一种模拟人工冻结阻渗的实验系统及其试验方法

1.本发明涉及冻结试验技术领域，特别是涉及一种模拟人工冻结阻渗的实验系统及其试验方法。


背景技术：

2.人工地层冻结法因其形成的冻土帷幕具有阻渗性好、强度高、抗变形能力强等特点而被广泛应用于富水软土地层的工程中。通过了解不同渗流速度下冻结壁发育形态以及渗透系数可系统地认知冻结法。
3.如申请公布号为cn105092578a、申请公布日为2015.11.25的中国发明专利申请公开了一种冻土中水分迁移过程追踪装置及其实验方法，具体公开了装置包括土样槽、上冷浴板和下冷浴槽，土样槽由有机玻璃宽板、有机玻璃窄板和下冷浴板组成，下冷浴板可连接外置马氏补水瓶模拟地下水补给，上冷浴板上设有冷冻液的进口和出口，下冷浴槽由有机玻璃板槽、蛇形铜管组成。先将荧光剂、水和土的混合料填充于土样槽内，然后将土样槽置于下冷浴槽内，上冷浴板置于土体的顶部，下冷浴板连接马氏补水瓶。
4.现有技术中的冻土中水分迁移过程追踪装置在实验过程中，上冷浴板和下冷浴槽分别连接外部降温装置为土体单向降温，利用荧光剂和紫外灯可追踪土体冻结过程中的水分迁移过程。
5.但是，现有装置及方法难以灵活地调控人工冻结参数，不能准确地获知人工冻结壁的形态特征，从而无法有效评价不同冻结参数下冻结壁阻渗性随渗透历时的变化关系。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种模拟人工冻结阻渗的实验系统及其试验方法，以解决现有装置及方法难以灵活地调控人工冻结参数，不能准确地获知人工冻结壁的形态特征，无法有效评价不同冻结参数下冻结壁阻渗性随渗透历时的变化关系的问题。
7.本发明的模拟人工冻结阻渗的实验系统的技术方案为：
8.模拟人工冻结阻渗的实验系统包括渗透试验装置、低温冷浴装置和冻结壁监测系统，所述低温冷浴装置与所述渗透试验装置之间连接有冷冻液管路；
9.所述渗透试验装置包括模型容器和出水量器，所述模型容器的下部对应所述出水量器设有出水口；所述模型容器的内部填充有土壤与感温变色溶液混合的土样，所述感温变色溶液的变色分界温度为0℃；
10.所述模型容器的侧壁绕设有至少一圈冷冻管，且所述冷冻管的圈数可调，所述冷冻管上还固定有电磁激振子，所述冷冻液管路连通于所述低温冷浴装置和至少一圈所述冷冻管之间；
11.所述冻结壁监测系统包括数据处理主机、声发射传感器和多个温度传感器，所述数据处理主机分别与所述温度传感器、所述声发射传感器电连接，多个所述温度传感器分
散设置在所述模型容器中。
12.进一步的，所述感温变色溶液为无色防冻液与四氯化铜二乙基铵盐溶液的混合液，所述感温变色溶液低于0℃时呈亮绿色、高于0℃时呈淡黄色。
13.进一步的，每圈所述冷冻管上均设置有至少三个电磁激振子，每圈的至少三个所述电磁激振子呈周向间隔分布，所述电磁激振子的振幅为40μm至70μm、振动频率为10khz至30khz。
14.进一步的，所述渗透试验装置还包括上透水板和下透水板，所述上透水板和所述下透水板上下间隔设置在所述模型容器中，所述上透水板与所述下透水板之间形成土样的容纳腔。
15.进一步的，所述模型容器的上部还设有溢水口，所述溢水口高于所述上透水板的表面布置，所述出水口与所述下透水板处于同一水平位置。
16.进一步的，所述上透水板、所述下透水板分别与所述模型容器的内壁间隙配合，所述上透水板与所述模型容器之间、所述下透水板与所述模型容器之间均为卡扣连接。
17.进一步的，所述模型容器的形状为圆柱筒，所述模型容器的一侧开设有多个第一测温孔，多个所述第一测温孔平行于所述圆柱筒的轴线间隔分布；所述模型容器的另一侧开设有多个第二测温孔，多个所述第二测温孔平行于所述圆柱筒的轴线间隔分布；
