[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

说明书

本发明提供一种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。该模型试验系统利用试验箱体及其中填筑的土体模拟土层；利用制冷系统提供冷媒，携带冷量，通过冻结管将冷量传递给土层，从而达到不同的冻结效果；利用给水循环系统实现对渗流的模拟，也可以达到节省用水的目的；利用位移传感器监测试验箱体内土的冻胀位移，温度传感器和应力传感器分别监测土中的应力和温度，通过数据采集仪收集各个传感器监测到的数据。采用本发明的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统能够模拟得到冻结法施工过程中温度场、变形场、应力场和渗流场之间的关系，为相关工程提供依据。

技术领域

本发明涉及模型试验技术领域，尤其涉及一种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。

背景技术

在地铁开挖时若采用降水法施工将地下水抽出排掉，会引起地面沉降等问题，同时也是对水资源极大的浪费，而冻结法施工具有防止涌水、不受支护范围和深度的限制以及控制土体变形的优点，可以有效地对含水地层进行加固。目前冻结法施工已广泛应用于富水软粘土地层中地铁联络通道的建设中。

然而，当冻结法施工在含水粗粒土地层中应用时，地层中地下水的流速往往较大。地下水的流动会对冻结法施工产生诸多不利影响。首先，水的渗流会带走部分冻结管产生的冷量，从而影响制冷效果，增加冻结壁形成时间，地下水渗流速度过大甚至可能导致冻结壁无法交圈(渗流对温度场的影响)；第二，渗流会改变粗粒土冻结过程中的冻结速率、温度梯度和水分迁移状态，从而改变粗粒土的冻胀融沉特性，较大的冻胀量会对周边建筑产生向上位移(渗流对变形场的影响)；第三，冻胀产生的冻胀力也会对周围管线和建筑物基础造成不利影响(渗流对应力场的影响)；此外，温度场、变形场和应力场之间也会相互影响。这些物理场之间相互作用尚不明确，因此，有必要开展关与人工冻结法施工土层中渗流场、温度场、变形场和应力场之间相互关系的研究。

目前，相关的试验研究主要分为两方面，一方面是采用冻胀试验对土的冻胀融沉特性展开研究；另一方面是利用室内模型试验模拟渗流对冻结法施工温度场的影响。两者均无法考虑多个物理场(渗流场、温度场、变形场和应力场)相互耦合所带来的影响。对于冻胀试验，一般采用一套包括恒温箱、试样筒、配套冷浴、补水瓶、温度和位移传感器以及数据采集仪的装置。通过调节冷浴温度来实现对土体冻结过程的模拟，并通过传感器测量冻胀融沉量以及土试样内部温度，数据采集仪负责采集数据；通过调节补水瓶的位置以及水位高度可模拟土的饱和状态以及改变系统的开敞性。对于室内模型试验，现阶段用于研究渗流对冻结法施工影响的试验装置一般包括模型试验箱、配套冷浴、冻结管、给水装置、温度传感器以及数据采集仪。冷浴负责对冻结管进行降温，从而对模型试验箱内的土体进行降温；给水装置可以实现对地下水渗流的模拟；温度传感器和数据采集仪负责对土体内部温度的监测与采集。

一般的冻胀试验装置体积小，只能进行单一方向的冻结，不仅不能模拟冻结管的布设，也不能模拟渗流。室内模型试验体积大，可以灵活控制冻结方式、渗流以及地层状态，更适用于研究渗流对冻结法施工的影响，但是现在的试验装置只能实现对土体内部温度场的监测，而无法实现对其他物理场(变形场和应力场)的监测。

综上所述，现阶段的研究方法与手段只能模拟单一或者两个物理场的耦合作用，无法考虑人工冻结过程中多个物理场的耦合作用。因此，有必要研制一套可用于监测人工冻结过程中渗流场、温度场、变形场和应力场的试验装置。

发明内容

本发明提供一种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，用以解决现有技术中的研究方法和手段只能模拟单一或两个物理场的耦合作用，无法模拟多个物理场的相互作用关系，导致模拟不全面的缺陷，实现模拟多个物理场的之间的耦合关系。

本发明提供一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，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；