CN112345734B - 一种可考虑温度梯度的冻土高压k0固结实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可考虑温度梯度的冻土高压K0固结实验装置，包括冻结控制***、冷液循环管、一号异形冻结管、二号异形冻结管、柔性隔热套件、钢套筒、加压盖、冻土试样、底座、加压杆、进风口、出风口、气冷式温度箱组成，一号异形冻结管和二号异形冻结管和可环向安装在钢套筒外侧，气冷式温度箱内设置有进风口、出风口、孔洞，通过设置钢套筒、加压盖、底座、加压杆、气冷式温度箱，可使土体首先进行高压K0固结，通过设置冻结控制***、冷液循环管、一号异形冻结管、二号异形冻结管、柔性隔热套件，可使固结后的土体在二维温度梯度下进行冻结，本发明具有结构简单、操作方便等特点。

Description

一种可考虑温度梯度的冻土高压K0固结实验装置
技术领域
本发明专利涉及一种可考虑温度梯度的冻土高压K0固结实验装置。
背景技术
对于赋存在深部的土体，由于地应力的长期作用，其内部的孔隙会逐渐被压密，此过程称为固结，大量研究表明，深部土是一种处于K0固结状态(即土体在无侧向变形条件下的竖向固结，土体径向有效应力与竖向有效应力之比称为 K0值)的特殊土。当采用人工冻结法进行地下空间开发时，需要对深部的土体进行冻结，然后再进行开挖支护，此外，由于地层温度，地层厚度，制冷效率、环境条件等因素的综合影响，冻土材料所处温度场属于典型的非均匀场，即温度梯度的影响需要考虑在土体的冻结过程中，因此对于深部土体，其经历的状态可分为两个阶段：首先是高压K0固结，然后是在温度梯度下冻结。
在中国专利授权书，CN 103364266B中公布了一种二维温度梯度冻土试验装置及其使用方法，包括凸底座、双层压力室、活塞、底部主隔热板、底部主制冷板、顶部主制冷板、顶部主隔热板、底部辅助隔热板、底部辅助制冷板、导热介质、顶部辅助制冷板和顶部辅助隔热板，改装置通过设置端部和底部制冷板以及导热介质，能够实现冻土内部形成二维温度梯度的目的。在中国专利授权书，CN 106226499B中公布了一种组合温度梯度的冻土试验装置，包括试验箱体、样品筒、冷气泵及控制中心，通过在样品筒的外壁上插接不同直径的导风板，并配合固定设置在样品筒外侧的冷循环管，能够实现冻土内部组合温度梯度的目的。
在上述两种能够考虑温度梯度的冻土试验装置中，均未考虑固结作用的影响，此外，对冻土在不同维度温度梯度的模拟效果较差，因此，需要设计可考虑多维温度梯度和K0固结影响的冻土实验装置。
发明内容
本发明专利提供了一种可考虑温度梯度的冻土高压K0固结实验装置。这种装置能够在土体冻结过程中保持高压K0状态，且能够考虑多维温度梯度的影响。
实现上述目的技术解决方案如下：
一种可考虑温度梯度的冻土高压K0固结实验装置，包括冻结控制***、冷液循环管、一号异形冻结管、二号异形冻结管、柔性隔热套件、钢套筒、加压盖、冻土试样、底座、加压杆、进风口、出风口、气冷式温度箱组成，其中，冻土试样和加压盖放置在钢套筒内；冻土试样上方设置加压盖；冻土试样和钢套筒下方设置底座；加压盖上方设置加压杆；一号异形冻结管和二号异形冻结管和可环向安装在钢套筒外侧；柔性隔热套件安装在异形冻结管的冷液循环进口和出口处；一号异形冻结管和二号异形冻结管分别与各自的冷液循环管和与冻结控制***相连；气冷式温度箱内设置有进风口、出风口、孔洞。
上述装置中，所述冷液循环管、一号异形冻结管、二号异形冻结管、柔性隔热套件、钢套筒、加压盖、底座、加压杆均由耐低温材料组成。
上述装置中，所述孔洞用于加压杆和冷液循环管穿进用。
上述装置中，所述一号异形冻结管和二号异形冻结管可沿钢套筒上下移动后进行固定。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
通过设置钢套筒、加压盖、底座、加压杆、气冷式温度箱，可使土体首先进行高压K0固结，然后进行低温冻结；通过设置冻结控制***、冷液循环管、一号异形冻结管、二号异形冻结管、柔性隔热套件，可使固结后的土体在二维温度梯度下进行冻结；通过设置进风口、出风口，可使得冻土试样在冻结过程中的温度梯度更为稳定。
附图说明
图1是本发明的可考虑温度梯度的冻土高压K0固结实验装置结构示意图。
图2是本发明的异形冻结管布置图。
图3是本发明的一号异形冻结管和二号异形冻结管内制冷液循环示意图。
图4是本发明的二号异形冻结管内制冷液循环示意图。
图中标号说明：1-冻结控制***，2-冷液循环管，3-一号异形冻结管，4-二号异形冻结管，5-柔性隔热套件，6-钢套筒，7-加压盖，8-冻土试样，9-底座，10- 加压杆，11-进风口，12-出风口，13-气冷式温度箱，14-一号冻结管冷液循环进口，15-一号冻结管冷液循环出口，16-二号冻结管冷液循环进口，17-二号冻结管冷液循环出口，18-一号冻结管冷液循环路径，19-二号冻结管冷液循环路径。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明专利做进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图1～图4所示的一种可考虑温度梯度的冻土高压K0固结实验装置，由冻结控制***1、冷液循环管2、一号异形冻结管3、二号异形冻结管4、柔性隔热套件5、钢套筒6、加压盖7、冻土试样8、底座9、加压杆10、进风口11、出风口12、气冷式温度箱13组成。冻土试样8和加压盖7放置在钢套筒6内；冻土试样8上方设置加压盖7；冻土试样8和钢套筒6下方设置底座9；加压盖7 上方设置加压杆10；一号异形冻结管3和二号异形冻结管4和可环向安装在钢套筒6外侧；柔性隔热套件5安装在异形冻结管的冷液循环进口和出口处；一号异形冻结管3和二号异形冻结管4分别与各自的冷液循环管2和与冻结控制*** 1相连；气冷式温度箱内13设置有进风口11、出风口12、孔洞；冷液循环管2、一号异形冻结管3、二号异形冻结管4、柔性隔热套件5、钢套筒6、加压盖7、底座9、加压杆10均由耐低温材料组成；孔洞用于加压杆10和冷液循环管2穿进用；一号异形冻结管3和二号异形冻结管4可沿钢套筒6上下移动后进行固定。
具体操作步骤如下：
(1)在气冷式温度箱13内从下至上依次放置底座9、冻土试样8、加压盖 7，将冻土试样8和加压盖7放置在钢套筒6内部，调整加压杆10的位置使其与加压盖7相接触，将一号异形冻结管3和二号异形冻结管4按照图中所述方式安装在钢套筒6外侧，将两个柔性隔热套件5安装在一号异形冻结管3和二号异形冻结管4的冷液循环进口和出口处，用于防止一号异形冻结管3和二号异形冻结管4之间进行热交换而相互影响；将一号异形冻结管3和二号异形冻结管4分别与各自的冷液循环管2和冻结控制***1相连接。
(2)利用加压杆10按照设置的固结压缩荷载对冻土试样8进行固结，钢套筒6可限制冻土试样8的环向变形，使冻土试样8处于高压K0固结状态，直至所需的固结时间。
(3)到达所需的固结时间后，冻土试样8会产生压缩变形，移动一号异形冻结管3和二号异形冻结管4的位置，使一号异形冻结管3的上端与冻土试样8的上端持平，二号异形冻结管4的下端与冻土试样8的下端持平，然后固定，打开冻结控制***1，分别设定一号异形冻结管3和二号异形冻结管4内循环液的温度，一号冻结管冷液循环路径18和二号冻结管冷液循环路径19如图3和图4所示，采用上述方式，即可使冻土试样8上侧和左侧温度受一号异形冻结管3内循环液的温度控制，冻土试样8下侧和右侧温度受二号异形冻结管3内循环液的温度控制，从而使冻土试样8在二维温度梯度下进行冻结，同时，设定气冷式温度箱13 内部的温度，通过进风口11和出风口12之间空气流动可使得冻土试样8在冻结过程中的温度梯度更为稳定。

