[實用新型]一種模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置

有效

• 申請號: 201320792098.X
• 申請日: 2013-12-06
• 公開（公告）號: CN203626831U
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 劉志強;寧方波;李方政;徐兵壯;于濤;張鑫;徐樹林;張云利;左永江;葉玉西;李寧;崔建軍;高偉;陳紅蕾
• 申請（專利權）人: 北京中煤礦山工程有限公司;山東科技大學
• 主分類號: E21B49/00
• 分類號: E21B49/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及一種深立井凍結模擬裝置，特別涉及一種模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置。

背景技術

凍結法是在井筒開挖之前，從地面沿擬建豎井外圍一定距離的同心圓周上間隔向下鉆孔，孔底深入不透水層，然后在每個鉆孔中沉放凍結管；在地面安裝冷凍設備，用循環泵將制冷劑輸入凍結管，經制冷劑長時間連續地吸取管外的熱量，使周圍地層凍結，使之能承受水、土壓力并阻隔地下水，在它的保護下開挖地層和修筑襯砌。

因此，凍結法主要適用于在松散不穩定的沖積層，裂隙發育的含水巖層，淤泥、松軟泥巖，以及飽和含水和水頭特別高的地層進行豎井工程；其是一種借助人工制冷手段暫時加固地層和隔斷地下水的特殊施工方法。

在實際采用凍結法鑿井施工中，常需要對凍結方案進行論證優化設計，以確定最佳方案。在諸多研究方法中物理相似模擬試驗以其直觀準確的特點常作為凍結方案研究中的重要手段。這就需要在豎井凍結施工之前以特征地層為研究對象開展相似模擬試驗，以便掌握按某種凍結方案擬凍結地層中凍結壁的形成擴展情況及井筒開挖后凍結壁受力、變形規律，為豎井工程安全施工在方案的科學合理性上夯實基礎。但是，現有技術中的模擬裝置存在如下技術缺陷：(1)試驗裝置有效試驗空間普遍不足，邊界效應與尺度效應常對試驗結果造成不利影響。(2)結構受力與試驗操作的方便性難以兼顧，部分試驗臺操作方便但結構受力不好，難以實現高壓加載。(3)對大型巖土試件模擬地壓加載存在較大困難，隔膜易損導致試驗失敗。(4)井筒開挖模擬存在較大難度，且難以對開挖后井幫的位移變形情況進行監測。

實用新型內容

針對現有技術中存在的不足，本實用新型的目的在于提供一種更大試驗空間，結構受力更合理，能夠模擬深立井高地壓環境與不同段高井筒開挖的大型模型試驗裝置，使得在深立井井筒凍結方案研究優化階段，通過相似模擬實驗獲得深井高地壓環境下凍結壁溫度場、凍結壁與未凍土整體受力情況、凍結壁穩定性、凍結壁位移、井筒支護等方面的相關信息，為深立井井筒實際施工提供有力的技術支撐。

本實用新型的技術方案是這樣實現的：一種模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，包括模型試驗筒、泥漿加載系統、液壓系統、開挖模擬系統、制冷系統、監測系統和數據采集與控制系統，開挖模擬系統位于土試樣內，土試樣位于模型試驗筒內，泥漿加載系統、液壓系統和數據采集與控制系統均位于模型試驗筒外，監測系統的一部分監測端埋于土試樣內、另一部分監測端位于開挖模擬系統內，監測系統的輸出端與數據采集與控制系統的輸入端連接，液壓系統為開挖模擬系統提供液壓驅動力，泥漿加載系統的泥漿輸出口與模型試驗筒內壁和土試樣之間的空腔流體導通，制冷系統為土試樣凍結提供循環低溫液體。

上述模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，模型試驗筒包括試驗筒底座、中間筒身、上端蓋、上法蘭、下端蓋和下法蘭，下端蓋固定安裝在試驗筒底座上，下法蘭固定安裝在下端蓋上，中間筒身固定安裝在下法蘭上，上法蘭固定安裝中間筒身上，上端蓋固定安裝在上法蘭上，中間筒身、上法蘭和下法蘭均同軸焊接安裝；中間筒身上安裝有滲流液流出管，下端蓋上分別安裝有泥漿補壓管、泥漿進液管和制冷進液管，上端蓋上分別安裝有放空管、低溫液排出管和壓力檢測管；在下端蓋的中心處開設有第一臺階式安裝孔，第一臺階式安裝孔的上端孔徑大于下端孔徑，在第一臺階式安裝孔的上端安裝有下活動小端蓋，下活動小端蓋與第一臺階式安裝孔的上端孔凸凹密封配合，下端蓋下表面上固定安裝有用于封閉第一臺階式安裝孔下端開口的第一封板，下活動小端蓋上開設有內外連接測試線引線孔和低溫進液孔，制冷進液管依次穿過第一封板和下活動小端蓋上的低溫進液孔與位于模型試驗筒內的低溫進液分水器流體導通；在上端蓋的中心處開設有第二臺階式安裝孔，第二臺階式安裝孔的上端孔徑小于下端孔徑，在第二臺階式安裝孔的下端安裝有上活動小端蓋，上活動小端蓋上開設有內外連接測試線引線孔和液壓油孔，上活動小端蓋與第二臺階式安裝孔的下端孔凸凹密封配合，上端蓋上表面上固定安裝有用于封閉第二臺階式安裝孔上端開口的第二封板，低溫液排出管位于模型試驗筒內的一端與低溫回液分水器流體導通。

上述模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，上法蘭和下法蘭均采用坡口設計，即：上法蘭與上端蓋的接觸面邊緣相對于上法蘭面所在水平面向下傾斜，下法蘭與下端蓋的接觸面邊緣相對于下法蘭面所在水平面向上傾斜。