[发明专利]一种模拟土体围压条件下冻融循环的试验设备

说明书

一种模拟土体围压条件下冻融循环的试验设备，包括低温冷冻桶、空压机和冷冻液制冷系统，冷冻液制冷系统包括冷冻液制冷循环设备、冷凝管、触屏控制系统与温度传感器，冷冻液制冷循环设备的冷凝管从下至上穿过所述低温冷冻桶，冷凝管的另一端与冷冻液制冷循环设备的进口连接回流至水泵；水泵位于所述冷冻液制冷循环设备的下方，冷冻液制冷循环系统显示屏位于冷冻液制冷循环设备的上方；低温冷冻桶筒桶盖通过气体导管链接空压机。本发明提供一种成本低廉、步骤简化、节约时间、精确度高、适用广泛的冻结土样时围压可控的试验设备，可以为常规单元土体试验提供更符合工程实际的可控围压条件下冻结融化土样土体试样。

技术领域

本发明属于土力学试验领域，涉及一种模拟土体围压条件下冻融循环的实验设备。

背景技术

人工冻结法施工在我国最早使用在煤炭的行业，以避免凿井时发生失稳、渗漏等安全事故。冻结法施工过程中，冻结壁(冻土帷幕)在井筒的周围形成坚固的保护层，不仅可以增强土体强度还起到止水作用，给施工带来了极大便利。目前我国的冷冻法施工技术已成熟应用于更广泛的地下工程中。

冷冻法施工在地铁隧道建设工程中应用的时间较晚，最早的应用于七十年代的北京地铁地段。近几年，我国修建大量地铁隧道需要穿过砂层、淤泥层、卵石、砂砾层、富水粘土层等不良土层，冻结法施工以其止水性好、强度高、安全可靠等优势在这些土质区域逐渐普及。其中，冷冻法施工在淤泥质软土地段时取得了很好的效果。淤泥土经冻结后，强度大幅度提升，节约了支护费用，带来良好的经济效益。以杭州为例，在地铁联络通道施工中，多选用冻结法施工，以解决施工工作空间过小造成的支护设备难以入场问题。

然而，随着冻结施工以后的温度回升，冻土逐渐的融化，融土的骨架结构较未冻土发生巨大改变，具体表现为：大孔隙增多，小孔隙减少，出现蜂窝结构。冻结造成的土体结构改变导致地铁运行后冻融区间长期沉降较未冻融区间增加5-6倍，施工后不均匀沉降过大。

未考虑冻结过程中围压影响的可模拟冻融循环环境的低温真空预压制样设备已研制成功，且已投入使用。然而，土体在围压条件下经历冻融过程，围压大小与土体积变化、凝固温度、融化温度等参数密切相关。无围压条件下低温冰冻土样与实际工程中冻结帷幕形成条件相差甚远。土力学试验仪器如水合物三轴仪与低温核磁共振仪可在设定围压条件下完成冻结。然而仪器贵重，一般单位难以支付其购买及维护费用。且贵重仪器装样繁琐，淤泥质软土装样成功率极低。

发明内容

为了弥补常规冻融试验设备的无法还原围压下土体冻融条件的不足，本发明提供一种成本低廉、步骤简化、精确度高、适用广泛的围压可控冻结土样试验设备。该设备可以为常规单元土体试验提供可控围压条件下冻结融化土体试样。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种模拟加压冻融循环的实验设备，包括低温冷冻桶、空压机和冷冻液制冷系统，所述冷冻液制冷系统包括冷冻液制冷循环设备、冷凝管、触屏控制系统与温度传感器，所述冷冻液制冷循环设备的冷凝管从下至上穿过所述低温冷冻桶，所述冷凝管的另一端与冷冻液制冷循环设备的进口连接回流至水泵，所述水泵位于所述冷冻液制冷循环设备的下方，所述冷冻液制冷循环系统显示屏位于冷冻液制冷循环设备的上方；所述低温冷冻桶筒桶盖通过气体导管链接空压机；

所述低温冷冻桶包括真空隔热密封盖、四层筒壁及温度记录仪组成，所述真空隔热密封盖由为耐高压材质主体，高压密封橡胶圈，省力工字把手组成，并设置泄压阀、压力表及与空压机的接口相连接的螺旋孔；所述筒壁由外而内分别为外层金属保护层、高分子有机硬质铝箔泡沫层、弹性有机材料层、高端PIR保冷管层，所述弹性有机材料层内循环交替放置冷凝管，所述温度传感器放置于低温冷冻桶的内，通过探针精确测量土样内部温度；

所述空压机为无油静音空压机，可模拟0-700Kp内围压下土体冻结；空压机连接压力计开关，当达到设定压力值时空压机停止工作；当压力值下降低于所设压力10Kp时，空压机自动开启补压到设定值。