隧道冻结壁自然解冻期地层融沉离心模型试验装置及方法与流程

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及隧道冻结壁自然解冻期地层融沉离心模型试验装置及方法。

背景技术：

人工冻结法因其不受范围和深度的限制，能有效的支护和止水，在地铁隧道联络通道、隧道进出洞口工程中得到了广泛的应用。

然而，在隧道冻结施工期结束后，冻结壁融化，隧道周围的土体将发生热融沉降和固结沉降，该沉降过程将对上覆道路和周边建筑物产生巨大的影响。融土的固结沉降是一个在地层自重应力条件下随这时间缓慢变形的过程，而常规的物理模型试验很难模拟出地层的自重应力水平。上述问题亟待解决，提出隧道冻结壁自然解冻期地层融沉离心模型试验装置及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决，提供了隧道冻结壁自然解冻期地层融沉离心模型试验装置。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括离心组件、模型组件、数据采集组件；

所述模型组件包括模型箱体、隧道基土、隧道模型、多个冻结管，所述隧道模型、所述隧道基土、所述模型箱体从内至外依次设置，多个所述冻结管均匀分布在所述隧道模型外部，与所述隧道模型平行设置，位于所述隧道基土中；

所述数据采集组件包括测试元件，所述测试元件与所述模型箱体连接；

所述离心组件包括离心机主体与甩臂，所述模型组件设置在所述甩臂的一侧。

更进一步地，所述模型组件还包括减少土体边界效应的聚四氟乙烯膜，所述聚四氟乙烯膜设置在所述模型箱体与所述隧道基土之间。

更进一步地，所述数据采集组件还包括传感器线缆与控制处理模块，所述测试元件通过所述传感器线缆与所述控制处理模块电连接。

更进一步地，所述测试元件包括位移传感器、温度传感器、压力传感器与安装套，所述安装套与所述模型箱体连接，所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器均与所述安装套连接，并与所述传感器线缆的一端电连接。

更进一步地，所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器的数量均为多个，多个所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器均均匀分布在所述隧道模型外部的所述隧道基土中。

更进一步地，所述冻结管包括供液管、回液管、三通接头，所述供液管的一端设置在所述回液管的内部，所述回液管的内径大于所述供液管的外径，所述三通接头的第一直接端与所述回液管的开口端连接，第二直接端与所述供液管连接，所述供液管的进液口设置在所述三通接头的外部。

更进一步地，所述冻结管还包括硅胶楔子，所述硅胶楔子套设在所述供液管上，位于所述供液管与所述第二直接端之间。

更进一步地，所述冻结管还包括套筒式膨胀螺丝与两个对孔螺栓，所述套筒式膨胀螺丝设置在所述供液管与外界冷媒介质输送管对接处，通过顺时针旋紧所述对孔螺栓压缩所述套筒式膨胀螺丝口径。

本实施例还提供了隧道冻结壁自然解冻期地层融沉离心模型试验方法，包括以下步骤：

(1)、确定几何相准则，预制模型箱体、隧道模型、冻结管；

(2)、拼装模型箱体，铺设聚四氟乙烯膜，分层填筑隧道基土，振捣压实；

(3)、安装冻结管，钻孔并打入冻结管；

(4)、埋设温度传感器、位移传感器和压力传感器，并将导线从传感器安装套中引出，穿过传感器线缆与数据存储设备连接；

(5)、安装各冻结管，对土体进行静态冻结，形成设计厚度的冻结壁；

(6)、在隧道基土中开挖隧道，并安装隧道模型；

(7)、将模型箱体安装在离心机一侧；

(8)、将位移传感器和压力传感器置零，运行离心机至预定离心加速度，进行冻结壁自然解冻；

(9)、实时监测温度信息、位移信息、压力信息；

(10)、试验设备拆卸，拆除隧道模型和冻结管并检查隧道模型和冻结管的完好程度，以备循环使用，清空模型箱体内已填土和各传感器，按照步骤(2)重新安装模型箱体；

(11)、改变离心加速度，重复步骤(3)-(10)；

(12)、处理实验数据。

本发明相比现有技术具有以下优点：该隧道冻结壁自然解冻期地层融沉离心模型试验装置，可以模拟现场土体的自重应力，对冻结壁进行自然解冻，为隧道水平冻结法施工地层融沉的研究提供参考依据，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例二中离心模型试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例二中模型箱的局部视图；

