一種模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置製造方法
2023-06-01 21:46:16
一種模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，包括模型試驗筒、泥漿加載系統、液壓系統、開挖模擬系統、製冷系統、監測系統和數據採集與控制系統，開挖模擬系統位於土試樣內，土試樣位於模型試驗筒內，泥漿加載系統、液壓系統和數據採集與控制系統均位於模型試驗筒外，監測系統的一部分監測端埋於土試樣內、另一部分監測端位於開挖模擬系統內，監測系統的輸出端與數據採集與控制系統的輸入端連接，液壓系統為開挖模擬系統提供液壓驅動力，泥漿加載系統的泥漿輸出口與模型試驗筒內壁和土試樣之間的空腔流體導通，製冷系統為土試樣凍結提供循環低溫液體。本實用新型模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置在試驗時，能夠真實地反應深立井凍結過程中凍結壁的形成及井筒開挖時井幫的位移變化情況。
【專利說明】一種模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種深立井凍結模擬裝置，特別涉及一種模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置。
【背景技術】
[0002]凍結法是在井筒開挖之前，從地面沿擬建豎井外圍一定距離的同心圓周上間隔向下鑽孔，孔底深入不透水層，然後在每個鑽孔中沉放凍結管；在地面安裝冷凍設備，用循環泵將製冷劑輸入凍結管，經製冷劑長時間連續地吸取管外的熱量，使周圍地層凍結，使之能承受水、土壓力並阻隔地下水，在它的保護下開挖地層和修築襯砌。
[0003]因此，凍結法主要適用於在鬆散不穩定的衝積層，裂隙發育的含水巖層，淤泥、鬆軟泥巖，以及飽和含水和水頭特別高的地層進行豎井工程；其是一種藉助人工製冷手段暫時加固地層和隔斷地下水的特殊施工方法。
[0004]在實際採用凍結法鑿井施工中，常需要對凍結方案進行論證優化設計，以確定最佳方案。在諸多研究方法中物理相似模擬試驗以其直觀準確的特點常作為凍結方案研究中的重要手段。這就需要在豎井凍結施工之前以特徵地層為研究對象開展相似模擬試驗，以便掌握按某種凍結方案擬凍結地層中凍結壁的形成擴展情況及井筒開挖後凍結壁受力、變形規律，為豎井工程安全施工在方案的科學合理性上夯實基礎。但是，現有技術中的模擬裝置存在如下技術缺陷:(I)試驗裝置有效試驗空間普遍不足，邊界效應與尺度效應常對試驗結果造成不利影響。(2)結構受力與試驗操作的方便性難以兼顧，部分試驗臺操作方便但結構受力不好，難以實現高壓加載。(3)對大型巖土試件模擬地壓加載存在較大困難，隔膜易損導致試驗失敗。(4)井筒開挖模擬存在較大難度，且難以對開挖後井幫的位移變形情況進行監測。
實用新型內容
[0005]針對現有技術中存在的不足，本實用新型的目的在於提供一種更大試驗空間，結構受力更合理，能夠模擬深立井高地壓環境與不同段高井筒開挖的大型模型試驗裝置，使得在深立井井筒凍結方案研究優化階段，通過相似模擬實驗獲得深井高地壓環境下凍結壁溫度場、凍結壁與未凍土整體受力情況、凍結壁穩定性、凍結壁位移、井筒支護等方面的相關信息，為深立井井筒實際施工提供有力的技術支撐。
[0006]本實用新型的技術方案是這樣實現的:一種模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，包括模型試驗筒、泥漿加載系統、液壓系統、開挖模擬系統、製冷系統、監測系統和數據採集與控制系統，開挖模擬系統位於土試樣內，土試樣位於模型試驗筒內，泥漿加載系統、液壓系統和數據採集與控制系統均位於模型試驗筒外，監測系統的一部分監測端埋於土試樣內、另一部分監測端位於開挖模擬系統內，監測系統的輸出端與數據採集與控制系統的輸入端連接，液壓系統為開挖模擬系統提供液壓驅動力，泥漿加載系統的泥漿輸出口與模型試驗筒內壁和土試樣之間的空腔流體導通，製冷系統為土試樣凍結提供循環低溫液體。[0007]上述模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，模型試驗筒包括試驗筒底座、中間筒身、上端蓋、上法蘭、下端蓋和下法蘭，下端蓋固定安裝在試驗筒底座上，下法蘭固定安裝在下端蓋上，中間筒身固定安裝在下法蘭上，上法蘭固定安裝中間筒身上，上端蓋固定安裝在上法蘭上，中間筒身、上法蘭和下法蘭均同軸焊接安裝；中間筒身上安裝有滲流液流出管，下端蓋上分別安裝有泥漿補壓管、泥漿進液管和製冷進液管，上端蓋上分別安裝有放空管、低溫液排出管和壓力檢測管；在下端蓋的中心處開設有第一臺階式安裝孔，第一臺階式安裝孔的上端孔徑大於下端孔徑，在第一臺階式安裝孔的上端安裝有下活動小端蓋，下活動小端蓋與第一臺階式安裝孔的上端孔凸凹密封配合，下端蓋下表面上固定安裝有用於封閉第一臺階式安裝孔下端開口的第一封板，下活動小端蓋上開設有內外連接測試線引線孔和低溫進液孔，製冷進液管依次穿過第一封板和下活動小端蓋上的低溫進液孔與位於模型試驗筒內的低溫進液分水器流體導通；在上端蓋的中心處開設有第二臺階式安裝孔，第二臺階式安裝孔的上端孔徑小於下端孔徑，在第二臺階式安裝孔的下端安裝有上活動小端蓋，上活動小端蓋上開設有內外連接測試線引線孔和液壓油孔，上活動小端蓋與第二臺階式安裝孔的下端孔凸凹密封配合，上端蓋上表面上固定安裝有用於封閉第二臺階式安裝孔上端開口的第二封板，低溫液排出管位於模型試驗筒內的一端與低溫回液分水器流體導通。
[0008]上述模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，上法蘭和下法蘭均採用坡口設計，即:上法蘭與上端蓋的接觸面邊緣相對於上法蘭面所在水平面向下傾斜，下法蘭與下端蓋的接觸面邊緣相對於下法蘭面所在水平面向上傾斜。
[0009]上述模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，在上端蓋與上法蘭的接觸面上以及在下端蓋與下法蘭的接觸面上均設置有密封槽，在密封槽內安裝有丁氰橡膠密封墊圈；上活動小端蓋與上端蓋之間以及下活動小端蓋與下端蓋之間設置有銅板墊圈和丁氰橡膠密封墊圈。
[0010]上述模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，中間筒身與上法蘭以及中間筒身與下法蘭均為焊接連接，上端蓋與上法蘭以及下端蓋與下法蘭均為螺栓連接；上法蘭與上端蓋的接觸面自上端蓋上的密封槽處且相對於上法蘭面所在水平面向下傾斜角度X為1.5?
