本發(fā)明涉及模型試驗(yàn)和人工凍土工程，具體說是通過模型試驗(yàn)方法將現(xiàn)場原型上的基本物理力學(xué)現(xiàn)象(凍結(jié)壁溫度場、應(yīng)力場、水分場變化規(guī)律及相互影響關(guān)系)，按照一定幾何縮比進(jìn)行設(shè)計(jì)，在模擬同等的邊界條件下進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)(在室內(nèi)進(jìn)行人工多線圈管凍結(jié)壁水、熱、力耦合模型試驗(yàn))。

背景技術(shù)：

模型試驗(yàn)方法是將體現(xiàn)在現(xiàn)場原型上的基本物理力學(xué)現(xiàn)象，按一定幾何縮比進(jìn)行設(shè)計(jì)，在模擬同等的邊界條件下進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。以盡可能小的人力、物力、財(cái)力條件下，從本質(zhì)掌握現(xiàn)場實(shí)際物理、力學(xué)現(xiàn)象。

凍土即溫度低于0℃的土或巖石。冰作為膠結(jié)材料，將相鄰?fù)令w?；驇r塊體膠結(jié)連接而結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度增大，同時(shí)降低其透水性，所以在凍土工程中，能夠利用的凍土有利特性包括其穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、隔水性等，但利用凍結(jié)法的工程往往困難程度高，工程造價(jià)昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因?yàn)閮鼋Y(jié)法施工造價(jià)高，所以，為了在較低成本的情況下，研究凍結(jié)過程中溫度場、應(yīng)力場、水分場變化規(guī)律，以及相互影響關(guān)系，需要進(jìn)行模型試驗(yàn)來模擬實(shí)際工程情況。為了解決上述問題，本發(fā)明提出大型多功能人工凍結(jié)平臺(tái)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，解決方案如下：

大型多功能人工凍結(jié)平臺(tái)：

A.制冷系統(tǒng)：包括箱體、室外冷凝機(jī)組、外循環(huán)管路?？梢詫?shí)現(xiàn)以下功能：在箱體內(nèi)實(shí)現(xiàn)通過壓縮制冷劑(如：氟利昂)將冷媒劑(如：酒精)降低(或升高)到指定溫度并保持恒溫，通過控制系統(tǒng)使冷媒劑進(jìn)入外循環(huán)系統(tǒng)，在外部的循環(huán)管路中進(jìn)行外循環(huán)，當(dāng)冷媒劑循環(huán)經(jīng)過插在土體中的凍結(jié)管時(shí)，達(dá)到降低土體溫度的目的。

(1)箱體：箱體應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能。①實(shí)現(xiàn)制冷功能。通過壓縮制冷劑(如：氟利昂)將冷媒劑(如：酒精)降低(或升高)到指定溫度并保持恒溫，通過控制系統(tǒng)使降溫后的冷媒劑，進(jìn)入箱體外的管路。冷媒劑流經(jīng)插在土體內(nèi)的凍結(jié)管(其中凍結(jié)管應(yīng)由導(dǎo)熱系數(shù)較大的金屬材料制成)，依據(jù)熱傳導(dǎo)原理，達(dá)到降低土體溫度的目的，再由外循環(huán)管路流回箱體內(nèi)部，重新進(jìn)行降溫。②可以對制冷溫度以及冷媒劑(如：酒精)的循環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。

(2)室外冷凝機(jī)組:箱體內(nèi)部在壓縮制冷劑降溫的過程中，會(huì)產(chǎn)生熱量，這些熱量通過冷凝機(jī)組排放到室外。

(3)外循環(huán)管路：冷媒劑在箱體內(nèi)降溫后，通過循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)入外循環(huán)管路中的去路酒精干路，冷媒劑再流入各支路中，之后需要流入與各支路相連的插在土中的金屬凍結(jié)管，再由各回路支路流入回路酒精干路。其中金屬凍結(jié)管的構(gòu)造是上端開口，下端封閉的空心圓柱形金屬管。

