阅读说明：本技术 一种地下工程冻结试验系统 (Underground engineering freezing test system ) 是由 张会芝 刘纪峰 陈孝国 杨悦 连跃宗 黄凌君 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种地下工程冻结试验系统,包含底座、支撑于底座上试验箱、支撑于底座上的加固机构、以及施压装置；所述试验箱包含相邻的多个第一压板和多个相邻的第二压板,所述第一压板和第二压板围拢成一收纳腔室,所述收纳腔室能够填入试验土；还包含有冷冻装置,所述冷冻装置包含冷气输出机构、冷气管座、连通冷气输出机构和冷气管座的冷气导管组件、以及冷气置入管,所述冷气置入管一端联接在冷气管座上且另一端能够置入试验土中；所述试验土与所述试验箱构成为透明结构。(The invention relates to an underground engineering freezing test system which comprises a base, a test box supported on the base, a reinforcing mechanism supported on the base and a pressure applying device, wherein the reinforcing mechanism is arranged on the base; the test box comprises a plurality of adjacent first pressing plates and a plurality of adjacent second pressing plates, the first pressing plates and the second pressing plates are enclosed to form a containing chamber, and test soil can be filled into the containing chamber; the device comprises a cold air output mechanism, a cold air pipe seat, a cold air pipe component communicated with the cold air output mechanism and the cold air pipe seat, and a cold air imbedding pipe, wherein one end of the cold air imbedding pipe is connected to the cold air pipe seat, and the other end of the cold air imbedding pipe can be embedded into test soil; the test soil and the test box are formed into a transparent structure.)

一种地下工程冻结试验系统

技术领域

本发明涉属于岩土工程模型试验领域，具体涉及一种地下工程冻结试验系统。

背景技术

随着我国城市化建设进程的不断推进，大型深基坑工程屡见不鲜，其复杂程度、设计以及施工难度也将变得越来越具有挑战性。基坑工程的显著新特点有“深、大、近、难”，其研究也广泛涉及到岩土工程、结构工程以及渗流和振动等力学领域，渗流和交通荷载对基坑工程的影响越来越受到关注。

目前地下施工采用的方法的其中一种是冻结法，其是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将地下岩土变成冻土。但不同区域，不同气候处的地下岩土的条件不一，导致冻结后的地下岩土的稳定性和强度都会有变化。因此，针对不同环境对冻结效果的影响的试验是有必要的。基于此，发明人提出了本申请。

发明内容

本发明的目的是提供的一种地下工程冻结试验系统，具有装有试验土的试验箱、以及冻结装置，试验土和试验箱设置成透明结构，达到冻结装置冻结试验土过程中试验土的变化能够被观察的目的。

本发明提供一种地下工程冻结试验系统，包含底座、支撑于底座上试验箱、支撑于底座上的加固机构、以及施压装置；所述试验箱包含相邻的多个第一压板和多个相邻的第二压板，所述第一压板和第二压板围拢成一收纳腔室，所述收纳腔室能够填入试验土；其特征在于，还包含有冷冻装置，所述冷冻装置包含冷气输出机构、冷气管座、连通冷气输出机构和冷气管座的冷气导管组件、以及冷气置入管，所述冷气置入管一端联接在冷气管座上且另一端能够置入试验土中；所述试验土与所述试验箱构成为透明结构。

较佳地，所述加固机构包含：第一框架，支撑于底座上，包含多个第一支撑柱，所述第一支撑柱以长度方向平行于竖向或正交于竖向的一方延伸的方式围拢、以支撑于所述试验箱的外周侧；及第二框架，支撑于底座上，包含多个第二支撑柱；所述第二支撑柱以长度方向平行于竖向或正交于竖向的另一方延伸的方式围拢、以支撑于所述第一框架的外周侧；所述第二压板固定支撑于所述第一框架的内周侧，所述第一压板能够在施压装置的推动下沿侧向对收纳腔室内的试验土施加压力。

较佳地，地下工程冻结试验系统包含注水装置和排水装置；所述排水装置具有设置于试验土下侧以向下排出渗流的水的排水口；所述注水装置连通水源、且包含有多个出水口，各所述出水口沿上下方向间隔配置对不同深度处的试验土进行注水、以改变不同深度的试验土的湿度。

较佳地，所述试验箱包含两个相邻的第一压板和两个相邻的第二压板，从竖向上观察，所述第一压板和第二压板构成为四边形结构。

较佳地，地下工程冻结试验系统还包含有上支架和支撑于上支架上的竖向压力加载机构，所述施压装置包含用于推动一第二压板活动的第一侧向压力加载机构和用于推动另一第二压板活动的第二侧向压力加载机构。