18.所述第一测温孔和所述第二测温孔中均安装有温度传感器，所述第一测温孔中的温度传感器处于圆柱筒的圆心位置，所述第二测温孔中的温度传感器处于圆柱筒的半径1/2位置。
19.进一步的，所述声发射传感器设有至少一个，至少一个所述声发射传感器安装在所述模型容器的外侧，所述声发射传感器与所述数据处理主机之间电连接有声发射信号放大器；所述温度传感器与所述数据处理主机之间还电连接有温度采集仪。
20.进一步的，所述冻结壁监测系统还包括至少两个工业相机，至少两个所述工业相机对应设置所述模型容器的外部，所述工业相机与所述数据处理主机电连接。
21.本发明的模拟人工冻结阻渗的试验方法的技术方案为：
22.应用上述的模拟人工冻结阻渗的实验系统的试验方法，包括以下步骤：
23.s1、先将测试地层的土壤烘干、过筛处理，过筛后的土颗粒与感温变色溶液混合搅拌均匀，密封静置24h得到土样；
24.s2、将下透水板置于模型容器中并固定位置，土样分层填入模型容器内，土样填筑至各测温孔位置时，将两列温度传感器分别埋入模型容器的中心深度和半径1/2深度处；当土样填筑设定高度后，再将上透水板覆盖在土样上并固定位置；
25.s3、在模型容器上缠绕设置至少一圈冷冻管，冷冻管通过冷冻液管路与低温冷浴装置进行连通，并在每圈冷冻管上固定电磁激振子；
26.s4、在模型容器的外壁固定声发射传感器，将声发射传感器和多个温度传感器分别电连接至数据处理主机；并在模型容器的外部设置工业相机，工业相机与数据处理主机电连接，以构建成冻结壁监测系统；
27.s5、打开进水阀并设定不同流速，待出水口排出的液体流量稳定时，启动低温冷浴装置和电磁激振子，同时打开冻结壁监测系统开始测试；
28.s6、测试过程中，工业相机定时采集图像信息，以分析冻结壁的发育状况；每隔设
定时间更换一次出水量器并读数记录，利用以下公式计算出各个时段的渗透系数k；
[0029][0030]
其中，α为感温变色溶液相较于纯水的渗透折减系数，v为出水量器的溶液体积，l为土样的填筑高度，a为土样的横截面积，δh为溢水口与出水口之间的高度差，t为渗流时间。
[0031]
有益效果：该模拟人工冻结阻渗的实验系统包括渗透试验装置、低温冷浴装置和冻结壁监测系统，渗透试验装置包括模型容器和出水量器，土壤与感温变色溶液混合的土样填充于模型容器中，通过出水量器来承接从出水口排出的渗流水液，以使模型容器内部形成稳定的渗流场；感温变色溶液的变色分界温度为0℃，便于分辨出土样中的冻结部分和未冻结部分，并准确地显示冻结成冰区域的范围、形态等特征。
[0032]
其中，渗透试验装置的模型容器上绕设有至少一圈冷冻管，缠绕冷冻管可使冻结区域断面短时间内冻结，并且，可通过改变冷冻液管路的接口位置来调整冷冻管的缠绕圈数，从而实现灵活调节不同冻结壁厚度的目的；冷冻管上还固定有电磁激振子，电磁激振子加速区域内的水分运动，从而确保冻结区域的断面完全冻结。
[0033]
温度传感器分散设置在模型容器中，可准确地判断整个土样断面的冻结情况；声发射传感器可以记录冰晶生长导致冻土开裂产生的声发射信息，并将声发射信号放大后传至数据处理主机，以最终分析冻结壁的形成特点，实现冻结壁形成过程中对整个断面区域冰晶发育状态的定量评价。
[0034]
该模拟人工冻结阻渗的实验系统综合了温度监测、声发射技术和感温变色三种手段，可获取稳定渗流场形成后冻结壁的厚度、分布等形态特征，从而明确不同地层参数及冻结参数下冻结壁形成、发育情况。既能灵活地调控人工冻结参数，又能准确地获知人工冻结壁的形态特征，从而有效评价不同冻结参数下冻结壁阻渗性随渗透历时的变化关系。
附图说明
[0035]
图1为本发明的模拟人工冻结阻渗的实验系统的具体实施例中实验系统的结构示意图。
