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与流程

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.一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。
6.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。


技术实现要素：

7.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。
8.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：
9.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；
10.制冷系统；
11.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；
12.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；
13.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。
14.根据本发明提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，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。
15.根据本发明提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，所述缓冲室和所述过滤室内分别设有透水石。
16.根据本发明提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，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。
17.根据本发明提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，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，
18.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。
19.根据本发明提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，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。
20.根据本发明提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，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。
21.根据本发明提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，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。
22.根据本发明提供的一种模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统，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。
23.本发明还提供一种利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的试验方法，包括：
24.将若干根冻结管竖直放置于所述填土箱体内；
25.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；
26.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；
27.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态；
28.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；
29.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。
30.本发明提供的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。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，利用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。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明提供的模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统的结构示意图；
33.图2是本发明提供的试验箱体的结构示意图；
34.图3是本发明提供的制冷系统的结构示意图；
35.图4是本发明提供的冻结管的结构示意图；
36.图5是本发明提供的第一法兰盘(或第二法兰盘)的结构示意图；
37.图6是本发明提供的给水循环系统的结构示意图；
38.图7是本发明提供的数据采集系统的结构示意图；
39.附图标记：
40.1-1：前板；
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1-2：左板；
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1-3：后板；
41.1-4：右板；
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1-5：底板；
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1-6：第一储水室；
42.1-7：第二储水室；
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1-8：缓冲室；
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1-9：过滤室；
43.1-10：填土箱体；
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1-11：第一进水口；
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1-12：第一出水口；
44.1-13：钢架；
