高地应力高水头竖井冻结模型试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及竖井模型技术领域，更具体的说是涉及高地应力高水头竖井冻结模型试验装置。


背景技术：

2.竖井开挖过程中，易产生涌水、塌孔现象，竖井高约为240m，直径为3m左右；竖井穿越深厚含水砂层，随着深度增加水砂层依次为砂卵砾石、卵石混合土，浅层土(0～
‑
15m)约厚为2.5
×
10
‑3cm/s，较深层土(
‑
15～
‑
90m)厚约为1.2
×
10
‑3cm/s，深层(
‑
90～
‑
250m)厚约为4.0
×
10
‑4cm/s；根据竖井以上工程背景，竖井施工受到高地应力和高水头两个关键因素影响，而常规支护技术难以满足200m以上的深井开挖稳定要求，要保证竖井施工安全、稳定支护是关键问题。为了研究高地应力、高水头对支护产生的影响，因此如何提供一种竖井冻结模型试验装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.为此，本实用新型的目的在于提出高地应力高水头竖井冻结模型试验装置，能够对不同高地应力、不同高水头进行模拟试验。
4.本实用新型提供了高地应力高水头竖井冻结模型试验装置，包括：
5.试验箱体，试验箱体内部分层填充、压实有土体，为模拟竖井冻结过程的主要载体；试验箱体侧壁上具有进水口，试验箱体上部具有用于模拟地层渗流条件的箱体出水管道，其下部具有试验结束后将箱体内部的剩余水分排出的箱体排水管道；
6.多个冻结管，冻结管底部经试验箱体顶部插入土体中，冻结管顶部与外部冷浴装置连通；
7.水头水压调节机构，水头水压调节机构连接试验箱体侧壁上的进水口，用于调节水头高度和压力；
8.竖向应力加载机构，竖向应力加载机构设置于试验箱体顶部，且可伸缩于试验箱体内部，用于模拟不同地应力环境提供竖向载荷，对冻结帷幕之外的土体施加荷载；
9.监测元件，监测元件包括布置在土体内部的温度传感器、土压力传感器、水分传感器及位移计，温度传感器、土压力传感器、水分传感器及位移计均与外部控制装置电性连接，用于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。
10.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了高地应力高水头竖井冻结模型试验装置，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，对冻结帷幕之外的土体施加荷载，并通过温度传感器、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。
11.进一步地，冻结管与外部冷浴装置之间连接有供液管和回液管形成封闭回路。
12.进一步地，冻结管包括外部管和内部管，内部管固定于外部管内、且与外部管连通；外部管顶部设置有进液口和出液口，进液口与外部管或内部管连通，出液口与内部管或外部管连通；供液管连接进液口，回液管连接出液口。
13.进一步地，竖向应力加载机构包括：支撑架、液压油缸及钢板；支撑架通过固定件固定于试验箱体顶部，支撑架底部固定有多个液压油缸，液压油缸底部连接钢板，试验箱体顶部具有供钢板进入下压土体的凹槽，钢板中部具有供冻结管与外部冷浴装置连通的通道。
14.进一步地，水头水压调节机构包括：水头调节加压泵、主管道、主阀门、压力表、分支管道及分支阀门；水头调节加压泵供水口连接外部水源，其出水口通过主管道连接三个分支管道，主阀门和压力表安装于主管道上，分支阀门安装于分支管道上；试验箱体侧壁上布置有高度不同的多排多列进水口，三个分支管道分别对应进水口位置与试验箱体侧壁固定。
15.进一步地，试验箱体一侧壁上具有敞口，敞口处设置有气囊组件，试验箱体靠近气囊组件内侧壁上设置有滑槽，滑槽内滑动有用于水平给土体施加压力的隔板。
16.进一步地，气囊组件包括气囊本体、气压表、放气阀及充气泵；气囊本体设置于试验箱体的敞口处，其外部连接有充气泵，气囊本体上设置有气压表和放气阀。
17.进一步地，隔板包括移动框和隔板本体，移动框滑动于滑槽上，隔板本体嵌设固定于移动框上。
18.进一步地，试验箱体内壁设有橡胶防水膜。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1附图为本实用新型提供的高地应力高水头竖井冻结模型试验装置的爆炸图；
