入口和所述冷媒出口分别与所述冷媒水箱连通，所述制冷机与所述冷媒水箱连通，在所述冷媒入口和所述冷媒出口还设有阀体。

10.一种利用根据权利要求1-9中任意一项所述的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统的试验方法，其特征在于，包括：

将若干根冻结管竖直放置于所述填土箱体内；

根据试验需求确定土的类型以及各项参数，采用分层击实的方法进行填土，当填土高度达到预设高度时，将温度传感器和应力传感器布设于土层待测位置；

当土层填筑完毕后，将位移传感器布设于土层的顶部，并将温度传感器、应力传感器和位移传感器连接在数据采集仪；

将第二进水口与第一出水口连通，第二出水口与第一进水口连通，开启给水循环系统并达到渗流稳定，利用流量计监测渗流状况；

将冻结管的进水口与制冷系统的冷媒出口连通，冻结管的出水口与制冷系统的冷媒入口连通，开启制冷系统并通入冷媒；

通过数据采集仪采集接收到的位移、温度和应力数据，结合渗流速度得到冻结法施工过程中土层温度场、变形场、应力场和渗流场之间的关系。