[0036]
图中：1-渗透试验装置、10-模型容器、11-出水量器、12-出水口、13-冷冻管、14-电磁激振子、15-上透水板、16-下透水板、17-溢水口、18-支架、19-进水阀；
[0037]
2-低温冷浴装置、20-冷冻液管路；
[0038]
3-冻结壁监测系统、30-数据处理主机、31-声发射传感器、32-温度传感器、33-声发射信号放大器、34-温度采集仪、35-工业相机。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0040]
本发明的模拟人工冻结阻渗的实验系统的具体实施例1，如图1所示，模拟人工冻结阻渗的实验系统包括渗透试验装置1、低温冷浴装置2和冻结壁监测系统3，低温冷浴装置2与渗透试验装置1之间连接有冷冻液管路20；渗透试验装置1包括模型容器10和出水量器
11，模型容器10的下部对应出水量器11设有出水口12；模型容器10的内部填充有土壤与感温变色溶液混合的土样，感温变色溶液的变色分界温度为0℃。
[0041]
模型容器10的侧壁绕设有至少一圈冷冻管13，且冷冻管13的圈数可调，冷冻管13上还固定有电磁激振子14，冷冻液管路20连通于低温冷浴装置2和至少一圈冷冻管13之间；冻结壁监测系统3包括数据处理主机30、声发射传感器31和多个温度传感器32，数据处理主机30分别与声发射传感器31、温度传感器32电连接，多个温度传感器32分散设置在模型容器10中。
[0042]
该模拟人工冻结阻渗的实验系统包括渗透试验装置1、低温冷浴装置2和冻结壁监测系统3，渗透试验装置1包括模型容器10和出水量器11，土壤与感温变色溶液混合的土样填充于模型容器10中，通过出水量器11来承接从出水口12排出的渗流水液，以使模型容器10内部形成稳定的渗流场；感温变色溶液的变色分界温度为0℃，便于分辨出土样中的冻结部分和未冻结部分，并准确地显示冻结成冰区域的范围、形态等特征。
[0043]
其中，渗透试验装置1的模型容器10上绕设有至少一圈冷冻管13，缠绕冷冻管13可使冻结区域断面短时间内冻结，并且，可通过改变冷冻液管路20的接口位置来调整冷冻管13的缠绕圈数，从而实现灵活调节不同冻结壁厚度的目的；冷冻管13上还固定有电磁激振子14，电磁激振子14加速区域内的水分运动，从而确保冻结区域的断面完全冻结。
[0044]
温度传感器32分散设置在模型容器10中，可准确地判断整个土样断面的冻结情况；声发射传感器31可以记录冰晶生长导致冻土开裂产生的声发射信息，并将声发射信号放大后传至数据处理主机30，以最终分析冻结壁的形成特点，实现冻结壁形成过程中对整个断面区域冰晶发育状态的定量评价。
[0045]
该模拟人工冻结阻渗的实验系统综合了温度监测、声发射技术和感温变色三种手段，可获取稳定渗流场形成后冻结壁的厚度、分布等形态特征，从而明确不同地层参数及冻结参数下冻结壁形成、发育情况。既能灵活地调控人工冻结参数，又能准确地获知人工冻结壁的形态特征，从而有效评价不同冻结参数下冻结壁阻渗性随渗透历时的变化关系。
[0046]
在本实施例中，感温变色溶液为无色防冻液与四氯化铜二乙基铵盐溶液的混合液，感温变色溶液低于0℃时呈亮绿色、高于0℃时呈淡黄色。具体的，四氯化铜二乙基铵盐溶液的浓度为5g/l，将感温变色溶液的变色分界温度调整为0℃，便于分辨出土样中的冻结部分和未冻结部分，并准确地显示冻结成冰区域的范围、形态等特征。
[0047]
其中，每圈冷冻管13上均设置有至少三个电磁激振子14，每圈的至少三个电磁激振子14呈周向间隔分布，电磁激振子14的振幅为40μm至70μm、振动频率为10khz至30khz。优选的，每圈冷冻管13均周向间隔设有四个电磁激振子14，使区域内的水分加速运动，从而确保冻结区域的断面完全冻结。