Claims (2)

1.一种可考虑温度梯度的冻土高压K0固结实验装置，包括冻结控制***(1)、冷液循环管(2)、一号异形冻结管(3)、二号异形冻结管(4)、柔性隔热套件(5)、钢套筒(6)、加压盖(7)、冻土试样(8)、底座(9)、加压杆(10)、进风口(11)、出风口(12)、气冷式温度箱(13)，其特征在于：冻土试样(8)和加压盖(7)放置在钢套筒(6)内；冻土试样(8)上方设置加压盖(7)；冻土试样(8)和钢套筒(6)下方设置底座(9)；加压盖(7)上方设置加压杆(10)；一号异形冻结管(3)和二号异形冻结管(4)和可环向安装在钢套筒(6)外侧；柔性隔热套件(5)安装在异形冻结管的冷液循环进口和出口处；一号异形冻结管(3)和二号异形冻结管(4)分别与各自的冷液循环管(2)和与冻结控制***(1)相连；气冷式温度箱 (13) 内设置有进风口(11)、出风口(12)、孔洞，
所述一号异形冻结管（3）分为相连通的顶段部分和一号侧段部分，所述二号异形冻结管（4）分为相连通的底段部分和二号侧段部分，所述顶段部分和所述底段部分分别对称设置在所述冻土试样（8）的上下两侧，所述顶段部分和所述底段部分均呈套设在所述钢套筒(6)外侧的环形结构，所述一号侧段部分和所述二号侧段部分沿水平方向对称设置在所述钢套筒(6)的两侧；
加压杆按照设置的固结压缩荷载对冻土试样进行固结；
到达所需的固结时间后，冻土试样会产生压缩变形，移动一号异形冻结管和二号异形冻结管的位置，使一号异形冻结管的上端与冻土试样的上端持平，二号异形冻结管的下端与冻土试样的下端持平，然后固定，打开冻结控制***，分别设定一号异形冻结管和二号异形冻结管内循环液的温度；循环液从位于异形冻结管底部的冷液循环进口流入后，循环液沿着圆环状的冻结管运动，当循环液到达进口的远端时，循环液会向上沿着冻结管的侧段部分运动直到到达冻土试样的顶端或者底端，之后再回落到底部或顶部，并继续沿着底座上的圆环状异形管流到出口，从而实现冻土试样在二维温度下的冻结。
2.根据权利要求1所述的一种可考虑温度梯度的冻土高压K0固结实验装置，其特征在于：冷液循环管(2)、一号异形冻结管(3)、二号异形冻结管(4)、柔性隔热套件(5)、钢套筒(6)、加压盖(7)、底座(9)、加压杆(10)均由耐低温材料组成。
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