B.模型試驗(yàn)采集系統(tǒng)：由計(jì)算機(jī)、溫度采集原件、壓力采集原件、水分采集原件組成?？梢詫?shí)現(xiàn)以下功能：能夠通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對土體溫度、水分、內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測、收集。

(1)溫度采集原件：土體溫度變化是試驗(yàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，因此對溫度采集要求較高。要求溫度傳感器能夠在低溫條件下工作，溫度采集儀要求測量精度達(dá)到±0.5℃。

(2)壓力采集原件：為了測量在土體凍結(jié)過程中引起的內(nèi)部凍脹力，需要在土體中埋置微型壓力盒，選用電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器工作原理：土壓力作用在傳感器的彈性膜上，使得膜產(chǎn)生變形，粘貼在彈性膜內(nèi)表面的電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，從應(yīng)變儀上得到膜受力后產(chǎn)生的應(yīng)變值，再根據(jù)試驗(yàn)前標(biāo)定的“壓力-應(yīng)變”曲線換算得到土壓力值。

(3)水分采集原件：土體凍結(jié)過程，將引起土體內(nèi)部水分的遷移，水分遷移的同時(shí)引起土體內(nèi)部壓力的變化?？蛇x用以能量脈沖為基本原理的水分傳感器，通過測量一定體積土體中含水量的變化引起的電壓變化，再通過建立二者的函數(shù)關(guān)系，換算得出土體含水量的變化，來實(shí)現(xiàn)對水分變化數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測。

(4)計(jì)算機(jī)：安裝凍結(jié)模型試驗(yàn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，能夠通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集保存。該系統(tǒng)界面由試驗(yàn)控制界面、溫度數(shù)據(jù)采集界面、水分?jǐn)?shù)據(jù)采集界面以及凍結(jié)應(yīng)力數(shù)據(jù)采集界面構(gòu)成。

C.試驗(yàn)平臺(tái)：模型試驗(yàn)平臺(tái)由直徑3.0m，深度1.8m的圓柱形基坑和距離平臺(tái)頂端1.5m的反力架組成。

(1)基坑：為搭建試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┛臻g。

(2)反力架：為外循環(huán)管路(配液圈和集液圈)提供支撐。當(dāng)需要測量凍土承載力時(shí)，還可在反力架下部安裝千斤頂?shù)妊b置。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在：

1、在實(shí)際進(jìn)行凍結(jié)施工前，可通過本發(fā)明在室內(nèi)進(jìn)行相似模型試驗(yàn)，為實(shí)際施工提供設(shè)計(jì)參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)際工程節(jié)約大量成本。

2、凍結(jié)施工成本較高，所以科研人員想要對凍結(jié)施工中土體的各種物理、力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究時(shí)，往往會(huì)受到成本的限制，無法展開大量研究。本發(fā)明可以在較小成本的前提下，對實(shí)際工程進(jìn)行模擬，使研究人員的研究不會(huì)受到資金、時(shí)間和地點(diǎn)等因素的限制，方便研究。

附圖說明：

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步地說明。

圖1是箱體、室外冷凝機(jī)組和外循環(huán)管路的連接圖。其中圖1中1為配液圈，2為回液管，3為供液管，4為集液圈，5為凍結(jié)管，6為被凍結(jié)的土體，7為去路酒精干路，8為回路酒精干路，9為箱體，10和11為箱體和冷凝機(jī)組的連接管，12為冷凝機(jī)組。圖1中1配液圈，2回液管，3供液管，4集液圈，5凍結(jié)管，7去路酒精干路，8回路酒精干路，以上部分構(gòu)成外循環(huán)管路。