2.5度，下法蘭與下端蓋的接觸面自下端蓋上的密封槽處且相對於下法蘭面所在水平面向上傾斜角度X為1.5?2.5度。
[0011]上述模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，上端蓋的上表面上以及下端蓋的下表面上均焊接有內環形肋板和外環形肋板，內環形肋板圍成的圓的直徑小於外環形肋板圍成的圓的直徑，上端蓋上的內環形肋板和外環形肋板的圓心為上端蓋的中心，下端蓋上的內環形肋板和外環形肋板的圓心為下端蓋的中心，上端蓋的中心與下端蓋的中心均在中間筒身的軸線上；在內環形肋板和外環形肋板之間以及外環形肋板外側均等角度輪輻式布置有直肋板，即:內環形肋板和外環形肋板之間沿徑向均勻焊接有12根直肋板，外環形肋板的外側沿徑向均勻焊接有24根直肋板。
[0012]上述模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，泥漿加載系統包括泥漿攪拌桶、泥漿泵和電機伺服泥漿加載單元，泥漿泵的泥漿輸入端與泥漿攪拌桶流體導通，泥漿泵的泥漿輸出端與泥漿進液管流體導通，電機伺服泥漿加載單元的控制信號輸入端與PLC的控制信號輸出端連接；製冷系統包括低溫槽、循環泵、低溫進液分水器、低溫回液分水器和模型凍結管，低溫槽的低溫液出口與循環泵的低溫液入口流體導通，循環泵的低溫液出口與製冷進液管流體導通，製冷進液管與低溫進液分水器流體導通，低溫進液分水器埋在土試樣內且位於土試樣底部，模型凍結管的下端與低溫進液分水器流體導通，模型凍結管的上端貫穿土試樣並與低溫回液分水器流體導通，低溫回液分水器的低溫回液出口與低溫液排出管流體導通；監測系統包括溫度傳感器、土壓力傳感器、孔隙水壓傳感器和位移傳感器，土壓力傳感器、孔隙水壓傳感器和一部分溫度傳感器分別埋在土試樣內，位移傳感器和另一部分溫度傳感器位於開挖模擬系統內；數據採集與控制系統包括數據採集器和PC機，數據採集器的數據輸出端與PC機的數據輸入端連接，溫度傳感器、土壓力傳感器、孔隙水壓傳感器和位移傳感器的測試引線穿過上活動小端蓋上的內外連接測試線引線孔與數據採集的數據輸入端連接。
[0013]上述模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，開挖模擬系統包括支撐架、回縮護筒、開挖伸縮筒和驅動機構，回縮護筒的下端為開口端、上端為封閉端，支撐架的上端自回縮護筒的開口端伸入到回縮護筒內，並且支撐架的上端與回縮護筒固定連接；驅動機構與開挖伸縮筒驅動連接，開挖伸縮筒的上端套裝在回縮護筒內並可在回縮護筒內做上下往復運動，開挖伸縮筒的外壁與回縮護筒的內壁密封配合；支撐架包括開挖系統底座和一端固定安裝在開挖模擬系統底座上的支撐柱，支撐柱的頂端與回縮護筒的上端封蓋固定連接；驅動機構為安裝在回縮護筒與開挖伸縮筒之間形成的空腔內的動作油缸，動作油缸具有缸筒和活塞杆，缸筒遠離活塞杆的一端與上端封蓋固定連接，活塞杆遠離缸筒的一端與伸縮筒託架固定連接，伸縮筒託架與開挖伸縮筒固定連接。
[0014]上述模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，伸縮筒託架為一個帶狀板，帶狀板的兩端分別固定安裝在開挖伸縮筒的內壁上；缸筒外表面上固定安裝有傳感器託架立杆，傳感器託架立杆的上端與缸筒外表面固定連接，傳感器託架立杆的下端自缸筒向下延伸至小於或等於活塞杆自由端向下的最大行程，在傳感器託架立杆上自下而上分別安裝有傳感器託架，每個傳感器託架上均安裝有位移傳感器；開挖伸縮筒的外壁與回縮護筒的內壁之間設置有筒間密封膠圈；在開挖伸縮筒與回縮護筒之間的空腔內還分別設置有溫度傳感器和小型微光照明數碼攝像頭；溫度傳感器、位移傳感器和小型微光照明數碼攝像頭的測試引線自回縮護筒的封閉端引出；開挖伸縮筒下端端面與開挖系統底座上的臺階面密封配合，並且開挖伸縮筒下端端面與開挖系統底座上的臺階面之間設置有底座密封膠圈，臺階面位於開挖系統底座的上表面下方的水平面上；推出動作油管穿過回縮護筒的封閉端與動作油缸的活塞腔流體導通，回縮動作油管穿過回縮護筒的封閉端與動作油缸的活塞杆腔流體導通。
[0015]本實用新型的有益效果是:本實用新型的技術方案使得在深立井井筒凍結開挖之前能夠對凍結開挖施工過程進行相似模擬，進而獲得深立井高地壓環境下凍結壁溫度場、凍結壁與未凍土整體受力情況、凍結壁穩定性、凍結壁位移、井筒支護等方面的相關信息，為深立井井筒的實際開挖施工提供可靠的依據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型中的開挖模擬系統處於回縮狀態的結構示意圖。
[0017]圖2為圖1所示的開挖模擬系統的A-A剖面結構示意圖。