图3是本发明实施例二中模型箱的内部视图；

图4是本发明实施例二中冻结管的结构示意图；

图5是本发明实施例二中冻结管的内部视图；

图6是本发明实施例二中套筒式膨胀螺丝的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供一种技术方案：隧道冻结壁自然解冻期地层融沉离心模型试验装置，包括离心组件、模型组件、数据采集组件；

所述模型组件包括模型箱体、隧道基土、隧道模型、多个冻结管，所述隧道模型、所述隧道基土、所述模型箱体从内至外依次设置，多个所述冻结管均匀分布在所述隧道模型外部，与所述隧道模型平行设置，位于所述隧道基土中；

所述数据采集组件包括测试元件，所述测试元件与所述模型箱体连接；

所述离心组件包括离心机主体与甩臂，所述模型组件设置在所述甩臂的一侧。

所述模型组件还包括减少土体边界效应的聚四氟乙烯膜，所述聚四氟乙烯膜设置在所述模型箱体与所述隧道基土之间。

所述数据采集组件还包括传感器线缆与控制处理模块，所述测试元件通过所述传感器线缆与所述控制处理模块电连接。

所述测试元件包括位移传感器、温度传感器、压力传感器与安装套，所述安装套与所述模型箱体连接，所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器均与所述安装套连接，并与所述传感器线缆的一端电连接。

所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器的数量均为多个，多个所述位移传感器、所述温度传感器、所述压力传感器均均匀分布在所述隧道模型外部的所述隧道基土中。

所述冻结管包括供液管、回液管、三通接头，所述供液管的一端设置在所述回液管的内部，所述回液管的内径大于所述供液管的外径，所述三通接头的第一直接端与所述回液管的开口端连接，第二直接端与所述供液管连接，所述供液管的进液口设置在所述三通接头的外部。

所述冻结管还包括硅胶楔子，所述硅胶楔子套设在所述供液管上，位于所述供液管与所述第二直接端之间。

所述冻结管还包括套筒式膨胀螺丝与两个对孔螺栓，所述套筒式膨胀螺丝设置在所述供液管与外界冷媒介质输送管对接处，通过顺时针旋紧所述对孔螺栓压缩所述套筒式膨胀螺丝口径。

本实施例还提供了隧道冻结壁自然解冻期地层融沉离心模型试验方法，包括以下步骤：

(1)、确定几何相准则，预制模型箱体、隧道模型、冻结管；

(2)、拼装模型箱体，铺设聚四氟乙烯膜，分层填筑隧道基土，振捣压实；

(3)、安装冻结管，钻孔并打入冻结管；

(4)、埋设温度传感器、位移传感器和压力传感器，并将导线从传感器安装套中引出，穿过传感器线缆与数据存储设备连接；

(5)、安装各冻结管，对土体进行静态冻结，形成设计厚度的冻结壁；

(6)、在隧道基土中开挖隧道，并安装隧道模型；

(7)、将模型箱体安装在离心机一侧；

(8)、将位移传感器和压力传感器置零，运行离心机至预定离心加速度，进行冻结壁自然解冻；

(9)、实时监测温度信息、位移信息、压力信息；

(10)、试验设备拆卸，拆除隧道模型和冻结管并检查隧道模型和冻结管的完好程度，以备循环使用，清空模型箱体内已填土和各传感器，按照步骤(2)重新安装模型箱体；

(11)、改变离心加速度，重复步骤(3)-(10)；

(12)、处理实验数据。

实施例二

如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种隧道水平冻结壁自然解冻期地层融沉的离心模型试验装置主要包括离心机1、模型箱2和数据采集系统。其中离心机1，用于提供离心加速度，模拟现场土体的自重应力，当现场隧道埋深为h1，土体密度为ρ，则现场隧道上覆土层的自重应力为ρgh1，当模型箱2内隧道模型2005埋深为h2，土体密度与现场一致，则模型箱2内隧道模型2005上覆土层的自重应力为ρgh2，因此离心加速度比值n＝ρgh1/ρgh2＝h1/h2；模型箱2，安装在离心机1左侧吊篮上，用于模拟现场冻结壁形成和融化的过程；数据采集系统，用于采集冻结壁及隧道周围的温度信息、位移信息和压力信息；