较佳地，所述冷气置入管构成为铜管或塑胶软管。

较佳地，所述第一框架、第一压板和第二压板在竖向上的高度小于第二框架的高度，所述冷气管座支撑于第二框架上，所述冷气导管组件能够从所述第一压板和/或第二压板的上侧伸入所述收纳腔室内并置入试验土中。

较佳地，地下工程冻结试验系统还包含有光源装置、拍摄装置和数据采集装置；所述试验箱和试验土构成为透明结构，所述光源装置包含有激光源和滤镜，所述滤镜将激光源的光线转成面光源并投射至试验土上，所述拍摄装置用于冷冻装置通过冷气置入管冻结试验土时试验土内部的位移变化，所述数据采集装置包含配置于实验土内部的位移传感器、压力传感器以及渗压计；所述位移传感器、压力传感器、渗压计以及拍摄装置分别电信号连接于计算机。

第二方面，本发明提供的地下工程冻结试验系统，能够被执行下述步骤：

在试验箱内填入试验土；

通过渗压计获取试验土的渗水压力数据，当渗水压力数据达到预设的渗水压力阈值时，通过冷冻装置冻结试验土，其中，冷冻装置包含有多根连通冷气管座的冷气置入管，各冷气置入管的冷气出口置于试验土的不同位置上，各冷气置入管依序打开使试验土的不同位置按不同顺序冻结；

通过所述位移传感器、压力传感器获取不同位置处的试验土的位移量数据、试验土内部的压力数据，并通过电信号将位移量数据、压力数据传输到计算机中进行数据分析；

通过摄像装置，获取试验土的位移变化图像，并通过电信号将图像传输到计算机中进行图像分析；

通过计算机对试验土的位移量数据、压力数据、渗水压力数据以及图像进行分析。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果。

1、本发明提供的一种地下工程冻结试验系统，具有装有试验土的试验箱、以及冻结装置，试验土和试验箱设置成透明结构，达到冻结装置冻结试验土过程中试验土的变化能够被观察的目的。

附图说明

图1和图2绘制了本发明的地下工程冻结试验系统从相邻的两侧向上观察的示意图。

图3绘制了本发明的地下工程冻结试验系统从上侧观察的示意图。

图4和图5绘制了本发明的掘进机构从不同方向上观察的示意图。

图6绘制了本发明的试验箱、底座和加固机构从上侧(即沿竖向由上往下)观察的示意图。

图7绘制了本发明的上支架从上侧观察的示意图。

图8绘制了本发明的上支架从侧向上观察的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上端”、“下端”、“上段”、“下段”、“上侧”、“下侧”、“中间”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

现结合图1至图8对本申请的方案的结构以及功能进行详细的说明。

本发明提供一种地下工程冻结试验系统，参考图1和图2，其包含底座2、支撑于底座2上试验箱1、支撑于底座2上的加固机构、施压装置以及冷冻装置C。所述试验箱1包含相邻的多个第一压板11和多个相邻的第二压板12，所述第一压板11和第二压板12围拢成一收纳腔室13，所述收纳腔室13能够填入试验土。还包含有冷冻装置C，所述冷冻装置C包含冷气输出机构、冷气管座、连通冷气输出机构和冷气管座的冷气导管组件、以及冷气置入管，所述冷气置入管一端联接在冷气管座上且另一端能够置入试验土中。所述试验土与所述试验箱1构成为透明结构。优选地，所述冷气置入管构成为铜管或塑胶软管。

结合图6和图7，所述加固机构包含支撑于底座2上的第一框架3和第二框架，第一框架3包含多个第一支撑柱31，所述第一支撑柱31以长度方向平行于竖向或正交于竖向的一方延伸的方式围拢、以支撑于所述试验箱1的外周侧。第二框架包含多个第二支撑柱4，所述第二支撑柱4以长度方向平行于竖向或正交于竖向的另一方延伸的方式围拢、以支撑于所述第一框架3的外周侧。所述第二压板12固定支撑于所述第一框架3 的内周侧，所述第一压板11能够在施压装置的推动下沿侧向对收纳腔室13内的试验土施加压力。

所述第一框架3包含四个加固壁，由上向下观察，四个所述加固壁在竖向方向上的截面构成为四边形的结构，每一加固壁包含有沿竖向两两相抵接并固接在一起的第一支撑柱31，第一支撑柱31由槽钢构成，其中，两相邻的第一支撑柱31由槽钢的侧壁通过螺丝或螺栓等紧固件实现紧固连接。相邻的两个所述加固壁之间通过直角连接件55实现相互固接。其中，其具体为沿周向，相邻的两个第一支撑柱31之间通过直角连接件 55配合螺栓等紧固件实现固定连接。