[0018]圖3為本實用新型中的開挖模擬系統處於推出狀態的結構示意圖。[0019]圖4為圖2所示的開挖模擬系統的B-B剖面結構示意圖。
[0020]圖5為本實用新型模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置的原理圖。
[0021]圖6為本實用新型模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置的模型試驗筒的內部結構不意圖。
[0022]圖7為圖6所示模型試驗筒的上端蓋的上表面上以及下端蓋的下表面的結構示意圖。
[0023]圖8為上、下法蘭的結構示意圖。
[0024]圖9為圖8所示上、下法蘭的局部放大結構示意圖。
[0025]圖中:100-模型試驗筒，200-泥漿加載系統，300-液壓系統，400-製冷系統，500-數據採集與控制系統。
[0026]1-測試引線，2-推出動作油管，3-回縮動作油管，4-溫度傳感器，5-位移傳感器，6-支撐柱，7-回縮護筒，8-筒間密封膠圈，9-小型微光照明數碼攝像頭，10-伸縮筒託架，11-開挖系統底座，12-底座密封膠圈，13-位移傳感器頂槓，14-外挖面，15-傳感器託架立杆，16-傳感器託架，17- 土試樣，18-開挖伸縮筒，19-活塞杆，20-缸筒，21-試驗筒底座，22-中間筒身，23-上端蓋，24-上法蘭，25-下端蓋，26-下法蘭，27-泥漿補壓管，28-泥漿進液管，29-製冷進液管，30-放空管，31-低溫液排出管，32-壓力檢測管，33-下活動小端蓋，34-第-封板,35-上活動小端蓋，36-第二封板,37- 丁臆橡I父密封墊圈，38-內環形肋板，39-外環形肋板，40-直肋板，41-電機伺服泥漿加載單元，42-低溫槽，43-循環泵，44-低溫進液分水器，45-低溫回液分水器，46-模型凍結管，47-計算機，48-土壓力傳感器，49-泥漿，50-製冷液，51-空氣或泥漿，52-壓力表座，53-泥漿壓力傳感器，54-低溫液，55-滲流液流出管，56- 土壓力傳感器，57-孔隙水壓傳感器，58-液壓站，59-數據採集器，60-尼龍網，61-膨潤土膠泥，62-孔隙水壓傳感器。
【具體實施方式】
[0027]如圖5所示，本實施例模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置包括模型試驗筒100、泥漿加載系統200、液壓系統300、開挖模擬系統、製冷系統400、監測系統和數據採集與控制系統500,開挖模擬系統位於土試樣17內，土試樣17位於模型試驗筒100內，泥眾加載系統200、液壓系統300和數據採集與控制系統500均位於模型試驗筒100外，監測系統的一部分監測端埋於土試樣17內、另一部分監測端位於開挖模擬系統內，監測系統的輸出端與數據採集與控制系統500的輸入端連接，液壓系統300為開挖模擬系統提供液壓驅動力，泥漿加載系統200的泥漿輸出口與模型試驗筒100內壁和土試樣17之間的空腔流體導通，製冷系統400為土試樣17凍結提供循環低溫液體。
[0028]如圖6所示，模型試驗筒包括試驗筒底座21、中間筒身22、上端蓋23、上法蘭24、下端蓋25和下法蘭26，下端蓋25固定安裝在試驗筒底座21上，下法蘭26固定安裝在下端蓋25上，中間筒身22固定安裝在下法蘭26上，上法蘭24固定安裝中間筒身22上，上端蓋23固定安裝在上法蘭24上，中間筒身22、上法蘭24和下法蘭26均同軸焊接安裝；中間筒身22上安裝有滲流液流出管55，下端蓋25上分別安裝有泥漿補壓管27、泥漿進液管28和製冷進液管29，上端蓋23上分別安裝有放空管30、低溫液排出管31和壓力檢測管32 ;在下端蓋25的中心處開設有第一臺階式安裝孔，第一臺階式安裝孔的上端孔徑大於下端孔徑，在第一臺階式安裝孔的上端安裝有下活動小端蓋33，下活動小端蓋33與第一臺階式安裝孔的上端孔凸凹密封配合，下端蓋25下表面上固定安裝有用於封閉第一臺階式安裝孔下端開口的第一封板34，下活動小端蓋33上開設有內外連接測試線引線孔和低溫進液孔，製冷進液管依次穿過第一封板34和下活動小端蓋上33的低溫進液孔與位於模型試驗筒內的低溫進液分水器44流體導通；在上端蓋13的中心處開設有第二臺階式安裝孔，第二臺階式安裝孔的上端孔徑小於下端孔徑，在第二臺階式安裝孔的下端安裝有上活動小端蓋35，上活動小端蓋35上開設有內外連接測試線引線孔和液壓油孔，上活動小端蓋35與第二臺階式安裝孔的下端孔凸凹密封配合，上端蓋33上表面上固定安裝有用於封閉第二臺階式安裝孔上端開口的第二封板36，低溫液排出管31位於模型試驗筒內的一端與低溫回液分水器16流體導通。在上端蓋23與上法蘭24的接觸面上以及在下端蓋25與下法蘭24的接觸面上均設置有密封槽，在密封槽內安裝有丁氰橡膠密封墊圈37 ;如圖8和圖9所示，本實施例中的上法蘭24和下法蘭26均採用坡口設計，即:上法蘭24與上端蓋23的接觸面自上端蓋23上的密封槽處且相對於上法蘭面所在水平面向下傾斜角度X為2度，下法蘭26與下端蓋25的接觸面自下端蓋上的密封槽處且相對於下法蘭面所在水平面向上傾斜角度X為2度。上活動小端蓋35與上端蓋23之間以及下活動小端蓋33與下端蓋25之間設置有銅板墊圈和丁氰橡膠密封墊圈37。中間筒身22與上法蘭24以及中間筒身22與下法蘭26均為焊接連接，上端蓋23與上法蘭24以及下端蓋25與下法蘭26均為螺栓連接。