[0048]
在本实施例中，渗透试验装置1还包括上透水板15和下透水板16，上透水板15和下透水板16上下间隔设置在模型容器10中，上透水板15与下透水板16之间形成土样的容纳腔。具体的，上透水板15和下透水板16均为透水石板，既能使流体发生均匀渗流，又可防止土样溃散溢出。并且，模型容器10的上部还设有溢水口17，溢水口17高于上透水板15的表面布置，出水口12与下透水板16处于同一水平位置，通过溢水口17和出水口12可排出渗流过程中浸出的多余流体。
[0049]
上透水板15、下透水板16分别与模型容器10的内壁间隙配合，上透水板15与模型
容器10之间、下透水板16与模型容器10之间均为卡扣连接。将上透水板15、下透水板16放置于模型容器10中，对准位置推拉卡扣即可完成固定目的，相应的，试验结束后推拉卡扣进行解锁，便于快速地拆卸清理模型容器10和透水板。
[0050]
模型容器10的形状为圆柱筒，模型容器10的一侧开设有多个第一测温孔，多个第一测温孔平行于圆柱筒的轴线间隔分布；模型容器10的另一侧开设有多个第二测温孔，多个第二测温孔平行于圆柱筒的轴线间隔分布；第一测温孔和第二测温孔中均安装有温度传感器32，第一测温孔中的温度传感器32处于圆柱筒的圆心位置，第二测温孔中的温度传感器32处于圆柱筒的半径1/2位置。
[0051]
由于温度传感器32的测试结果仅反映测点附近的局部冻土温度，利用第一测温孔中的温度传感器32测试圆柱筒的中心轴线上不同高度处的温度，第二测温孔中的温度传感器32测试圆柱筒的半径1/2轴线上不同高度处的温度，将两列温度传感器的测试结果进行结合，可避免单个测点存在的误差和局限性，从而准确地判断整个土样断面的冻结情况。
[0052]
而且，声发射传感器31设有至少一个，至少一个声发射传感器31安装在模型容器10的外侧，声发射传感器31与数据处理主机30之间电连接有声发射信号放大器33。具体的，声发射传感器31设有两个，用以记录冰晶生长导致冻土开裂产生的声发射信息，并将声发射信号放大后传至数据处理主机30，以最终分析冻结壁的形成特点。利用声发射技术获取冻土内部成冰过程的声发射信息，例如：事件、撞击、振铃、振幅、能量等参数，进而实现冻结壁形成过程中对整个断面区域冰晶发育状态的定量评价。
[0053]
另外，温度传感器32与数据处理主机30之间还电连接有温度采集仪34。冻结壁监测系统3还包括至少两个工业相机35，至少两个工业相机35对应设置模型容器10的外部，工业相机35与数据处理主机30电连接。具体的，通过三个工业相机35分布在模型容器10的外部，拍摄范围可覆盖模型容器10的整个外壁，用于捕捉稳定渗流场形成后冻结壁的厚度、分布等形态特征，并结合感温变色溶液在拍摄图像中呈现冻结区域和未冻结区域，从而明确不同地层参数及冻结参数下冻结壁形成、发育全过程的图像信息。
[0054]
应用上述模拟人工冻结阻渗的实验系统的试验方法，包括以下步骤：
[0055]
s1、先将测试地层的土壤烘干、过筛处理，过筛后的土颗粒与感温变色溶液混合搅拌均匀，密封静置24h得到土样；另外，模型容器10预先放置在支架18上，模型容器10的正上方设有进水阀19，通过进水阀19可向模型容器10中输入渗流水液。
[0056]
s2、将下透水板16置于模型容器10中并固定位置，土样分层填入模型容器10内，土样填筑至各测温孔位置时，将两列温度传感器32分别埋入模型容器10的中心深度和半径1/2深度处；当土样填筑设定高度后，再将上透水板15覆盖在土样上并固定位置。
[0057]
