一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置及其试验方法与流程

1.本发明涉及人工冻结过程的模型试验领域，具体是一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置及其试验方法。


背景技术：

2.在富水地区开展矿井开凿、水库导流竖井建设中，受地层自稳性差、地层渗流等复合影响，易产生涌水、塌孔，且常规地层加固措施难以满足开挖围岩稳定要求，难以确保竖井安全和工程顺利。尤其是在深地层中进行竖井开挖时，地应力和水头随开挖深度呈显著变化。
3.人工冻结法是一种将岩土冷冻呈冻土、形成冻结帷幕，达到提高地层强度和止水性能目的的地层加固技术，尤其是在富水地层中，常规地层加固措施难以达到理想地层加固效果时，人工冻结法表现出显著优势，可推广应用于解决富水地区深矿井开凿、竖井开挖工程中地层加固难题。
4.为了探明地应力和水头高度两者协同动态变化对竖井地层加固、支护结构受力变形的影响，需要提出本发明中地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置与试验方法，需要实现模拟不同深度地层地应力和水头对竖井冻结工程影响的温度场、应力场、变形、水分场等多物理场变化规律。
5.如中国专利号为202121259855.8的高地应力高水头竖井冻结模型试验装置中，包括：试验箱体、多个冻结管、水头水压调节机构、竖向应力加载机构及监测元件。外部冷浴装置通过冻结管对试验箱体内的土体进行冻结，水头水压调节机构用于调节试验箱体水头高度和压力，竖向应力加载机构用于模拟不同地应力环境提供竖向载荷，并对冻结帷幕之外的土体施加荷载；能够对不同高地应力、不同高水头进行模拟试验，通过温度传感器、土压力传感器、水分传感器及位移计监测土体中温度场分布、冻结壁及井壁压力，土体中水分分布以及结构位移变形大小，由此为竖井支护提供参考数据。有利于深井挖掘稳定，保证竖井施工安全，但是没有模拟砂土地层竖井冻结施工过程中冻结井壁的变形特征，考虑深部地应力和水头压力对冻结井壁的共同影响。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提出一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置及其试验方法。
7.一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置，包括：
8.模型试验箱，用于为试验提供主要的载体，削弱进水口与出水口位置处集中水流对土样的冲刷影响；
9.水头高度可调式水源箱，为模型试验箱的模型试验提供水源，并高精度控制水头的度；
10.小型螺旋式冻结器，外接冷浴装置，为模型试验箱的模型试验提供冻结冷源；
11.双向加载装置，设置在模型试验箱上，为模型试验提供横向荷载和竖向荷载。
12.所述的模型试验箱从前到后分别由碎石缓冲区一、试验装样区、碎石缓冲区二三个区间组成，进水口设置在模型试验箱背面底部，出水口设置在模型试验箱正面装样区顶面位置。
13.所述的水头高度可调式水源箱包括安装在储水箱壁上的竖向导轨、安装在竖向导轨上的水头控制杯，水头控制杯的进水管与水泵连接，水头控制杯的出水管从储水箱的底面穿出，与模型试验箱的进水口连接。
14.所述的水头高度可调式水源箱还包括设置在储水箱底部高度固定或可调的支撑台。
15.所述的小型螺旋式冻结器由一根空心细金属管一体制成，小型螺旋式冻结器中心为直管，外围为螺旋管，沿着中心直管紧密缠绕。
16.所述的双向加载装置包括分别水平方向和竖直方向设置在模型试验箱上的若干组水平作动器和竖向作动器、分别与水平作动器和竖向作动器配合对模型试验箱水平方向和竖直方向施力的横向加载板和竖向加载板。
17.所述的水平作动器和竖向作动器直接作用在横向加载板和竖向加载板上，经横向加载板和竖向加载板向模型试验箱内的土体施加荷载。
18.所述的竖向加载板由4个独立加载板拼接形成，可由4个独立竖向作动器控制，或由个传力杆整体控制。
19.一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置的试验方法，其具体步骤如下：