[0029]如圖7所示，上端蓋23的上表面上以及下端蓋25的下表面上均焊接有內環形肋板38和外環形肋板39，內環形肋板38圍成的圓的直徑小於外環形肋板39圍成的圓的直徑，上端蓋23上的內環形肋板38和外環形肋板39的圓心為上端蓋23的中心，下端蓋上25的內環形肋板38和外環形肋板39的圓心為下端蓋25的中心，上端蓋23的中心與下端蓋25的中心均在中間筒身22的軸線上；在內環形肋板38和外環形肋板39之間以及外環形肋板39外側均等角度輪輻式布置有直肋板40，S卩:內環形肋板38和外環形肋板39之間沿徑向均勻焊接有12根直肋板40，外環形肋板39的外側沿徑向均勻焊接有24根直肋板40。
[0030]如圖5和圖6所示，泥漿加載系統200包括泥漿攪拌桶、泥漿泵43和電機伺服泥漿加載單元41，泥漿泵43的泥漿輸入端與泥漿攪拌桶流體導通，泥漿泵的泥漿輸出端與泥漿進液管28流體導通，電機伺服泥漿加載單元41的控制信號輸入端與PLC的控制信號輸出端連接；製冷系統包括低溫槽42、循環泵43、低溫進液分水器44、低溫回液分水器45和模型凍結管46，低溫槽42的低溫液出口與循環泵43的低溫液入口流體導通，循環泵43的低溫液出口與製冷進液管29流體導通，製冷進液管29與低溫進液分水器44流體導通，低溫進液分水器44埋在土試樣17內且位於土試樣17底部，模型凍結管46的下端與低溫進液分水器44流體導通，模型凍結管46的上端貫穿土試樣17並與低溫回液分水器45流體導通，低溫回液分水器45的低溫回液出口與低溫液排出管31流體導通；監測系統包括溫度傳感器4、土壓力傳感器、孔隙水壓傳感器和位移傳感器5，土壓力傳感器48、孔隙水壓傳感器62和一部分溫度傳感器4埋在土試樣17內，位移傳感器5和另一部分溫度傳感器4位於開挖模擬系統內；數據採集與控制系統500包括數據採集器和PC機，數據採集器的數據輸出端與PC機的數據輸入端連接，溫度傳感器4、土壓力傳感器、孔隙水壓傳感器和位移傳感器5的測試引線I穿過上活動小端蓋35上的內外連接測試線引線孔與數據採集的數據輸入端連接。[0031]如圖1至圖4所示，開挖模擬系統包括支撐架、回縮護筒7、開挖伸縮筒18和驅動機構，回縮護筒7的下端為開口端、上端為封閉端，支撐架的上端自回縮護筒7的開口端伸入到回縮護筒7內，並且支撐架的上端與回縮護筒7固定連接；驅動機構與開挖伸縮筒18驅動連接，開挖伸縮筒18的上端套裝在回縮護筒7內並可在回縮護筒7內做上下往復運動，開挖伸縮筒18的外壁與回縮護筒7的內壁密封配合。在本實施例開挖模擬系統中:(a)支撐架包括開挖系統底座11和一端固定安裝在開挖系統底座11上的支撐柱6，支撐柱6的頂端與回縮護筒7的上端封蓋固定連接，支撐柱8為本試驗裝置的主要受力結構，用於支撐本實驗裝置的自身荷載及試驗土體17上表面施加的面荷載；(b)驅動機構為安裝在回縮護筒7與開挖伸縮筒18之間形成的空腔內的動作油缸，動作油缸具有缸筒20和活塞杆19，缸筒20遠離活塞杆19的一端與上端封蓋固定連接,活塞杆19遠離缸筒的一端與伸縮筒託架10固定連接，伸縮筒託架10與開挖伸縮筒18固定連接，伸縮筒託架10可將活塞動作同步傳遞到開挖伸縮筒18 ； (c)本實施例中的伸縮筒託架10為一個帶狀板，帶狀板的兩端分別固定安裝在開挖伸縮筒18的內壁上；(d)缸筒20外表面上固定安裝有傳感器託架立杆15,用於固定位移傳感器5、小型微光照明數碼攝像頭9和溫度傳感器4，傳感器託架立杆15的上端與缸筒20外表面固定連接，傳感器託架立杆15的下端自缸筒20向下延伸至大於或等於活塞杆19的自由端向下的最大行程，在傳感器託架立杆15上自下而上分別安裝有傳感器託架16,每個傳感器託架16上均安裝有位移傳感器5,位移傳感器5在傳感器託架立杆15上的位置可以手動調節，這樣可準確控制活塞杆19伸出、回縮的位移量；(e)開挖伸縮筒18的外壁與回縮護筒7的內壁之間設置有筒間密封膠圈8 ； (f)溫度傳感器4、位移傳感器5和小型微光照明數碼攝像頭9的測試引線I自回縮護筒7的封閉端引出；(g)開挖伸縮筒18下端端面與開挖系統底座11上的臺階面密封配合，並且開挖伸縮筒18下端端面與開挖系統底座11上的臺階面之間設置有底座密封膠圈12，臺階面位於開挖系統底座11的上表面下方的水平面上；(h)推出動作油管2穿過回縮護筒7的封閉端與動作油缸的活塞腔流體導通，回縮動作油管3穿過回縮護筒7的封閉端與動作油缸的活塞杆腔流體導通。