45.2-1：冷媒水箱；
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2-2：电子显示屏；
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2-3：制冷机；
46.2-4：冷媒出口；
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2-5：冷媒入口；
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2-6：箱体外壳；
47.2-7：法兰支管；
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2-8：法兰主管；
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2-9：冻结管的进水口；
[0048][0049]
2-10：冻结管的出水口；
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2-11：冻结管制冷段；
[0050][0051]
3-1：清水室；
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3-2：过滤板；
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3-3：浑水室；
[0052]
3-4：控制屏；
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3-5：水泵；
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3-6：第二出水口；
[0053]
3-7：第二进水口；
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3-8：给水箱体；
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3-9：流量计；
[0054]
4-1：数据采集仪；
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4-2：位移传感器；
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4-3：温度传感器；
[0055]
4-4：应力传感器。
具体实施方式
[0056]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057]
下面结合图1-图7描述本发明的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、制冷系统、若干根冻结管、给水循环系统和数据采集系统。
[0058]
其中，试验箱体内部依次形成连通的第一储水室1-6、填土箱体1-10和第二储水室1-7，第一储水室1-6设有第一进水口1-11，第二储水室1-7设有第一出水口1-12。试验箱体由5块钢板拼接而成，其包括前板1-1、左板1-2、后板1-3、右板1-4和底板1-5，5块钢板组成一个无顶板的箱体，板与板之间采用螺栓连接，连接处设有硅胶防水垫，整个试验箱体放置于钢架1-13上，钢架1-13在前后两侧设有两道竖向支撑，防止箱体发生变形。具体地，第一储水室1-6和第二储水室1-7内部是空的，可以暂时储存一定量的水，用来观察水位的高度，判断土层的饱和状态，填土箱体1-10用来填筑土层，填筑高度可自由控制。第一进水口1-11布置在左板上，水从第一进水口1-11进入到箱体内，第一出水口1-12并排布置两个于前板的右下部，水从第一出水口1-12排出箱外，第一进水口1-11和第一出水口1-12均设有阀门开关。
[0059]
进一步地，该试验箱体的尺寸：长为2160mm，宽为1252mm，高为1736mm，钢板厚度为5mm，板与板之间采用304不锈钢螺栓，试验箱体内第一储水室1-6和第二储水室1-7的宽度为150mm。最大填土尺寸长宽高分别为1400mm，1000m，1500mm。钢架1-13采用边长为70mm的
方钢管，第一进水口1-11和第一出水口1-12的直径为40mm。
[0060]
若干根冻结管埋设于填土箱体1-10的土层中，冻结管的进水口2-9与制冷系统的冷媒出口2-4连通，冻结管的出水口2-10与制冷系统的冷媒入口2-5连通；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。
[0061]
给水循环系统设有第二进水口3-7和第二出水口3-6，第二进水口3-7与第一出水口1-12连通，第二出水口3-6与第一进水口1-11连通。给水循环系统能够收集试验箱体内的水，经过处理后循环使用，水源源不断地被送至试验箱体内，如此循环既能实现对渗流的模拟，也可以达到节省用水的目的。
[0062]
数据采集系统，数据采集系统包括数据采集仪4-1、若干个位移传感器4-2、若干个温度传感器4-3和若干个应力传感器4-4，数据采集仪4-1分别与位移传感器4-2、温度传感器4-3和应力传感器4-4电连接，位移传感器4-2设于填土箱体1-10的土层顶部，温度传感器4-3和应力传感器4-4分别埋设于填土箱体1-10的土层中。具体地，位移传感器4-2用于监测试验箱体内土的冻胀位移，温度传感器4-3和应力传感器4-4分别用于监测土中的应力和温度，数据采集仪4-1用于收集各个传感器监测到的数据。
[0063]
本发明提供的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。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4-2监测试验箱体内土的冻胀位移，温度传感器4-3和应力传感器4-4分别监测土中的应力和温度，利用数据采集仪4-1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。
[0064]
在本发明的其中一个实施例中，试验箱体还包括缓冲室1-8和过滤室1-9，第一储水室1-6、缓冲室1-8、填土箱体1-10、过滤室1-9和第二储水室1-7依次沿试验箱体的长度方向设置并通过滤网依次连通。进一步地，缓冲室1-8和过滤室1-9内分别设有透水石，其中缓冲室1-8中的透水石的作用是防止水的流速过快而冲刷填土箱体1-10中的土层，导致土层不完整，水在经过缓冲室1-8后会形成均匀、发散的水流，过滤室1-9中的透水石的作用是用来过滤水流，防止土颗粒在渗流的作用下流失。试验箱体中的水首先从第一进水口1-11进入第一储水室1-6暂存，流经缓冲室1-8后形成均匀、发散的水流，从填土箱体1-10的土层中流过后，经过过滤室1-9过滤后进入第二储水室1-7暂存，最后从第一出水口1-12排出试验箱体，此过程即为对土层中渗流的模拟。此试验箱体可灵活控制土层填筑高度，设置的缓冲室1-8、过滤室1-9可以最大程度的保证土层在试验过程中的完整性，地下水位的高度也可以灵活控制，适用于多种试验条件。