离心机1采用南京水利科学研究院tlj-60a岩土离心机，离心机最大容量为60g·t，有效半径为2.0m，转速幅值为5～200g，有效负荷(模型箱2+模型)为100g时600kg、200g时300kg，加速度稳定度为±0.5％f·s。

如图2和图3所示，模型箱2包括高强钢板2001、大六角螺母2002、圆形钢板2003、固定钢条2004、小六角螺母2005、隧道模型2005(隧道洞口开挖后)、聚四氟乙烯膜2007、隧道基土2008、传感器安装套3和冻结管6；

模型箱2分别由斜槽型和直板型高强钢板2001通过大六角螺母2002拼接而成，其中，高强钢板2001之间分别垫入了聚四氟乙烯膜2007，用于止水密封；

模型箱2前表面切割出了多个与冻结管6尺寸一致的洞口，在模型箱2内分层填入隧道基土2008振捣夯实后，将冻结管6从洞口打入隧道基土2008内，以备进行冻结活动；

模型箱2前后表面分别切割出了与隧道模型2006尺寸一致的洞口，在隧道水平冻结期内，切割出的洞口被圆形钢板2003覆盖，并用固定钢条2004和小六角螺母2005固定，待水平冻结壁形成后，拆除圆形钢板2003，进行隧道开挖和隧道模型2006嵌入，贯通模型箱2前后表面；

模型箱2上表面中间位置安装了三个传感器安装套3，分别用于将温度传感器3001、位移传感器3002和压力传感器3003的导线引出模型箱2。

如图3所示，模型箱2的四周和底面内表面分别铺设了聚四氟乙烯膜2007，以减小土体的边界效应。

此处说明，该离心模型试验的水平冻结过程在离心机1外进行(未画出)。

如图4和图5所示，冻结管6包括供液管6001、回液管6002、铜三通6003、套筒式膨胀螺丝6004、对孔螺栓6005和硅胶楔子6006；

供液管6001与回液管6002通过铜三通6003(三通接头)和硅胶楔子6006构成一个嵌套式结构，铜三通6003的左侧出口(第二直接端)与供液管6001连接，铜三通6003的右侧出口(第一直接端)与回液管6002连接。冷媒介质按进水方向6007沿着供液管6001进入回液管6002，进而按出水方向6008从铜三通6003的上出口流出，硅胶楔子6006置于铜三通6003的左侧出口，其功效为，一可以限制回液管6002中的冷媒介质从铜三通6003的左侧出口溢出，二可以调整供液管6001在回液管6002中的位置，使其在回液管6002中居中。

供液管6001与外界冷媒介质输送管对接处安装了套筒式膨胀螺丝6004，通过顺时针旋紧对孔螺栓6005的过程中，压缩套筒式膨胀螺丝6004的口径，从而达到供液管6001与外界冷媒介质输送管密封连接的效果；

如图6所示，套筒式膨胀螺丝6004包括硬塑橡胶齿轮60041和硬塑橡胶垫60042；硬塑橡胶齿轮60041和硬塑橡胶垫60042为一整体，且均被加工成不封闭的套筒式结构，预留的缺口可以为套筒式膨胀螺丝6004的变形提供空间。硬塑橡胶垫60042中部设置了环形垫片，用于固定密封供液管6001的管口和外界冷媒介质输送管的管口的位置，保证两管道内圈处于一条直线上。