[0032]在進行試驗之前，應將開挖模擬系統按照以下步驟進行安裝:(a)分別連接推出與回縮動作臨時油管，將試驗裝置開挖伸縮筒18縮回至回縮護筒7內；(b)根據模擬開挖段高調整試驗裝置內傳感器託架立杆15延伸長度及各傳感器的位置關係，調整位移傳感器頂槓13伸出長度，調整攝像頭拍攝角度；(c)將開挖伸縮筒18推出，使之與開挖系統底座11穩定接觸；⑷在開挖伸縮筒18外壁表面塗刷一道凡士林；(e)拆除臨時油管；⑴將調整好的試驗裝置吊裝至模型試驗筒內，埋置在試驗土體17內，將周邊土體夯實；(g)將試驗裝置的推出動作油管2和回縮動作油管3通過模型試驗筒轉接口與外部油管連接、各類測試線纜也通過模型試驗筒轉接口引出模型試驗筒外；(h)實驗裝置安裝完成。
[0033]本實施例試驗裝置按照上述步驟安裝完成之後，可按照如下試驗步驟進行試驗:(a)井筒開挖模擬前，設置井筒開挖段高和開挖速度，並根據井筒開挖段高和開挖速度設定試驗裝置的開挖伸縮筒18回縮長度、速度及相應進油量。(b)模型試驗進入井筒開挖模擬環節時，當開始開挖時，試驗裝置會自動開啟回縮油管閥門，液壓油通過回縮動作油管3進入動作油缸的活塞杆腔，活塞杆19開始按照預先設置的參數完成回縮動作，進而通過伸縮筒託架10帶動開挖伸縮筒18向上運動而回縮至回縮護筒7內。(c)位移傳感器5頂槓隨著開挖伸縮筒18的回縮會依次彈出並碰觸土體開挖面，自動記錄開挖面側向位移情況。(d)溫度傳感器4會自動記錄開挖面的溫度情況。(e)小型微光照明數碼攝像頭9將會實時採集並傳回開挖面的變形影像。
[0034]本實施例模擬立井井筒開挖的試驗裝置在工作時:利用支撐柱6作為受力結構，動作油缸通過伸縮筒託架10帶動開挖伸縮筒18動作，開挖模擬裝置埋置於試驗土體17內，通過開挖伸縮筒18回縮模擬井筒開挖，可通過固定在裝置內的位移傳感器5測量開挖面的位移變形，還可測量開挖面的溫度，並可通過小型微光照明數碼攝像頭9實時顯示開挖面的變形情況。
[0035]本實施例的模擬立井井筒開挖的試驗裝置具有如下優點:可實現高壓密閉條件下對井筒開挖進行模擬；能精確控制開挖段高；能自動測量開挖面的側向變形；可實時傳回開挖面變形圖像；可用於開展深井高地壓環境下凍結壁溫度場、凍結壁與未凍土整體受力情況、凍結壁穩定與變形、凍結壁位移、井筒支護等方面的科學試驗研究。
[0036]本實施例模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置中:上端蓋23與上法蘭24之間以及下端蓋25與下法蘭26之間的採用高強螺栓連接，上下各布置64根M64的高強螺栓。上端蓋23與上法蘭24之間以及下端蓋25與下法蘭26之間的連接面採用密封設計，上、下法蘭採用了坡口設計，以避免上、下端蓋在內壓作用下變形翹曲引發的密封失效；如圖8和圖9所示，本實施例中上法蘭24與上端蓋23的接觸面自上端蓋23上的密封槽處且相對於上法蘭面所在水平面向下傾斜角度X為2度，下法蘭26與下端蓋25的接觸面自下端蓋上的密封槽處且相對於下法蘭面所在水平面向上傾斜角度X為2度，在內壓為8兆帕的時候，上法蘭24與上端蓋23之間以及下法蘭26與下端蓋25仍然密封良好，沒有滲漏發生。下端蓋25設有模具筒定位塊，以便在模具筒安裝時對其進行定位。溫度傳感器4採用銅-康銅熱電偶；土壓力傳感器56採用電阻應變式微型土壓力傳感器，孔隙水壓力傳感器57採用電阻應變式微型孔隙水壓力傳感器；位移傳感器5採用磁致伸縮式位移傳感器。
[0037]本實施例模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置的組裝步驟如下:
[0038](I)將低溫進液分水器44安裝在下活動小端蓋33上，然後將下活動小端蓋33安裝在下端蓋25上，擰緊下活動小端蓋33緊固螺栓；
[0039](2)將製冷進液管29 (鹽水高壓膠管管路)連接至下活動小端蓋33上的下進液孔，低溫進液分水器44出口連接鋼絲軟管，鋼絲軟管外套Φ 32鋼管做抗壓保護；
[0040](3)安裝對開模具筒，將模具筒置於下端蓋25上，抵緊模具筒定位塊，在對開模具筒內壁上刷塗隔離劑；
[0041](4)採用底卸式料桶裝土，龍門起重機提吊料桶轉運至模具筒，均勻卸土，用液壓夯實機逐層夯實；
[0042](5)模具筒內土體高度至安裝模型凍結管46位置時，停止裝土，吊裝模型凍結管46，準確定位各模型凍結管46，連接配液圈與鋼絲軟管；