21.图2附图为本实用新型提供的高地应力高水头竖井冻结模型试验装置的结构示意图；
22.图3附图为本实用新型提供的高地应力高水头竖井冻结模型试验装置的试验箱体的结构示意图；
23.图4附图示出了试验箱体一个截面内冻结管、温度传感器、土压力传感器、水分传感器及位移计的分布示意图；
24.图5附图示出了冻结管的结构示意图；
25.图中：100
‑
试验箱体，101
‑
，102
‑
出水管道，103
‑
排水管道，200
‑
冻结管，201
‑
供液管，202
‑
回液管，203
‑
外部管，2031
‑
进液口，2032
‑
出液口，204
‑
内部管，300
‑
水头水压调节机构，301
‑
水头调节加压泵，302
‑
主管道，303
‑
主阀门，304
‑
压力表，305
‑
分支管道，306
‑
分支阀门，400
‑
竖向应力加载机构，401
‑
支撑架，402
‑
液压油缸，403
‑
钢板，501
‑
温度传感器，502
‑
土压力传感器，503
‑
水分传感器，600
‑
气囊组件，601
‑
气囊本体，602
‑
气压表，603
‑
放气
阀，604
‑
充气泵，700
‑
隔板，701
‑
移动框，702
‑
隔板本体。
具体实施方式
26.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
27.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。
28.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
29.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
30.本实用新型实施例公开了一种高地应力高水头竖井冻结模型试验装置，参见附图1
‑
5，包括：试验箱体100，试验箱体100内部分层填充、压实有土体，为模拟竖井冻结过程的主要载体；试验箱体100侧壁上具有进水口，试验箱体100上部具有用于模拟地层渗流条件的箱体出水管道102，其下部具有试验结束后将箱体内部的剩余水分排出的箱体排水管道103；
31.多个冻结管200，冻结管200底部经试验箱体100顶部插入土体中，冻结管200顶部与外部冷浴装置连通；
32.水头水压调节机构300，水头水压调节机构300连接试验箱体100侧壁上的进水口，用于调节水头高度和压力；
33.竖向应力加载机构400，竖向应力加载机构400设置于试验箱体100顶部，且可伸缩于试验箱体100内部，用于模拟不同地应力环境提供竖向载荷，对冻结帷幕之外的土体施加荷载；
34.监测元件，监测元件包括布置在土体内部的温度传感器501、土压力传感器502、水分传感器503及位移计，温度传感器501、土压力传感器502、水分传感器503及位移计均与外部控制装置电性连接，用于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。
35.本实用新型公开提供了高地应力高水头竖井冻结模型试验装置，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；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。
36.在本实用新型的一个实施例中，冻结管200与外部冷浴装置之间连接有供液管201和回液管202形成封闭回路。供液管与回液管一端均是封闭的，可以为钢管或塑料管，与外部冷浴装置相连，组成封闭回路。参见附图1和2，在本实用新型的实施例中供液管201和回液管202可以为圆环形，圆环的底部与冻结管连接，圆环一端部与外部冷浴装置连接。
37.具体地，参见附图5，冻结管200包括外部管203和内部管204，内部管204固定于外部管203内、且与外部管203连通；外部管203顶部设置有进液口2031和出液口2032，进液口2031与外部管203或内部管204连通，出液口2032与内部管204或外部管203连通；供液管201连接进液口2031，回液管202连接出液口2032。从冷浴装置出来的冷却液首先流经供液管，然后通过进液口到达冻结管内部，循环后从出液口流出到回液管，最后经回液管流入到冷浴。其中，冻结管为双层管，外部管为钢管，内部管为钢管或塑料管，其中内部管底部长度小于外部管长度，由此保证内部管和外部管处于连通状态。
