地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法

技术特征：
1.地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法，包括冻结模型试验箱1、吊装孔2、第一冻结管3、第二冻结管4、水平冻结管31、低温酒精传输管5、自反力架6、下端承压板7、保温材料8、密封垫圈9、竖直钢管10、水平钢管32、温度测试仪11、冻结控制系统12、卧式多级离心泵13、液压缸14，所述冻结模型试验箱1上端面四周设有6个吊装孔2并与所述承压柱16相连接，所述吊装孔2配有尺寸匹配的吊装螺栓并设置在所述冻结模型试验箱1上端面，所述十字钢梁15、承压柱16、上端承压板17、丁字钢18、螺母19、螺杆20相互连接形成自反力架6，所述承压柱16顶端与螺杆20连接，所述十字钢梁15与上端承压板17、丁字钢18连接形成整体并通过螺母19同承压柱16固定连接，所述下端承压板7两侧设有出线孔28并在下端承压板7两侧分别开设两个圆孔29，所述温度测试仪11通过测温线21与所述冻结模型试验箱1内测温点相连接，所述冻结控制系统12及所述卧式多级离心泵13分别设置有一个低温酒精输出口22和一个低温酒精输入口23，所述冻结控制系统12与所述卧式多级离心泵13、冻结管通过输送管相连接，所述冻结管包括第一冻结管3、第二冻结管4、水平冻结管31，所述冻结管通过低温酒精传输管5连接，冻结管上设有阀门，所述阀门包括第一阀门26、第二阀门27、第三阀门33，所述液压缸14包括进油口24、出油口25并与电动油泵通过油管相连接，所述保温材料8固定在所述冻结管的外表面上，所述密封垫圈设在所述冻结管两端，所述竖直钢管10、水平钢管32设在所述密封垫圈9正中心位置，所述卧式多级离心泵13可承受-30℃低温。发明还提供地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置测试方法，包括如下步骤：实施方式一：(a)使用吊机通过冻结模型试验箱1上的吊装孔2将冻结模型试验箱1吊至试验预留场地；(b)首先通过测量确定第一冻结管3、第二冻结管4穿过下端承压板7两侧圆孔29，在第一冻结管3、第二冻结管4上侧平行于管轴线等间距布置3个测温点，将3根测温线21分别布置在3个测点上，然后使用胶带将3根测温线21固定在第一冻结管3、第二冻结管4外侧，将保温材料8固定在第一冻结管3、第二冻结管4的外表面上；(c)在冻结模型试验箱1内每隔40cm布置一层土层，共计布置3～4层不同性质的土层，距离第一冻结管3、第二冻结管4横向每隔10cm布置一层测温点，每个土层纵向布置2层测温点，共布置6～8层，每层布置10个测温点，每个测温点等间距布置，填土完毕后，将下端承压板7盖在土体上方，测温线21从下端承压板7的出线孔28中伸出；(d)将密封垫圈9分别焊接在第一冻结管3、第二冻结管4的两端，竖直钢管10焊接在密封垫圈9的中心，在竖直钢管10套上输送管30，一端连接冻结控制系统12的低温酒精输入口23，另一端连接卧式多级离心泵13低温酒精输出口22，然后在卧式多级离心泵13的低温酒精输入口23套上输送管30，另一端套在冻结控制系统12的低温酒精输出口22；(e)使用起重机将液压缸14放置在下端承压板7上，将电动油泵通过油管与液压缸14上的进油口24及出油口25相连接，然后根据垂向地应力计算公式计算出需施加压力大小并使用电动油泵及液压缸14对土体施加压力；(f)将第一冻结管3上的第一阀门26打开，第二阀门27关闭，操作冻结控制系统12开启制冷模式，启动卧式多级离心泵13，低温酒精不断循环通过第一冻结管3、第二冻结管4，形