本实施例中，第二框架支撑于底座2上，第二框架包含有四个加固组件，每一加固组件对应于一加固壁设置，用以将各加固壁支撑住。每一加固组件包含沿长度方向沿竖向延伸的第二支撑柱4，沿第一支撑柱31的延伸方向阵列依序配置有多个所述第二支撑柱4。其中，上支架5固接并支撑于第二支撑柱4上。通过沿竖向延伸的第二支撑柱4 支撑可以使得加固壁不会受到上支架5的重力，以解决加固壁承受重力时，竖向上的第一支撑柱31会因重力和试验箱1的力时会彼此出现错位、滑移，从而达到更好的受力的目的。且，在本实施例中，从任一加固壁的外周侧观察，一所述加固组件至少包含一位于第一支撑柱31一端的第二支撑柱4、以及一位于第一支撑柱31一端的另一端的第二支撑柱4，所述第二支撑柱4夹设于底座2和上支架5之间，通过该方式使得第一支撑柱31受到不平衡的力时，将其支撑住使其长度方向上的两端不会出现滑移、错位的问题。优选地，从任一加固壁的外周侧观察，一所述加固组件包含有三个等间隔配置的第二支撑柱4，以达到使加固壁受力平均和能够平稳支撑上支架5的目的。其中，所述试验箱1包含两个相邻的第一压板11和两个相邻的第二压板12，从竖向上观察，所述第一压板11和第二压板12构成为四边形结构。第一压板11和第二压板12配置于加固壁的内周侧。

结合图1和图3，地下工程冻结试验系统包含注水装置7和排水装置，所述排水装置具有设置于试验土下侧以向下排出渗流的水的排水口；所述注水装置7连通水源、且包含有多个出水口，各所述出水口沿上下方向间隔配置对不同深度处的试验土进行注水、以改变不同深度的试验土的湿度。通过改变不同深度的试验土的湿度，以实现模拟不同位置的土壤的渗水量和渗水压力，用于使其能够模拟不同湿度或干燥度的土壤对冻结效果的影响。

地下工程冻结试验系统还包含有光源装置、拍摄装置和数据采集装置，所述试验箱 1和试验土构成为透明结构，所述光源装置包含有激光源和滤镜，所述滤镜将激光源的光线转成面光源并投射至试验土上，所述拍摄装置用于冷冻装置C通过冷气置入管冻结试验土时试验土内部的位移变化，所述数据采集装置包含配置于实验土内部的位移传感器、压力传感器以及渗压计。所述位移传感器、压力传感器、渗压计以及拍摄装置分别电信号连接于计算机B。其中，拍摄装置相应于观测口32的位置进行设置。

地下工程冻结试验系统的数据采集装置还包含有加热器和温度传感器，加热器和温度传感器能够埋入试验土的不同深度的位置，用于加热试验土和获取试验土的温度。通过对不同位置的试验土进行加热，以模拟不同深度处的土壤的地热温度，并通过加热器和温度传感器和温度传感器控制不同深度处的土壤的温度。其配合注水装置7和排水装置，获取不同湿度和温度的试验土在冻结过程中，试验土的位移、压力变化，或通过分段冻结时，试验土的位移、压力变化。

地下工程冻结试验系统还包含有具有导油回路A1的液压机构A，所述液压机构A分别连通所述施压装置、第一驱动件84和第二驱动件。包含有上支架5和支撑于上支架5用于对试验土由上至下施压的竖向压力加载机构51，所述上支架5支撑于加固机构上。

优选地，参考图1～图3、以及图7和图8，上支架5包含多根横梁54、以及固定于横梁54上的支撑板组件，其中，多根横梁54相互固定连接在一起。所述支撑板组件包含用于支撑竖向压力加载机构51的第一支撑板53、以及用于固接所述第二框架的第二支撑板52。在本实施例中，各所述横梁54在竖向的正交方向上间隔配置，所述第一支撑板53夹设于两相邻的横梁54之间以连接并固定所述横梁54，所述第二支撑板52固接于所述第一支撑板53或横梁54上并向下延伸以固接所述第二框架的上端部，即，固定连接于第二支撑柱4的上端部。

优选地，所述横梁54、第一支撑板53与所述第二支撑板52两两之间能够通过直角连接件55相互固接，分别位于两相邻的所述加固壁上的两个第一支撑柱31能够通过直角连接件55相互固接。