圖2是試驗(yàn)平臺(tái)的示意圖。圖2中13為反力架，14為室內(nèi)地面，15為基坑，16為基坑內(nèi)壁。

具體實(shí)施方式：

實(shí)施實(shí)例1：

研究人工凍結(jié)條件下土體凍結(jié)及融化過程各物理量變化規(guī)律

第一步：物理模型設(shè)計(jì)

確定土壤類型(如黏土、粉土等)。依照相似模型理論求得幾何縮比、溫度縮比、時(shí)間縮比，從而確定模型的幾何尺寸，凍結(jié)管圈如何分布，凍結(jié)溫度以及凍結(jié)時(shí)間。確定溫度采集原件、應(yīng)力采集原件、水分采集原件的布置位置。

第二步：模型搭建

首先，按照設(shè)計(jì)要求，在15基坑內(nèi)部填土，搭建土體模型，并于搭建模型的過程中，在土體中的指定位置埋置溫度采集原件、應(yīng)力采集原件和水分采集原件。土體模型搭建完成后，開始布置凍結(jié)管路。其中1配液圈和2集液圈放置于13反力架上方，凍結(jié)管通過3供液管和2回液管與1配液圈和2集液圈相連。按照設(shè)計(jì)布置圖，在土體模型的指定位置埋入5凍結(jié)管。在凍結(jié)管埋置完成后，將預(yù)先留出的試驗(yàn)采集原件的連接線同數(shù)據(jù)采集儀器相連。

第三步：試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱ㄍ瓿珊?，啟?dòng)制冷系統(tǒng)，開始模型試驗(yàn)，進(jìn)行凍結(jié)過程溫度采集。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的凍結(jié)時(shí)間，當(dāng)凍結(jié)過程達(dá)到指定時(shí)間后，應(yīng)停止制冷裝置，并在設(shè)計(jì)的融化溫度下，對土體進(jìn)行解凍，在融化過程中，任然要對土體進(jìn)行各物理量的監(jiān)測，土體完全融化后，試驗(yàn)結(jié)束。

第四步：數(shù)據(jù)處理及分析

試驗(yàn)結(jié)束后，將得到凍結(jié)各個(gè)過程中的物理量。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析，研究變化規(guī)律。

實(shí)施實(shí)例2：往復(fù)荷載下凍土地基承載力研究

第一步：物理模型設(shè)計(jì)

確定土壤類型(如黏土、粉土等)。依照相似模型理論求得幾何縮比、溫度縮比、時(shí)間縮比，從而確定模型的幾何尺寸，凍結(jié)管圈如何分布，凍結(jié)溫度以及凍結(jié)時(shí)間。確定溫度采集原件、應(yīng)力采集原件以及荷載施加裝置的布置位置。

第二步：模型搭建

按照設(shè)計(jì)要求，在15基坑內(nèi)部填土，搭建土體模型，并于搭建模型的過程中，在土體中的指定位置埋置溫度采集原件、應(yīng)力采集原件、應(yīng)變采集原件。土體模型搭建完成后，開始布置凍結(jié)管路。其中1配液圈和2集液圈放置于反力架上方，凍結(jié)管通過3供液管和2回液管與1配液圈和2集液圈相連。按照設(shè)計(jì)布置圖，在土體模型的指定位置埋入5凍結(jié)管，并在13反力架下方安裝千斤頂作為試驗(yàn)的加載裝置。在凍結(jié)管埋置完成后，將預(yù)先留出的試驗(yàn)采集原件的連接線同數(shù)據(jù)采集儀器相連。

第三步：試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱ㄍ瓿珊?，啟?dòng)制冷系統(tǒng)，開始模型試驗(yàn)，進(jìn)行凍結(jié)過程溫度采集。當(dāng)土體的溫度達(dá)到指定溫度后，保持其溫度穩(wěn)定，按照設(shè)計(jì)的加載方式，開始對凍結(jié)土體施加往復(fù)周期性加載，并對加載過程中的土中應(yīng)力和土體應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

第四步：數(shù)據(jù)處理及分析

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析。