s3、在模型容器10上缠绕设置至少一圈冷冻管13，冷冻管13通过冷冻液管路20与低温冷浴装置2进行连通，并在每圈冷冻管13上固定电磁激振子14；根据冻结试验中的需求，可调整冷冻管13的圈数，具体通过改变冷冻液管路20的接口位置，即可实现灵活调节不同冻结壁厚度的目的。
[0058]
s4、在模型容器10的外壁固定声发射传感器31，将声发射传感器31和多个温度传感器32分别电连接至数据处理主机30；并在模型容器10的外部设置工业相机35，工业相机35与数据处理主机30电连接，以构建成冻结壁监测系统3。
[0059]
s5、打开进水阀19并设定不同流速，待出水口12排出的液体流量稳定时，启动低温
冷浴装置2和电磁激振子14，同时打开冻结壁监测系统3开始测试。
[0060]
s6、测试过程中，工业相机35定时采集图像信息，以分析冻结壁的发育状况；每隔设定时间更换一次出水量器11并读数记录，利用以下公式计算出各个时段的渗透系数k；
[0061][0062]
其中，α为感温变色溶液相较于纯水的渗透折减系数，v为出水量器11的溶液体积，l为土样的填筑高度，a为土样的横截面积，δh为溢水口17与出水口12之间的高度差，t为渗流时间。
[0063]
本发明的模拟人工冻结阻渗的实验系统的具体实施例，与本发明的模拟人工冻结阻渗的实验系统的具体实施方式中应用上述模拟人工冻结阻渗的实验系统的试验方法的具体实施例相同，在此不再赘述。
[0064]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，包括渗透试验装置、低温冷浴装置和冻结壁监测系统，所述低温冷浴装置与所述渗透试验装置之间连接有冷冻液管路；所述渗透试验装置包括模型容器和出水量器，所述模型容器的下部对应所述出水量器设有出水口；所述模型容器的内部填充有土壤与感温变色溶液混合的土样，所述感温变色溶液的变色分界温度为0℃；所述模型容器的侧壁绕设有至少一圈冷冻管，且所述冷冻管的圈数可调，所述冷冻管上还固定有电磁激振子，所述冷冻液管路连通于所述低温冷浴装置和至少一圈所述冷冻管之间；所述冻结壁监测系统包括数据处理主机、声发射传感器和多个温度传感器，所述数据处理主机分别与所述温度传感器、所述声发射传感器电连接，多个所述温度传感器分散设置在所述模型容器中。2.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述感温变色溶液为无色防冻液与四氯化铜二乙基铵盐溶液的混合液，所述感温变色溶液低于0℃时呈亮绿色、高于0℃时呈淡黄色。3.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，每圈所述冷冻管上均设置有至少三个电磁激振子，每圈的至少三个所述电磁激振子呈周向间隔分布，所述电磁激振子的振幅为40μm至70μm、振动频率为10khz至30khz。4.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述渗透试验装置还包括上透水板和下透水板，所述上透水板和所述下透水板上下间隔设置在所述模型容器中，所述上透水板与所述下透水板之间形成土样的容纳腔。5.根据权利要求4所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述模型容器的上部还设有溢水口，所述溢水口高于所述上透水板的表面布置，所述出水口与所述下透水板处于同一水平位置。6.根据权利要求5所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述上透水板、所述下透水板分别与所述模型容器的内壁间隙配合，所述上透水板与所述模型容器之间、所述下透水板与所述模型容器之间均为卡扣连接。