优选地，结合图1～图 3,所述施压装置包含有支撑于加固机构上的侧向加载机构6，该侧向加载机构6连接有第二压板12以推动第二压板12活动。侧向加载机构6包含有第一方向上的第一侧向加载机构6，第二方向上的第二侧向加载机构6，其中，第一侧向加载机构6和第二侧向加载机构6对应于相邻的两个第一压板11的方位进行设置。液压机构A分别连通所述竖向压力加载机构51、第一侧向加载机构6和第二侧向加载机构6，所述第一方向和第二方向构成为竖向的正交方向，所述第一侧向加载机构6包含第一加载构件，第一加载构件分别有四个第一压力加载件，其中，两个第一压力加载件分别沿竖向(即上下方向)间隔配置，其余两个第一压力加载件沿竖向位于前述两个第一压力加载件之间、且沿第二方向相对前述两个第一压力加载件间隔配置。所述第二侧向加载机构6包含第二加载构件，每一第二加载构件分别有四个第二压力加载件，其中，两个第二压力加载件分别沿竖向(即上下方向)间隔配置，其余两个第二压力加载件沿竖向位于前述两个第二压力加载件之间、且沿第一方向相对前述两个第二压力加载件间隔配置。

通过第一加载构件和第二加载构件的配置方式，可以调整对不同位置上的试验土依序加载，以更精确地模拟地下土壤的压力分布。例如，由下往上依序使第一压力加载件工作，使得加载板下侧先活动对试验土加载压力、随后上方的第一压力加载件工作对试验土加载压力，最后竖向压力加载机构51向下加载压力，使得试验土能够模拟出不同深度处的土壤的压力分布。可以理解的是，采取一个侧面上配置多个第一压力加载件或第二压力加载件相对于只设置一个压力加载件的情况，可以更真实地模拟不同深度处的试验土的压力分布。可理解的是，在其它实施例中，一个侧面方向上的第一压力加载件的数量不仅仅限制为四个，可以为多个，一个侧面方向上的第二压力加载件的数量不仅仅限制为四个，可以为多个。

在其它实施例中，第一加载构件可以只包含一个第一加载件，第二加载构件可以只包含一个第二加载件，第一加载件和第二加载件可以通过对试验土的相邻接的两个侧面整体进行施压进行模拟。

在其它实施例中，第一侧向加载机构6包含两对置配置的第一加载构件，第二侧向加载机构6包含两对置配置的第二加载构件。

优选地，第一压力加载件和第二压力加载件固定支撑于第一支撑柱31上，第一压力加载件穿过加固壁以固定连接有第二压板12。其中，在对应于第二压板12的加固壁上开设有用于供第一压力加载件或第二压力加载件穿过并将其支撑的安装孔。

优选地，所述第一框架3、第一压板11和第二压板12在竖向上的高度小于第二框架的高度，所述冷气管座支撑于第二框架上，所述冷气导管组件能够从所述第一压板11 和/或第二压板12的上侧伸入所述收纳腔室13内并置入试验土中。或，所述光源装置的光能够从能够从所述第一压板11和/或第二压板12的上侧射入以射入透明的试验土中。

优选地，参考图3、图4和图5，地下工程冻结试验系统还包含掘进机构8，所述掘进机构8用于在所述试验箱1内的挖出部分试验土以形成隧道。参考图1、图2、图3、图4和图5，所述掘进机构8包含支撑架81、盾构组件、以及支撑于支撑架81上的第一驱动件84，所述盾构组件包含筒体82、套设在筒体82内的旋挖螺杆83，所述第一驱动件84用于驱动所述盾构组件相对所述支撑架81活动；其中，所述盾构组价包含有用于驱动旋挖螺杆83转动以挖掘试验土的第二驱动件。其中，旋挖螺杆83通过中心部位的长杆和配置于长杆外周的螺旋叶片构成。

优选地，掘进机构8包含有转动支撑件86和出料道85，所述转动支撑件86和出料道85支撑于支撑架81上，用于将试验土从出料道85排出，以达到实现将掘出的试验土排出的目的。

优选地，在两相邻的两个加固壁的外侧空间，分别配置有掘进机构8，优选地，在每一侧的加固壁的外侧空间配置有两个掘进机构8，以模拟双线通道的掘进场景。可理解的是，在其它实施例中，每一侧的加固壁的外侧空间能够配置有一个或多于两个的掘进机构8。其中，对应于两相邻的第二压板12，两个第二压板12上的挖掘过孔在沿上下方向错位开设，以实现能够模拟上下线的隧道的开挖场景(即掘进场景)。

