[發(fā)明專利]一種模擬土體圍壓條件下凍融循環(huán)的試驗設備

在審

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• 申請日: 2019-05-30
• 公開（公告）號: CN110186777A
• 公開（公告）日: 2019-08-30
• 發(fā)明（設計）人: 孔勃文;丁智;許寶龍;趙方杰
• 申請（專利權）人: 浙江大學城市學院
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種模擬土體圍壓條件下凍融循環(huán)的試驗設備，包括低溫冷凍桶、空壓機和冷凍液制冷系統(tǒng)，冷凍液制冷系統(tǒng)包括冷凍液制冷循環(huán)設備、冷凝管、觸屏控制系統(tǒng)與溫度傳感器，冷凍液制冷循環(huán)設備的冷凝管從下至上穿過所述低溫冷凍桶，冷凝管的另一端與冷凍液制冷循環(huán)設備的進口連接回流至水泵；水泵位于所述冷凍液制冷循環(huán)設備的下方，冷凍液制冷循環(huán)系統(tǒng)顯示屏位于冷凍液制冷循環(huán)設備的上方；低溫冷凍桶筒桶蓋通過氣體導管鏈接空壓機。本發(fā)明提供一種成本低廉、步驟簡化、節(jié)約時間、精確度高、適用廣泛的凍結土樣時圍壓可控的試驗設備，可以為常規(guī)單元土體試驗提供更符合工程實際的可控圍壓條件下凍結融化土樣土體試樣。

技術領域

本發(fā)明屬于土力學試驗領域，涉及一種模擬土體圍壓條件下凍融循環(huán)的實驗設備。

背景技術

人工凍結法施工在我國最早使用在煤炭的行業(yè)，以避免鑿井時發(fā)生失穩(wěn)、滲漏等安全事故。凍結法施工過程中，凍結壁(凍土帷幕)在井筒的周圍形成堅固的保護層，不僅可以增強土體強度還起到止水作用，給施工帶來了極大便利。目前我國的冷凍法施工技術已成熟應用于更廣泛的地下工程中。

冷凍法施工在地鐵隧道建設工程中應用的時間較晚，最早的應用于七十年代的北京地鐵地段。近幾年，我國修建大量地鐵隧道需要穿過砂層、淤泥層、卵石、砂礫層、富水粘土層等不良土層，凍結法施工以其止水性好、強度高、安全可靠等優(yōu)勢在這些土質(zhì)區(qū)域逐漸普及。其中，冷凍法施工在淤泥質(zhì)軟土地段時取得了很好的效果。淤泥土經(jīng)凍結后，強度大幅度提升，節(jié)約了支護費用，帶來良好的經(jīng)濟效益。以杭州為例，在地鐵聯(lián)絡通道施工中，多選用凍結法施工，以解決施工工作空間過小造成的支護設備難以入場問題。

然而，隨著凍結施工以后的溫度回升，凍土逐漸的融化，融土的骨架結構較未凍土發(fā)生巨大改變，具體表現(xiàn)為：大孔隙增多，小孔隙減少，出現(xiàn)蜂窩結構。凍結造成的土體結構改變導致地鐵運行后凍融區(qū)間長期沉降較未凍融區(qū)間增加5-6倍，施工后不均勻沉降過大。

未考慮凍結過程中圍壓影響的可模擬凍融循環(huán)環(huán)境的低溫真空預壓制樣設備已研制成功，且已投入使用。然而，土體在圍壓條件下經(jīng)歷凍融過程，圍壓大小與土體積變化、凝固溫度、融化溫度等參數(shù)密切相關。無圍壓條件下低溫冰凍土樣與實際工程中凍結帷幕形成條件相差甚遠。土力學試驗儀器如水合物三軸儀與低溫核磁共振儀可在設定圍壓條件下完成凍結。然而儀器貴重，一般單位難以支付其購買及維護費用。且貴重儀器裝樣繁瑣，淤泥質(zhì)軟土裝樣成功率極低。

發(fā)明內(nèi)容

為了彌補常規(guī)凍融試驗設備的無法還原圍壓下土體凍融條件的不足，本發(fā)明提供一種成本低廉、步驟簡化、精確度高、適用廣泛的圍壓可控凍結土樣試驗設備。該設備可以為常規(guī)單元土體試驗提供可控圍壓條件下凍結融化土體試樣。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種模擬加壓凍融循環(huán)的實驗設備，包括低溫冷凍桶、空壓機和冷凍液制冷系統(tǒng)，所述冷凍液制冷系統(tǒng)包括冷凍液制冷循環(huán)設備、冷凝管、觸屏控制系統(tǒng)與溫度傳感器，所述冷凍液制冷循環(huán)設備的冷凝管從下至上穿過所述低溫冷凍桶，所述冷凝管的另一端與冷凍液制冷循環(huán)設備的進口連接回流至水泵，所述水泵位于所述冷凍液制冷循環(huán)設備的下方，所述冷凍液制冷循環(huán)系統(tǒng)顯示屏位于冷凍液制冷循環(huán)設備的上方；所述低溫冷凍桶筒桶蓋通過氣體導管鏈接空壓機；

所述低溫冷凍桶包括真空隔熱密封蓋、四層筒壁及溫度記錄儀組成，所述真空隔熱密封蓋由為耐高壓材質(zhì)主體，高壓密封橡膠圈，省力工字把手組成，并設置泄壓閥、壓力表及與空壓機的接口相連接的螺旋孔；所述筒壁由外而內(nèi)分別為外層金屬保護層、高分子有機硬質(zhì)鋁箔泡沫層、彈性有機材料層、高端PIR保冷管層，所述彈性有機材料層內(nèi)循環(huán)交替放置冷凝管，所述溫度傳感器放置于低溫冷凍桶的內(nèi)，通過探針精確測量土樣內(nèi)部溫度；

所述空壓機為無油靜音空壓機，可模擬0-700Kp內(nèi)圍壓下土體凍結；空壓機連接壓力計開關，當達到設定壓力值時空壓機停止工作；當壓力值下降低于所設壓力10Kp時，空壓機自動開啟補壓到設定值。