7.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述模型容器的形状为圆柱筒，所述模型容器的一侧开设有多个第一测温孔，多个所述第一测温孔平行于所述圆柱筒的轴线间隔分布；所述模型容器的另一侧开设有多个第二测温孔，多个所述第二测温孔平行于所述圆柱筒的轴线间隔分布；所述第一测温孔和所述第二测温孔中均安装有温度传感器，所述第一测温孔中的温度传感器处于圆柱筒的圆心位置，所述第二测温孔中的温度传感器处于圆柱筒的半径1/2位置。8.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述声发射传感器设有至少一个，至少一个所述声发射传感器安装在所述模型容器的外侧，所述声发射传感器与所述数据处理主机之间电连接有声发射信号放大器；所述温度传感器与所述数据处理主机之间还电连接有温度采集仪。9.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述冻结壁监测系统还包括至少两个工业相机，至少两个所述工业相机对应设置所述模型容器的外部，所述
工业相机与所述数据处理主机电连接。10.一种应用权利要求1至9任一项所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统的试验方法，其特征是，包括以下步骤：s1、先将测试地层的土壤烘干、过筛处理，过筛后的土颗粒与感温变色溶液混合搅拌均匀，密封静置24h得到土样；s2、将下透水板置于模型容器中并固定位置，土样分层填入模型容器内，土样填筑至各测温孔位置时，将两列温度传感器分别埋入模型容器的中心深度和半径1/2深度处；当土样填筑设定高度后，再将上透水板覆盖在土样上并固定位置；s3、在模型容器上缠绕设置至少一圈冷冻管，冷冻管通过冷冻液管路与低温冷浴装置进行连通，并在每圈冷冻管上固定电磁激振子；s4、在模型容器的外壁固定声发射传感器，将声发射传感器和多个温度传感器分别电连接至数据处理主机；并在模型容器的外部设置工业相机，工业相机与数据处理主机电连接，以构建成冻结壁监测系统；s5、打开进水阀并设定不同流速，待出水口排出的液体流量稳定时，启动低温冷浴装置和电磁激振子，同时打开冻结壁监测系统开始测试；s6、测试过程中，工业相机定时采集图像信息，以分析冻结壁的发育状况；每隔设定时间更换一次出水量器并读数记录，利用以下公式计算出各个时段的渗透系数k；其中，α为感温变色溶液相较于纯水的渗透折减系数，v为出水量器的溶液体积，l为土样的填筑高度，a为土样的横截面积，δh为溢水口与出水口之间的高度差，t为渗流时间。

技术总结
本发明提供了一种模拟人工冻结阻渗的实验系统及其试验方法，涉及冻结试验领域。该实验系统包括渗透试验装置、低温冷浴装置和冻结壁监测系统；渗透试验装置包括模型容器和出水量器，模型容器的下部设有出水口；模型容器的内部填充有土壤与感温变色溶液混合的土样，感温变色溶液的变色分界温度为0℃；模型容器的侧壁绕设有至少一圈冷冻管，冷冻管的圈数可调，冷冻管上固定有电磁激振子，低温冷浴装置和冷冻管之间连通有冷冻液管路；冻结壁监测系统包括数据处理主机、声发射传感器和多个温度传感器，多个温度传感器分散设置在模型容器中，综合多种手段准确地获知人工冻结壁的形态特征，实现不同冻结参数下冻结壁阻渗性随渗透历时变化的有效评价。历时变化的有效评价。历时变化的有效评价。


技术研发人员：李刚 刘建坤 李智健 常丹 任志凤 闫一辉
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.01.13
技术公布日：2023/8/2