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

技术特征：
1.一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置，其特征在于：包括：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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置，其特征在于：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)。5.根据权利要求1所述的一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置，其特征在于：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，小型螺旋式冻结器(3)的中心为直管，外围为螺旋管，沿着中心直管紧密缠绕。6.根据权利要求1所述的一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置，其特征在于：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)。7.根据权利要求6所述的一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置，其特征在于：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)内的土体施加荷载。8.根据权利要求6所述的一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置，其特征在于：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。9.利用权利要求1至8中任一项所述的一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置的试验方法，其特征在于：其具体步骤如下：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；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；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；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；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；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；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；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。10.根据权利要求9所述的一种地应力-水头协同可调式竖井冻结模型试验装置的试验方法，其特征在于：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。

技术总结
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，该装置包括：模型试验箱、水头高度可调式水源箱、小型螺旋式冻结器、双向加载装置，其具体步骤如下：S1、试验装置连接；S2、模型试验箱分层装样，同步埋设监测系统；S3、安装小型螺旋式冻结器；S4、调整双向加载装置；S5、提供水源；S6、开始冻结试验；S7、施加外荷载；S8、竖井井壁变形过大，或发生破坏时，试验停止；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，实现不同深度地层条件下的地应力和水头压力的模拟。水头压力的模拟。水头压力的模拟。


技术研发人员：袁昌 季安 李栋伟 李秀飞 张道亚 周兴明 任庆新 张博 陈鑫 雷乐乐 王升福 薛凯喜 王泽成 秦志豪 罗昭祥
受保护的技术使用者：中核华泰建设有限公司
技术研发日：2022.01.14
技术公布日：2022/9/6