20.s1、试验装置连接：检验密封性与水平作动器、竖向作动器运行正常；
21.s2、模型试验箱分层装样，同步埋设监测系统：在模型试验箱内分层装入土样，每层装样厚度为10cm～20cm，碾压密实；同步布置监测系统，埋设温度传感器、水分传感器、土压力传感器、位移传感器类，传感器连接数采仪，并设定数据采集间隔；
22.s3、安装小型螺旋式冻结器，外接冷浴装置：在模型试验箱的土样中，按冻结方案钻孔并插入小型螺旋式冻结器，各小型螺旋式冻结器串联或并联，外接冷浴装置，进行试运行，检查冷浴供液是否正常；
23.s4、拼装竖向加载板，调整双向加载装置：根据试验方案，拼装竖向加载板，调试水平作动器、竖向作动器，确保运行正常；
24.s5、调整水头，调节渗流，提供水源：根据试验需要调整水头高度可调式水源箱内水头高度，向模型试验箱提供水源，调节模型试验箱出水口的出水流量，控制地层中渗流速度；
25.s6、开始冻结试验，监测冻结壁发展，开挖竖井：控制冷浴温度与流量，向小型螺旋式冻结器提供冷液，对地层进行冻结，调控冻结壁平均温度与厚度，在冻结壁中心区域土体挖出，安装小型竖井井壁；
26.s7、安装变形监测，施加外荷载：在竖井内沿高度安装位移计，监测各深度处井壁变形，控制水平作动器、竖向作动器，对模型试验施加荷载；
27.s8、竖井井壁变形过大，或发生破坏时，试验停止：当模型试验竖井井壁变形过大，
或发生了破坏时，试验终止，拆除试验，整理、分析试验数据。
28.所述的步骤s1中，需要将模型试验箱、水头高度可调式水源箱、冷浴装置与小型螺旋式冻结器连接，检查各连接处密封性，测试各作动器正常加载运行。
29.本发明的有益效果是：本发明通过室内模型试验的方法，模拟砂土地层竖井冻结施工过程中冻结井壁的变形特征，考虑深部地应力和水头压力对冻结井壁的共同影响，并可人工协同调节地应力和水头压力量值，实现不同深度地层条件下的地应力和水头压力的模拟。
附图说明
30.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
31.图1为本发明的立体结构示意图；
32.图2为本发明的水头高度可调式水源箱结构示意图；
33.图3为本发明的小型螺旋式冻结器结构示意图；
34.图4为本发明的模型试验箱侧面剖视结构示意图；
35.图5为本发明的拼接式的竖向加载板结构示意图。
具体实施方式
36.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
37.如图1至图5所示，一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置，包括：
38.模型试验箱1，用于为试验提供主要的载体，削弱进水口11与出水口12位置处集中水流对土样的冲刷影响；
39.水头高度可调式水源箱2，为模型试验箱1的模型试验提供水源，并高精度控制水头的度；
40.小型螺旋式冻结器3，外接冷浴装置，为模型试验箱1的模型试验提供冻结冷源；
41.双向加载装置4，设置在模型试验箱1上，为模型试验提供横向荷载和竖向荷载。
42.本发明通过室内模型试验的方法，模拟砂土地层竖井冻结施工过程中冻结井壁的变形特征，考虑深部地应力和水头压力对冻结井壁的共同影响，并可人工协同调节地应力和水头压力量值，实现不同深度地层条件下的地应力和水头压力的模拟。
43.如图1所示，图中的fx为水平作动器41的水平向加载力。
44.所述的模型试验箱1从前到后分别由碎石缓冲区一13、试验装样区14、碎石缓冲区二15三个区间组成，进水口11设置在模型试验箱1背面底部，出水口12设置在模型试验箱1正面装样区顶面位置。
45.如图4所示，所述的模型试验箱1上的c为前面，d为背面。
46.所述的模型试验箱1的进水孔11、出水孔12分别设置在箱体的后壁底部和前壁顶部，这种设计方法便于控制模型试验箱1内的水头高度，限制模型试验箱1中最高水位，并可控制模型试验箱1土层中渗流速度。
47.所述的水头高度可调式水源箱2包括安装在储水箱壁上的竖向导轨21、安装在竖向导轨21上的水头控制杯22，水头控制杯22的进水管221与水泵23连接，水头控制杯22的出