[0065]
在本发明的其中一个实施例中，该模拟人工冻结土层中多物理场耦合的模型试验系统还包括第一法兰盘和第二法兰盘，冻结管的进水口2-9通过第一法兰盘与制冷系统的冷媒出口2-4连通，冻结管的出水口2-10通过第二法兰盘与制冷系统的冷媒入口2-5连通。进一步地，第一法兰盘和第二法兰盘分别包括法兰主管2-8和法兰支管2-7，法兰支管2-7呈环形分布并与法兰主管2-8连通；第一法兰盘的法兰主管2-8与冷媒出口2-4连通，第一法兰盘的法兰支管2-7与冻结管的进水口2-9连通，第二法兰盘的法兰主管2-8与冷媒入口2-5连通，第二法兰盘的法兰支管2-7与冻结管的出水口2-10连通。具体地，两个法兰盘分别设计
为圆形，通过法兰支管2-7与若干根冻结管连接，保证每个支管之间的流速一致；法兰支管2-7至少由两层环形分布，且分布于靠近环形中心的法兰支管2-7的长度大于分布于远离环形中心的法兰支管2-7的长度，便于与冻结管的组装连接，本实施例中的法兰支管2-7采用内外双层设计，每层呈圆周分布6个。法兰盘与冻结管的具体连接方式为：冷媒出口2-4通过保温管与第一法兰盘的法兰主管2-8相连，第一法兰盘的法兰支管2-7与冻结管的进水口2-9相连，冻结管的出水口2-10与第二法兰盘的法兰支管2-7相连，第二法兰盘的法兰主管2-8通过保温管与冷媒入口2-5相连，通过制冷系统与最多12根这样的冻结管相连，将冷媒入口2-5、通过法兰盘、冻结管与冷媒出口2-4连接形成一个冷媒回路。
[0066]
在本发明的其中一个实施例中，冻结管的进水口2-9和冻结管的出水口2-10分别位于冻结管的同一端，冻结管的长度为1200mm，直径为16mm，其为铜管，具有良好的导热性，冻结管制冷段2-11内部中空，保证管内冷媒可以与管外土体最大限度地发生热交换。
[0067]
在本发明的其中一个实施例中，制冷系统包括箱体外壳2-6、制冷机2-3和冷媒水箱2-1，制冷机2-3和冷媒水箱2-1均设于箱体外壳2-6内，冷媒入口2-5和冷媒出口2-4分别与冷媒水箱2-1连通，制冷机2-3与冷媒水箱2-1连通，在冷媒入口2-5和冷媒出口2-4还设有阀体。具体地，冷媒水箱2-1用于盛放冷媒，制冷机2-3温度控制范围为-30℃～40℃，控温精度为
±
0.1℃，用于将冷媒水箱2-1中的冷媒降温，在箱体外壳2-6上配有用于参数控制的电子显示屏2-2。制冷系统的具体工作过程为：将法兰盘和冻结管接入制冷系统后，打开制冷机2-3，冷媒水箱2-1中的冷媒首先降低至指定温度，然后打开冷媒入口2-5和冷媒出口2-4处的阀体，冷媒由冷媒出口2-4流出，通过第一法兰盘分流至各个冻结管中，将冻结管制冷段2-11放置于土层中，冷媒在冻结管制冷段2-11处与土层发生热交换后由第二法兰盘收集并通过冷媒入口2-5回流至冷媒水箱2-1。
[0068]
在本发明的其中一个实施例中，给水循环系统包括给水箱体3-8、水泵3-5和流量计3-9，给水箱体3-8内设有过滤板3-2并通过过滤板3-2分割形成连通的浑水室3-3和清水室3-1，第二进水口3-7与浑水室3-3连通，清水室3-1通过水泵3-5与第二出水口3-6连通，流量计3-9设于第二出水口3-6与第一进水口1-11之间。具体地，过滤板3-2用于将浑水室3-3收集到的浑水过滤后排至清水室3-1，水泵3-5可提供0～2mpa的水压，用于模拟定水头试验条件，流量计3-9用于监测流速，给水箱体3-8还配置有控制屏3-4，用于设置水压等参数。给水循环系统的具体工作过程为：浑水由试验箱体排出后进入至浑水室3-3，浑水中的土颗粒会发生沉淀，沉淀后上部为清水，过滤板3-2上部有若干个过滤孔，浑水室3-3里上部的清水从过滤孔进入至清水室3-1，清水室3-1中的水通过水泵3-5输送至试验箱体。由此，试验箱体内的水排出后经过滤可以二次利用，源源不断地被送回至试验箱体，如此循环既能实现对渗流的模拟，也可以达到节省用水的目的。
[0069]
本发明还提供一种利用上述实施例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，包括：
[0070]
将若干根冻结管垂直于试验箱体的底板放置于填土箱体1-10内，冻结管的进水口2-9和冻结管的出水口2-10均朝上放置，根据设计土层的高度，将暴露在外的冻结管部分用保温棉包裹起来；
[0071]
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，每隔100mm进行一次击实，当填土高度达到预设高度(总高度的一半)时，将温度传感器4-3和应
力传感器4-4布设于冻结管的周围，其他位置等距排列；
[0072]
当土层填筑完毕后，将位移传感器4-2布设于土层的顶部且位于土体的下游位置，用于监测下游土体的冻胀量，并将温度传感器4-3、应力传感器4-4和位移传感器4-2连接在数据采集仪4-1，并记录初始温度和应力，将位移传感器4-2的初始值标定至0，设置一定的采集间隔，在之后的步骤中一直保持数据采集仪4-1为开启状态；
[0073]
将第二进水口3-7与第一出水口1-12连通，第二出水口3-6与第一进水口1-11连通，开启给水循环系统并达到渗流稳定，具体操作为：首先将清水室3-1和浑水室3-3分别装满水，然后打开第一进水口1-11的阀门，保持第一出水口1-12阀门关闭，打开水泵3-5，将清水输送至试验箱体，此过程保持清水室3-1和浑水室3-3中装满水，待第一储水室1-6的水位和土层高度一致时，即填土箱体1-10内土层饱和，之后关闭水泵3-5，静置12h使得土层进一步饱和，最后将水泵3-5压力值设为一定值，即提供一个定水头试验条件，同时打开第一出水口1-12的阀门，使得水在土层中流动起来，观察流量计3-9示数，当流量计3-9读数稳定12h后认为渗流达到稳定，此时记录流量计3-9示数，作为计算渗流速度的依据；
[0074]
保持渗流状态不变，将冻结管的进水口2-9与制冷系统的冷媒出口2-4连通，冻结管的出水口2-10与制冷系统的冷媒入口2-5连通，将制冷机2-3的温度设置为试验温度，冷媒入口2-5和冷媒出口2-4的阀体关闭，待冷媒水箱2-1中的冷媒温度降至设定温度时，也即同时开启冷媒入口2-5和冷媒出口2-4的阀体，使冷媒在冻结管内循环；
[0075]
通过数据采集仪4-1采集接收到的位移、温度和应力数据，结合试验地下水的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，为相关工程提供依据。
[0076]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0077]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。