成冻结回路，检测冻结管与竖直钢管、阀门连接处及输送管有无酒精渗漏现象；(g)启动温度测试仪11，将测温线21与温度测试仪11相连接，开始温度监测至试验结束；(h)待试验结束后，卸掉液压缸14的压力，关闭温度测试仪11，关闭第一冻结管3上的第一阀门26，打开第二阀门27使用气泵向第二阀门27中冲气将低温酒精卸出，保存试验数据，对试验数据进行整理分析。实施方式二：(a)首先通过测量所述冻结模型试验箱1两侧圆孔间距离选取适合长度的所述水平冻结管31，使得所述水平冻结管31穿过所述冻结模型试验箱1并两端露出箱体10cm，然后在所述水平冻结管31上侧平行于管轴线的直线上等间距布置3个测温点，将3根所述测温线21分别布置在3个测温点上，使用胶带将3根所述测温线21固定在所述水平冻结管31上侧，其次将所述保温材料8固定在所述水平冻结管31的外表面上，并在所述保温材料8外表面以同样方式布置3个测温点；(b)在距离所述水平冻结管31下侧每隔15cm布置一层测温点，共布置3～4层，每层布置3个测温点，3个测温点均在一条平行于所述水平冻结管31轴线的直线上并等间距布置，以同样的方式在所述水平冻结管31上侧布置5～6层测温点；(c)在所述冻结模型试验箱1填土至埋设测温点层位时，将所述测温线21的一端埋设在步骤二中测温点的位置处，由下而上分层填土并埋设所述测温线21，填土完毕后，将所述下端承压板7盖在土体上方，所述测温线21从所述下端承压板7的出线孔中伸出；(d)将所述密封垫圈9焊接在所述水平冻结管31的两端，在所述密封垫圈9的中心焊接所述水平钢管32，所述水平钢管32、所述冻结控制系统12、所述卧式多级离心泵13之间通过所述低温酒精传输管5连接在一起，形成循环回路；(e)将低温酒精倒入所述冻结控制系统12并开启制冷模式，然后打开所述卧式多级离心泵机13，低温酒精不断循环通过所述水平冻结管31，将步骤三中伸出的所述测温线21连接在所述温度测试仪11上，检测所述测温线21是否正常工作，检测并确保正常工作后，关闭仪器；(f)首先使用起重机将所述液压缸14放置在所述下端承压板7上，将电动油泵通过油管与所述液压缸14上的进油口及出油口相连接，然后使用电动油泵及所述液压缸14对土体施加压力，其次打开所述温度测试仪11，开始温度监测至试验结束；(g)待试验结束后，在电脑上保存试验数据，卸掉所述液压缸14的压力，关闭所述温度测试仪11，打开所述水平冻结管31上的第三阀门33将低温酒精卸出；(h)试验数据的整理及分析，以各层测温点温度和所述水平冻结管1上温度差值作为标准衡量所述保温材料8的保温隔冷性能，同时当某层测温点温度与室温保持一致，则该层测温点到所述水平冻结管1的距离即是在所述保温材料8工作时的所述水平冻结管1冷量作用最大范围。2.根据权利要求1所述的地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置，其特征在于：所述密封垫圈9为直径350mm的圆盘，采用厚度28mm的钢板切割而成，且在所述密封垫圈9中心位置留有直径160mm的圆孔，所述密封垫圈9圆心与所述圆孔圆心在同一点。3.根据权利要求1所述的地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置，其
特征在于：所述自反力架6、下端承压板7由q235钢材料组成，所述竖直钢管10、水平钢管32采用无缝钢管，直径140mm，厚度22mm，长度600mm。

技术总结
本发明涉及地应力作用下冻结管保温材料性能实验室测试模型装置及其测试方法，由冻结模型试验箱、第一冻结管、第二冻结管、水平冻结管、温度测试仪、冻结控制系统等组成；本发明装置通过低温酒精在冻结管内不断循环实现冷量向冻结管外扩散，同时在土层上方由液压缸施加压力，模拟冻结管所受垂向地应力作用，在冻结管身以及土体中分层布置测温点以获得测温点处温度随时间的变化规律，明确保温材料作用下相邻冻结管间冷量在土体中的扩散情况、作用范围以及沿地层横向不同距离的温度分布情况；并且基于本试验装置还可监测沿单冻结管纵向不同高度温度变化，获得单冻结管冷量扩散作用范围，为冻结法施工时保温隔冷材料的性能测试提供重要试验手段。供重要试验手段。供重要试验手段。


技术研发人员：薛维培 高聪 张瀚文 孟祥前 昌语
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2022/6/4