水管222从储水箱的底面穿出，与模型试验箱1的进水口11连接。
48.所述的水头控制杯22的进水管221与水泵23连接，由水泵23从储水箱中吸水灌入水头控制杯22中，当水头控制杯22中的水装满后，水会从杯口溢出，水头控制杯22的出水管222经储水箱底穿出，与模型试验箱1的进水口11连接，为模型试验提供水头环境，在出水管222穿出储水箱位置处，用密封圈223做好密封处理，储水箱固定在支撑台24上，高度固定或高度可小范围粗略调整。
49.所述的水头高度可调式水源箱2还包括设置在储水箱底部高度固定或可调的支撑台24。
50.所述的小型螺旋式冻结器3由一根空心细金属管一体制成，冻结器中心为直管，外围为螺旋管，沿着中心直管紧密缠绕，如图3所示，图上a为入口，b为出口。
51.所述的小型螺旋式冻结器3的直径可为3mm-1cm，长度为60～80cm，亦可根据试验条件调整尺寸。
52.按照实际工程中冻结管结构形式制作缩尺度模型冻结器，存在连接焊缝尺寸太小，加工难度大等问题，易由于局部高温产生翘曲现象，难以保证冻结器密封性，本发明中采用一根空心细金属管一体制成，可直接避免这些加工难题，确保小型螺旋式冻结器3的密封性。
53.所述的双向加载装置4包括分别水平方向和竖直方向设置在模型试验箱1上的若干组水平作动器41和竖向作动器42、分别与水平作动器41和竖向作动器42配合对模型试验箱1水平方向和竖直方向施力的横向加载板43和竖向加载板44。
54.通过协同控制水平作动器41、竖向作动器42施加地应力、水源箱中水头控制杯22调整水头的高度，为模型试验提供模拟不同深度地层的地应力和水头环境，借助外接冷浴装置，通过小型螺旋式冻结器3对模型试验箱1内土样进行冻结，从而获得地应力-水头双重作用下竖井冻结过程中温度场、水分场、应力场及变形类演化规律。
55.所述的水平作动器41和竖向作动器42直接作用在横向加载板43和竖向加载板44上，经横向加载板43和竖向加载板44向模型试验箱1内得土体施加荷载。
56.所述的水平作动器41和竖向作动器42为试验提供横向荷载和竖向荷载。
57.所述的竖向加载板44由4个独立加载板拼接形成，可由4个独立竖向作动器42控制，或由1个传力杆整体控制，可提供不均匀竖向荷载、均布荷载。
58.一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置的试验方法，其具体步骤如下：
59.s1、试验装置连接：检验密封性与水平作动器41、竖向作动器42运行正常；
60.s2、模型试验箱1分层装样，同步埋设监测系统：在模型试验箱1内分层装入土样，每层装样厚度为10cm～20cm，碾压密实；同步布置监测系统，埋设温度传感器、水分传感器、土压力传感器、位移传感器类，传感器连接数采仪，并设定数据采集间隔；
61.s3、安装小型螺旋式冻结器3，外接冷浴装置：在模型试验箱1的土样中，按冻结方案钻孔并插入小型螺旋式冻结器3，各小型螺旋式冻结器3串联或并联，外接冷浴装置，进行试运行，检查冷浴供液是否正常；
62.s4、拼装竖向加载板44，调整双向加载装置4：根据试验方案，拼装竖向加载板44，调试水平作动器41、竖向作动器42，确保运行正常；
63.s5、调整水头，调节渗流，提供水源：根据试验需要调整水头高度可调式水源箱2内水头高度，向模型试验箱1提供水源，调节模型试验箱1出水口12的出水流量，控制地层中渗流速度；
64.s6、开始冻结试验，监测冻结壁发展，开挖竖井：控制冷浴温度与流量，向小型螺旋式冻结器3提供冷液，对地层进行冻结，调控冻结壁平均温度与厚度，在冻结壁中心区域土体挖出，安装小型竖井井壁；
65.s7、安装变形监测，施加外荷载：在竖井内沿高度安装位移计，监测各深度处井壁变形，控制水平作动器41、竖向作动器42，对模型试验施加荷载；
66.s8、竖井井壁变形过大，或发生破坏时，试验停止：当模型试验竖井井壁变形过大，或发生了破坏时，试验终止，拆除试验，整理、分析试验数据。
67.所述的步骤s1中，需要将模型试验箱1、水头高度可调式水源箱2、冷浴装置与小型螺旋式冻结器3连接，检查各连接处密封性，测试各作动器正常加载运行。
68.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。