[发明专利]不同土性的人工冻土与井壁共同作用的试验装置及方法

说明书

本发明提供一种不同土性的人工冻土与井壁共同作用的试验装置及方法。装置能冻结人工冻土的土体，模拟煤矿立井冻结法的试验环境，其包括试验台、圆筒、加载系统、监测系统和冻结系统，试验台提供安装空间，圆筒内设有混凝土的井壁，圆筒与井壁之间的容纳空间容纳土体，加载系统对土体和井壁施加压力，提供土体内部初始地压，冻结系统冻结土体，监测系统在土体被冻结过程中监测不同土性的土体的温度、水分和应力的数据。本发明能实现煤矿立井冻结法的试验环境的模拟，对模拟过程中的数据进行处理进而得到不同土性的土体温度、水分、应力等的变化趋势，及井壁在模拟过程中位移的变化，为冻结法的进一步推广实验提供参考依据。

技术领域

本发明涉及土木工程试验领域，特别涉及一种不同土性的人工冻土与井壁共同作用的试验装置及方法。

背景技术

人工地层冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩的土体变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以保证煤矿井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术。冻土地层为多相介质，在冻结过程中土层内水分场、温度场和应力场均发生相当大的改变，其过程复杂多变，为了保证施工的安全可靠，进行有效的模型试验探究显得十分必要。在实际地层中，松散层由于经历的时期不同，在长期的沉积作用下，松散层随埋深间隔宏观分布着不同性质岩土层，而这些岩土层在相同的冻结作用下，响应各异，冻结难易程度不同、膨胀特性不同，直观表现在混凝土井壁上的压力不尽相同，造成井壁上冻结压力的不均匀性，影响井壁的稳定性，因而研究不同土性冻土与井壁的共同作用亦显得十分必要。

目前关于不同土性冻土与井壁共同作用的差异引起井壁受力不均匀及冻结区内水、热、力三场耦合效应的试验方法并不完善，因此探究一种不同土性的人工冻土与井壁共同作用的模型试验装置及方法是具有重要意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不同土性的人工冻土与井壁共同作用的试验装置及方法，该装置能够实现对不同土性的人工冻土在人工冻结过程中的定量表征水分场、温度场和应力场的变化趋势及与在共同作用下井壁所产生的位移的差异进行量化研究的目的。

为了实现上述目的，本发明一方面提供如下技术方案：

一种不同土性的人工冻土与井壁共同作用的试验装置，所述试验装置能够冻结所述人工冻土的土体，用于模拟煤矿立井冻结法的试验环境，包括试验台、圆筒、加载系统、监测系统和冻结系统，其中，所述土体包括有多种不同土性的填土，所述圆筒置于所述试验台上，所述井壁设置在所述圆筒内，所述圆筒的顶端设置有盖板，所述井壁、所述圆筒和所述盖板围成容纳空间，所述容纳空间用于容纳所述土体，所述土体由上至下设置有多个水平的填土层，每个所述填土层均设置有多个扇环形的填土区，每个所述填土区内填有一种所述填土；所述加载系统包括反力架和液压缸，所述反力架设置在所述圆筒的上方，多个所述液压缸的顶端均与所述反力架连接，多个所述液压缸的底端均与所述盖板连接，所述液压缸能够通过所述盖板为所述土体施加压力；所述冻结系统包括冷冻机、进液管、出液管和若干冻结管，所述冻结管均竖向设置于所述容纳空间内，若干所述冻结管的顶端均穿过所述盖板并通过所述进液管和所述出液管与所述冷冻机连接，所述冷冻机用于产生以及泵送低温的介质，所述冷冻机、所述进液管、所述冻结管、所述出液管和所述冷冻机依次连通形成用于所述介质的循环回路，所述介质在所述冻结管内与所述土体进行热量交换，用于实现冻结所述土体以形成冻结壁；所述监测系统包括若干测量套件，若干所述测量套件设置在所述土体内，所述测量套件由温度测试元件、水分测试元件和应力测试元件构成，所述监测系统能够通过所述测量套件监测所述土体的温度、水分和应力。

在如上所述的试验装置中，优选地，所述圆筒的外周设置有多条环形的加劲肋；所述圆筒上部的外周等距设置有多个挂环；所述试验台上设置有桁车，所述桁车能够通过所述挂环吊动所述圆筒；所述井壁为混凝土结构，所述井壁的顶端与底端均设置有密封环；所述盖板设置有中心孔，所述盖板能够覆盖所述土体和所述井壁顶端的所述密封环，所述盖板能够上下移动，所述液压缸能够通过所述盖板和所述密封环对所述土体和所述井壁施加压力。