[0043](6)繼續向模具筒內填土,手工夯實模型凍結管46之間的土體,在土試樣17特定深度及特定位置(根據試驗需要具體選擇和設定)安放溫度傳感器4、土壓力傳感器56和孔隙水壓力傳感器57，夯實過程中應儘可能保證傳感器位置不動，仔細整理傳感器引線，逐層向上引出，夯實過程中避免破壞引線；
[0044](7)當填土至開挖模擬系統安裝深度時，將開挖模擬系統吊裝至土體中心位置，並仔細校核位置。開挖伸縮筒外壁塗抹隔離劑，然後在開挖模擬系統周邊填土夯實使之固定。[0045](8)繼續填土、分層夯實、布置傳感器，直至填土與模型凍結管46上部集液圈齊平，連接集液圈與低溫回液分水器45。
[0046](9)拆除對開模具筒連接螺栓，用螺旋千斤頂將對開模具筒頂開，用龍門起重機將模具筒吊離，起吊中小心操作避免碰觸土試樣；
[0047](10)在脫模后土試樣17周圍及頂面包裹兩層膨潤土防滲毯(圖5中未示出)，搭接處用膨潤土膠泥粘接，在膨潤土防滲毯外用打包帶將土試樣17紮緊；
[0048](11)在膨潤土防滲毯外塗抹一層膨潤土膠泥61，纏繞兩層網孔大於或等於40目的尼龍網60，打包帶紮緊，在尼龍網外再塗抹一層膨潤土膠泥61 ;膨潤土防滲毯的防滲作用極大降低了進入試樣土體中的水量，而且，進入的少量水份也不足以對試樣構成影響，因此可方便的實現對土試樣17的整體高壓加載；膨潤土防滲毯的柔性大，能夠拉伸，對付變形能力強；如果試驗土樣在加載泥漿壓力下發生較大的變形或不均勻的變形，膨潤土防滲毯也能夠完全自適應，不會發生破裂或滲漏，確保加載泥漿及水份不會進入試驗土樣內；即使在極端條件下膨潤土防滲毯有破損，由於在膨潤土防滲毯外層有膨潤土膠泥61且兩層膨潤土膠泥61之間有尼龍網60，在破損處隨著泥漿的失水，泥膜沉積將越來越厚，而且膨潤土膠泥塗層的存在也加速了泥膜的形成，因而可以很好地防止加載泥漿中水份進入試驗土樣；由於膨潤土防滲毯具有很強自修復能力的特殊性質，使得該方法不僅適用於表面相對光滑的小試件和大試件，還適用於具有較大壓縮變形量的大試件以及壓縮時發生不均勻變形的試件。
[0049](12)將各類測試引線1、推出動作油管2、回縮動作油管3、低溫液排出管31從膨潤土防滲毯開孔處引出，並用膨潤土膠泥將防滲毯開孔處粘接壓實；
[0050](13)清理下端蓋25上的密封槽內土屑，安裝丁氰橡膠密封墊圈37，龍門起重機平穩起吊試驗筒體(上法蘭24、中間筒身22和下法蘭26焊接在一起)，對正土試樣17，緩慢降低試驗筒體，試驗筒體下落過程儘量不磕碰土試樣17，試驗筒體將近接觸下端蓋25時，使試驗筒體法蘭螺栓孔與下端蓋25螺栓孔對正，插入4?6根大螺栓，然後將試驗筒體直接落到位。
[0051](14)在土試樣17中間位置安裝上活動小端蓋35，將各類測試引線1、推出動作油管2、回縮動作油管3及測試引線I通過上活動小端蓋35上的油管連接孔和引線孔引出，向引線管澆築環氧樹脂並固化，完成引線孔密封；
[0052](15)吊裝上端蓋23，對正低溫液排出管31和上活動小端蓋35，緩慢下落上端蓋23，並對正試驗筒體螺栓孔，固定上活動小端蓋35，安裝並連接低溫液排出管31法蘭；
[0053](16)安裝上、下端蓋全部法蘭螺栓，將其餘螺栓插入螺栓孔並旋上螺母，先手動緊固，然後採用螺栓拉伸器四點對稱同步拉伸四條螺栓，手動旋緊螺母，依次輪流對每個螺栓採取相同操作，在緊固螺栓過程中，應採取三輪擰緊方式，即每個螺栓需進行三次拉伸，達到試驗筒體與端蓋的可靠連接；
[0054](17)將泥漿進液管28連接至下端蓋25的泥漿進液口快速接頭，並鎖緊；
[0055](18)用製冷進液管29將低溫進液分水器44與低溫槽42進行連接；
[0056](19)用高壓油管將推出動作油管2和回縮動作油管3與液壓站58連接；
[0057](20)將各類傳感器的測試引線I與數據採集器59連接；
[0058](21)安裝上端蓋23、放空閥及放空管30，安裝泥漿壓力傳感器53。[0059](22)將裝置上的剩餘備用法蘭接口用盲法蘭封閉。
[0060]利用本實施例大型模型試驗裝置模擬深立井凍結試驗步驟如下:
[0061](I)配置膨潤土泥漿；
[0062](2)設定低溫槽42內的製冷液溫度，啟動低溫槽42 ；
[0063](3)啟動數據採集與控制系統500 ；
[0064](4)設定試驗壓力，打開放空閥、進液閥，關閉補壓閥，開啟高壓泥漿泵，向試驗筒體內注入泥漿，直至放空管連續溢出泥漿後，關閉放空閥；
[0065](5)利用高壓泥眾泵向試驗筒內注眾加壓，分0.5Mpa、lMpa、2Mpa、4Mpa和設計試驗壓力5個等級逐次順序加載，直至壓力穩定，關閉進液閥，關閉高壓泥漿泵，