38.参见附图1和2，竖向应力加载机构400包括：支撑架401、液压油缸402及钢板403；支撑架401通过固定件固定于试验箱体100顶部，固定件可以为钢柱，钢柱上固定了一块拖板，拖板上预留有液压油缸安装位置，液压油缸402底部连接钢板403，调节好液压油缸安装位置，通过启动液压油缸对下部钢板施加竖直载荷。试验箱体100顶部具有供钢板403进入下压土体的凹槽101，钢板403中部具有供冻结管200与外部冷浴装置连通的通道。
39.参见附图1和2，水头水压调节机构300包括：水头调节加压泵301、主管道302、主阀门303、压力表304、分支管道305及分支阀门306；水头调节加压泵301供水口连接外部水源，其出水口通过主管道302连接三个分支管道305，主阀门303和压力表304安装于主管道302上，分支阀门306安装于分支管道305上；试验箱体100侧壁上布置有高度不同的多排多列进水口，三个分支管道305分别对应进水口位置与试验箱体100侧壁固定。
40.通过水头调节加压泵对外部水源来的水进行加压，加压后的水流流入主管道，主阀门打开开度决定了流量，压力表检测主管道内的压力值；主管道末端通过三个分支管道连接至试验箱体侧壁上的多排多列进水口上，在本实用新型的一个实施例中，进水口采用3x3布置，9个进水口均匀分布在试验箱体上，水头调节加压泵配合各阀门，实现水头高度和压力调节，模拟渗流条件。
41.参见附图3，在本实用新型提供的一个实施例中，试验箱体100一侧壁上具有敞口，敞口处设置有气囊组件600，试验箱体100靠近气囊组件600内侧壁上设置有滑槽，滑槽内滑动有用于水平给土体施加压力的隔板700。
42.具体而言，气囊组件600包括气囊本体601、气压表602、放气阀603及充气泵604；气囊本体601设置于试验箱体100的敞口处，其外部连接有充气泵604，气囊本体601上设置有气压表602和放气阀603。
43.当向气囊本体内充入气体，气囊因为膨胀推动隔板向土体方向移动，有助于前期箱体内部土体的安放与压实。充气泵向气囊内部打压气体，通过压力表监测气压。
44.有利的是，隔板700包括移动框701和隔板本体702，移动框701滑动于滑槽上，隔板本体702嵌设固定于移动框701上。
45.在装土之前，试验箱体100内壁设有橡胶防水膜。
46.本实用新型中冻结管，参见附图4，冻结管根据试验要求可以设置一圈或者多圈，监测元件根据试验需要，布置在土体内，其中位移计位于开挖后的土体开挖面，主要用于监测开挖后冻土变形大小。试验箱体按照与实际比例1:5
‑
10设计，可以模拟实际0m、50m、100m、150m、200m、250m的地层深度，试验类型可以有混凝土壁支护，也可以无混凝土壁支护；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。
47.具体步骤：试验箱体内部铺一层橡胶防水膜；根据试验方案安放冻结管，分层铺土并压实；并在土体内放置监测元件；监测元件通过导线连接到外部控制装置；冻结管顶部连接到供液管与回液管；将钢板安放到试验箱中与土体接触；调节好液压油缸(可以为千斤顶)使其四个角水平，保证竖向载荷加压均匀；然后连接充气泵；根据试验方案施加竖向压力及水平压力；打开试验箱体上的进水口及出水管道，调节水头水压调节机构，向试验箱体内提供稳定水流；启动外部冷浴装置(盐水循环系统)进行冻结；初始试验箱体中都为土体，待冻结完成后，将冻结壁内部的未冻土挖出，可继续安装预制混凝土壁支护，则为有支护混凝土壁，或在开挖面安装模板现浇混凝土；不安装则为无支护；然后通过监测元件采集数据及后处理。
48.计算不同地层深度处土体受到的竖向及水平压力，通过竖向加载及水平向加载，施加相应大小的力，从而模拟相应深度地层应力，通过水头水压调节机构模拟不同的水头高度和压力；通过温度传感器、压力传感器，水分传感器以及位移计，获得土体中温度场分布、冻结壁及井壁压力、土体中水分的分布以及结构位移变形大小。进而为竖井支护提供参照数据，有利于深井挖掘稳定，保证竖井施工安全。
49.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
50.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。