所述地下工程冻结试验系统包含配置于第一压力加载件、第二压力加载件以及竖向压力加载机构51上的压力传感器，所述压力传感器能够电联接至计算机B以发送加载压力值。所述竖向压力加载机构51包含多个竖向压力加载件，所述第一压力加载件、第二压力加载件和所述竖向压力加载件分别由油压缸构成，所述液压机构A具有用于连通各所述第一压力加载件、第二压力加载件和竖向压力加载件的导油回路A1，各所述第一压力加载件、第二压力加载件和竖向压力加载件分别电联接于计算机B。所述导油回路A1上配置有液压泵、压力控制阀、换向阀、溢流阀以及卸荷溢流阀，以控制所述第一压力加载件、第二压力加载件和竖向压力加载件的额定工作压力、加载压力，以及控制其依序执行加载动作。其中，该计算机B能够装有控制及数据采集软件，例如，GDSLAB 软件，以获取压力传感器、液压泵、压力控制阀、换向阀、溢流阀以及卸荷溢流阀的工作状态及其工作参数。

结合图1～图8，本发明提供的地下工程冻结试验系统，能够被执行下述步骤：

S100，在试验箱1内填入试验土。其中，试验土由熔融石英砂和蔗糖溶液配置而成，所述熔融石英砂的颗粒直径0.5-5mm、所述蔗糖溶液浓度为每100ml纯净水溶解有 198-205g蔗糖,所述试验土的折射率在1.333-1.504之间。在其它实施例中，试验土由熔融石英砂和溴化钙溶液配置而成，或由无定型硅粉和矿物油配置而成，或无定型硅粉、硅胶和卤水配置而成。其中，采用熔融石英砂和蔗糖溶液配置而成的试验土，可以达到解决其它配置方案中的溶液有刺激性，溶液有毒性或溶液有油性的缺点，在保证安全性的情况下，通过取出油性，达到更好的模拟砂土性质的目的。

S200，通过渗压计获取试验土的渗水压力数据，当渗水压力数据达到预设的渗水压力阈值时，通过冷冻装置C冻结试验土，其中，冷冻装置C包含有多根连通冷气管座的冷气置入管，各冷气置入管的冷气出口置于试验土的不同位置上，各冷气置入管依序打开使试验土的不同位置按不同顺序冻结。

S300，通过所述位移传感器、压力传感器获取不同位置处的试验土的位移量数据、试验土内部的压力数据，并通过电信号将位移量数据、压力数据传输到计算机B中进行数据分析.

S400，通过摄像装置，获取试验土的位移变化图像，并通过电信号将图像传输到计算机B中进行图像分析.

S500，通过计算机B对试验土的位移量数据、压力数据、渗水压力数据以及图像进行分析。

结合图1～图8，本发明提供的地下工程冻结试验系统，还能够被执行下述步骤：

S100A，在试验箱1内填入试验土。

S200A，通过注水装置7对试验土注水以改变不同位置的土壤的湿度。

S300A，通过加热器对试验土进行加热以改变不同位置的土壤的温度。

S400A，通过所述位移传感器、压力传感器、温度传感器以及渗压计获取不同位置处的试验土的位移量数据、试验土内部的压力数据、试验土内部的温度分布数据以及试验土的渗水压力数据，并通过电信号将位移量数据、压力数据、温度分布数据以及渗水压力数据传输到计算机B中进行数据分析。

S500A，通过渗压计获取试验土的渗水压力数据，当渗水压力数据达到预设的渗水压力阈值时，通过冷冻装置C冻结试验土。其中，冷冻装置C包含有多根连通冷气管座的冷气置入管，各冷气置入管的冷气出口置于试验土的不同位置上，各冷气置入管依序打开使试验土的不同位置按不同顺序冻结。

S600A，通过所述位移传感器、压力传感器获取不同位置处的试验土的位移量数据、试验土内部的压力数据，并通过电信号将位移量数据、压力数据传输到计算机B中进行数据分析。

S700A，通过计算机B对试验土的位移量数据、压力数据、渗水压力数据以及图像进行分析。其中，位移传感器、压力传感器、温度传感器以及渗压计通过线缆电联接于计算机B，在计算机B内安装有装有控制及数据采集软件，例如，GDSLAB软件，以获取位移量数据、试验土内部的压力数据、试验土的渗水压力数据、试验土的内部温度分布以及位移变化图像，并结合数据和图像进行分析。例如，通过采取改变温度，可以获取不同深度处的土壤的温度对冻结过程中的冻结效果、冻结速度的影响，以及土壤的温度、冻结速度结合渗水压力数据，获取试验土的膨胀率等。

优选地，第三实施例未提及的其它结构或效果可以参考第一或第二实施例。

以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。