[0066](6)啟動PLC控制系統，打開補壓閥，PLC自動採集試驗筒體內壓力數據，如壓力不足則自動開啟電機伺服加載單元41，進行系統加壓，壓力達到設定壓力則自動關閉電機伺服加載單元41，進行壓力保持；
[0067](7)打開製冷液進液閥和回液閥，啟動循環泵43，開始井筒凍結模擬；
[0068](8)當井筒凍結轉入開挖環節時，開啟液壓站，井筒開挖模擬前，設置井筒開挖段高和開挖速度，並根據井筒開挖段高和開挖速度設定開挖模擬系統的開挖伸縮筒回縮長度、速度及相應進油量；
[0069](9)開挖模擬系統進入井筒開挖模擬環節時，開啟回縮動作油管閥門，液壓油通過回縮動作油管3進入動作油缸，動作油缸開始按照井筒開挖段高和開挖速度完成回縮動作。
[0070](10)位移傳感器5頂槓隨著開挖伸縮筒18的回縮會依次彈出並碰觸土體開挖面，自動記錄開挖面側向位移情況。
[0071](11)溫度傳感器4會自動記錄開挖面的溫度情況。
[0072](12)小型微光照明數碼攝像頭9將會實時採集並傳回開挖面的變形影像。
[0073](13)繼續試驗，直至試驗結束，保存全部試驗數據。
[0074]上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型創造所作的舉例，而並非對本實用新型創造【具體實施方式】的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本實用新型創造權利要求的保護範圍之中。
【權利要求】
1.一種模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，其特徵在於，包括模型試驗筒、泥漿加載系統、液壓系統、開挖模擬系統、製冷系統、監測系統和數據採集與控制系統，開挖模擬系統位於土試樣內，土試樣位於模型試驗筒內，泥漿加載系統、液壓系統和數據採集與控制系統均位於模型試驗筒外，監測系統的一部分監測端埋於土試樣內、另一部分監測端位於開挖模擬系統內，監測系統的輸出端與數據採集與控制系統的輸入端連接，液壓系統為開挖模擬系統提供液壓驅動力，泥漿加載系統的泥漿輸出口與模型試驗筒內壁和土試樣之間的空腔流體導通，製冷系統為土試樣凍結提供循環低溫液體。
2.根據權利要求1所述的模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，其特徵在於，模型試驗筒包括試驗筒底座、中間筒身、上端蓋、上法蘭、下端蓋和下法蘭，下端蓋固定安裝在試驗筒底座上，下法蘭固定安裝在下端蓋上，中間筒身固定安裝在下法蘭上，上法蘭固定安裝中間筒身上，上端蓋固定安裝在上法蘭上，中間筒身、上法蘭和下法蘭均同軸焊接安裝；中間筒身上安裝有滲流液流出管，下端蓋上分別安裝有泥漿補壓管、泥漿進液管和製冷進液管，上端蓋上分別安裝有放空管、低溫液排出管和壓力檢測管；在下端蓋的中心處開設有第一臺階式安裝孔，第一臺階式安裝孔的上端孔徑大於下端孔徑，在第一臺階式安裝孔的上端安裝有下活動小端蓋，下活動小端蓋與第一臺階式安裝孔的上端孔凸凹密封配合，下端蓋下表面上固定安裝有用於封閉第一臺階式安裝孔下端開口的第一封板，下活動小端蓋上開設有內外連接測試線引線孔和低溫進液孔，製冷進液管依次穿過第一封板和下活動小端蓋上的低溫進液孔與位於模型試驗筒內的低溫進液分水器流體導通；在上端蓋的中心處開設有第二臺階式安裝孔，第二臺階式安裝孔的上端孔徑小於下端孔徑，在第二臺階式安裝孔的下端安裝有上活動小端蓋，上活動小端蓋上開設有內外連接測試線引線孔和液壓油孔，上活動小端蓋與第二臺階式安裝孔的下端孔凸凹密封配合，上端蓋上表面上固定安裝有用於封閉第二臺階式安裝孔上端開口的第二封板，低溫液排出管位於模型試驗筒內的一端與低溫回液分水器流體導通。
3.根據權利要求2所述的模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，其特徵在於，上法蘭和下法蘭均採用坡口設計，即:上法蘭與上端蓋的接觸面邊緣相對於上法蘭面所在水平面向下傾斜，下法蘭與下端蓋的接觸面邊緣相對於下法蘭面所在水平面向上傾斜。
4.根據權利要求3所述的模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，其特徵在於，在上端蓋與上法蘭的接觸面上以及在下端蓋與下法蘭的接觸面上均設置有密封槽，在密封槽內安裝有丁氰橡膠密封墊圈；上活動小端蓋與上端蓋之間以及下活動小端蓋與下端蓋之間設置有銅板墊圈和丁氰橡膠密封墊圈。
5.根據權利要求4所述的模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，其特徵在於，中間筒身與上法蘭以及中間筒身與下法蘭均為焊接連接，上端蓋與上法蘭以及下端蓋與下法蘭均為螺栓連接；上法蘭與上端蓋的接觸面自上端蓋上的密封槽處且相對於上法蘭面所在水平面向下傾斜角度X為1.5~2.5度，下法蘭與下端蓋的接觸面自下端蓋上的密封槽處且相對於下法蘭面所在水平面向上傾斜角度X為1.5~2.5度。