如图1和图3所示，数据采集系统包括温度传感器3001、位移传感器3002、压力传感器3003、传感器安装套3、传感器线缆4和数据存储处理设备5。

温度传感器3001、位移传感器3002和压力传感器3003的导线通过所述传感器安装套3从所述模型箱2内引出，穿过所述传感器线缆4与所述数据存储处理设备5连接。

如图3所示，温度传感器3001采用热电偶串，每个热电偶串上分布有3个温度测点，相邻两根所述冻结管中间设置一个热电偶串，且布置在同一个测温平面上；

位移传感器3002采用位移测杆，分别布置在所述冻结管外侧，以监测土体的冻胀和融沉位移；

压力传感器3003采用压力盒，分别布置在所述隧道模型的外侧，以监测土体冻胀和融沉对隧道产生的压力。

本实施例还提供了一种隧道水平冻结壁自然解冻期地层融沉的离心模型试验方法，包括以下步骤：

步骤一、确定几何相似准则，预制高强钢板2001、隧道模型2006、冻结管6。

具体地，根据离心机1的转速幅值(5～200g)，确定几何相似比，在本实施例中，选取几何相似比cl＝50。

预制隧道模型2006采用c40混凝土浇筑，直径为100mm(相当于原型直径为5m)，厚度为10mm(相当于原型厚度为0.5m)；冻结管6采用铜管，供液管6001直径为6mm，回液管6002直径为10mm，长度为400mm。

步骤二、模型箱安装。

具体地，模型箱2采用预制高强钢板2001拼接而成，内部净尺寸为500mm×350mm×400mm(相当于原型尺寸为25m×17.5m×20m)；在模型箱2内铺设聚四氟乙烯膜2007。

按照现场的土层分布情况在模型箱2内进行填土，填土每达到模型箱2内壁刻度线100mm进行一次振捣夯实，同时在预定位置埋设用于采集温度信息的热电偶串、用于采集位移信息的位移测杆和用于采集压力信息的压力盒；填土完成之后通过模型箱2上表面传感器安装套3将导线引入传感器线缆4，与数据存储处理设备5连接。

步骤三、冻结管安装。在模型箱2前表面钻孔，打入冻结管6。

步骤四、安装盐水冻结系统，对隧道基土2008进行静态冻结，形成设计厚度的冻结壁。

步骤五、隧道开挖及隧道模型2006安装。

具体地，拆除模型箱2前后表面的圆形钢板2003，进行隧道开挖及隧道模型2006安装。

步骤六、将模型箱2安装在离心机1的左侧吊篮上。

根据热扩散效应，采用butterfield量纲分析法建立的相似准则，离心模型的解冻时间为原型的1/n²倍，离心模型的未冻水迁移流速为原型的n倍，离心模型的系统温度为原型的1倍，离心模型的冻结壁厚度为原型的1/n倍。因此，离心模型试验中预设解冻时间为120min，预设冻结温度为-25℃，解冻温度为30℃，预设模型冻结壁厚度为20mm；相当于原型解冻时间208.3天，冻结温度为-25℃，解冻温度为30℃，冻结壁厚度为1m。

步骤七、将位移传感器3002和压力传感器3003置零，运行离心机1至预定离心加速度，进行冻结壁自然解冻；

步骤八、实时监测温度信息、位移信息、压力信息。

步骤九、实验设备拆卸。

步骤十、改变离心加速度，重复步骤三、四、五、六、七、八、九。

步骤十一、实验数据处理。

具体地，将每一根热电偶串上每个温度测点的数据绘制成温度随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点温度随时间的变化规律；将每个位移测点的数据绘制成位移随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点位移随时间的变化规律，将3个测点曲线图绘制到一起，通过对比得出，相同时刻，不同位置的融沉分布规律；将通过每一个压力盒测得的数据绘制成压力随时间变化的曲线图，通过该曲线图可以得出对应测点压力随时间的变化规律，将三个测点曲线图绘制到一起，通过对比得出，相同时刻，不同位置解冻压力的分布规律。

需要说明的是，关于该方法中涉及的各设备的描述可参见上述装置中关于各对应设备的描述，此处不再一一赘述。

综上所述，上述实施例的隧道冻结壁自然解冻期地层融沉离心模型试验装置，可以模拟现场土体的自重应力，对冻结壁进行自然解冻，为隧道水平冻结法施工地层融沉的研究提供参考依据，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。