6.根據權利要求3所述的模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，其特徵在於，上端蓋的上表面上以及下端蓋的下表面上均焊接有內環形肋板和外環形肋板，內環形肋板圍成的圓的直徑小於外環形肋板`圍成的圓的直徑，上端蓋上的內環形肋板和外環形肋板的圓心為上端蓋的中心，下端蓋上的內環形肋板和外環形肋板的圓心為下端蓋的中心，上端蓋的中心與下端蓋的中心均在中間筒身的軸線上；在內環形肋板和外環形肋板之間以及外環形肋板外側均等角度輪輻式布置有直肋板，即:內環形肋板和外環形肋板之間沿徑向均勻焊接有12根直肋板，外環形肋板的外側沿徑向均勻焊接有24根直肋板。
7.根據權利要求2-6任一所述的模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，其特徵在於，泥漿加載系統包括泥漿攪拌桶、泥漿泵和電機伺服泥漿加載單元，泥漿泵的泥漿輸入端與泥漿攪拌桶流體導通，泥漿泵的泥漿輸出端與泥漿進液管流體導通，電機伺服泥漿加載單元的控制信號輸入端與PLC的控制信號輸出端連接；製冷系統包括低溫槽、循環泵、低溫進液分水器、低溫回液分水器和模型凍結管，低溫槽的低溫液出口與循環泵的低溫液入口流體導通，循環泵的低溫液出口與製冷進液管流體導通，製冷進液管與低溫進液分水器流體導通，低溫進液分水器埋在土試樣內且位於土試樣底部，模型凍結管的下端與低溫進液分水器流體導通，模型凍結管的上端貫穿土試樣並與低溫回液分水器流體導通，低溫回液分水器的低溫回液出口與低溫液排出管流體導通；監測系統包括溫度傳感器、土壓力傳感器、孔隙水壓傳感器和位移傳感器，土壓力傳感器、孔隙水壓傳感器和一部分溫度傳感器分別埋在土試樣內，位移傳感器和另一部分溫度傳感器位於開挖模擬系統內；數據採集與控制系統包括數據採集器和PC機，數據採集器的數據輸出端與PC機的數據輸入端連接，溫度傳感器、土壓力傳感器、孔隙水壓傳感器和位移傳感器的測試引線穿過上活動小端蓋上的內外連接測試線引線孔與數據採集的數據輸入端連接。
8.根據權利要求1-6任一所述的模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，其特徵在於，開挖模擬系統包括支撐架、回縮護筒、開挖伸縮筒和驅動機構，回縮護筒的下端為開口端、上端為封閉端，支撐架的上端自回縮護筒的開口端伸入到回縮護筒內，並且支撐架的上端與回縮護筒固定連接；驅動機構與開挖伸縮筒驅動連接，開挖伸縮筒的上端套裝在回縮護筒內並可在回縮護筒內做上下往復運動，開挖伸縮筒的外壁與回縮護筒的內壁密封配合；支撐架包括開挖系統底座和一端固定安裝在開挖系統底座上的支撐柱，支撐柱的頂端與回縮護筒的上端封蓋固定連接；驅動機構為安裝在回縮護筒與開挖伸縮筒之間形成的空腔內的動作油缸，動作油缸具有缸筒和活塞杆，缸筒遠離活塞杆的一端與上端封蓋固定連接，活塞杆遠離缸筒的一端與伸縮`筒託架固定連接，伸縮筒託架與開挖伸縮筒固定連接。
9.根據權利要求8所述的模擬深立井凍結的大型模型試驗裝置，其特徵在於，伸縮筒託架為一個帶狀板，帶狀板的兩端分別固定安裝在開挖伸縮筒的內壁上；缸筒外表面上固定安裝有傳感器託架立杆，傳感器託架立杆的上端與缸筒外表面固定連接，傳感器託架立杆的下端自缸筒向下延伸至小於或等於活塞杆自由端向下的最大行程，在傳感器託架立杆上自下而上分別安裝有傳感器託架，每個傳感器託架上均安裝有位移傳感器；開挖伸縮筒的外壁與回縮護筒的內壁之間設置有筒間密封膠圈；在開挖伸縮筒與回縮護筒之間的空腔內還分別設置有溫度傳感器和小型微光照明數碼攝像頭；溫度傳感器、位移傳感器和小型微光照明數碼攝像頭的測試引線自回縮護筒的封閉端引出；開挖伸縮筒下端端面與開挖系統底座上的臺階面密封配合，並且開挖伸縮筒下端端面與開挖系統底座上的臺階面之間設置有底座密封膠圈，臺階面位於開挖系統底座的上表面下方的水平面上；推出動作油管穿過回縮護筒的封閉端與動作油缸的活塞腔流體導通，回縮動作油管穿過回縮護筒的封閉端與動作油缸的活塞杆腔流體導通。
【文檔編號】E21B49/00GK203626831SQ201320792098
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】劉志強, 寧方波, 李方政, 徐兵壯, 于濤, 張鑫, 徐樹林, 張雲利, 左永江, 葉玉西, 李寧, 崔建軍, 高偉, 陳紅蕾 申請人:北京中煤礦山工程有限公司, 山東科技大學