地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及材料保温隔冷性能试验测试技术领域，特别涉及地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置及试验方法。

背景技术

由于深厚表土层水文地质条件复杂，地下工程尤其是煤矿井筒建井期间采用冻结法施工时，冻结管经过初始表土段时易造成大量冷量向周围土体扩散，使得周围土体过分冻结进而影响到后续井筒开挖延误工期；被迫采用爆破法施工则必然使得施工成本增加。因此需要采用一种保温隔冷性能优良的材料进行冻结管保温隔冷。然而在初始表土段采用材料进行保温隔冷时，在土体地应力作用下材料处于受压状态。由于材料在受压状态下内部结构会发生变化，进而使其保温性能受到影响，因此研究材料在土体地应力作用下的保温隔冷性能具有实际意义，尤其是掌握冻结管周围土层冷量的扩散情况对后续地层富余冷量提取具有十分重要的指导价值。而目前基于材料保温隔冷性能研究时大多是没有考虑受力状态的影响，纵使在冻结管外采用套管再在封闭空间施加油压模拟冻结管保温材料的受压状态，这种试验方法也只能在保温材料、冻结管上布置测温点，仅能得到冻结管极小范围内的温度变化情况，不仅无法获得冻结管冷量扩散作用范围，而且沿冻结管纵向不同土层高度的温度也无从得知，具有一定的局限性。为了准确掌握受压状态下冻结管冷量作用范围以及冻结管周围土层纵向温度，十分有必要对地应力作用下材料保温隔冷性能及冷量扩散情况进行测试。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置及试验方法，能够开展地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验测试，可得到单冻结管冷量作用范围以及其纵向不同土层温度分布情况，获得材料在地应力作用下的保温隔冷效果评价指标，为煤矿井筒冻结法施工时保温隔冷材料的选择提供重要参考。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置，包括水平冻结管、自反力架、冻凝机、卧式多级离心泵机、试验箱体、起吊孔、下承压钢板、保温材料、密封盘、水平钢管、TDS测温仪、油缸、测温线、低温酒精输送管、阀门，所述自反力架由螺母、螺杆、丁字钢、十字钢梁、承压柱、上承压钢板焊接而成，所述试验箱体两侧开设两个圆孔并与所述承压柱焊接在一起，所述起吊孔设置在所述试验箱体上端面，所述保温材料包裹于所述水平冻结管外表面，所述冻凝机和所述卧式多级离心泵机分别设有低温酒精输入口及低温酒精输出口，所述卧式多级离心泵机可承受-30℃低温，所述下承压钢板两侧均设有出线孔，所述密封盘分别焊接在所述水平钢管的两端，所述水平钢管焊接于所述密封盘中心，所述TDS测温仪与所述试验箱体内部的测温点通过所述测温线连接，所述油缸放置在所述自反力架与所述下承压钢板之间，采用电动油泵对其加压，并在缸体设有出油口及进油口，所述低温酒精输送管采用橡胶制成，所述阀门焊接于所述水平冻结管一端。

优选地，在上述地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置中，所述自反力架、下端承压板由Q235钢材料组成。

优选地，在上述地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置中，所述水平钢管采用无缝钢管，直径140mm，厚度22mm，长度600mm。

优选地，本发明还提供地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验方法，包括如下步骤：

步骤一：首先通过测量所述试验箱体两侧圆孔间距离选取适合长度的所述水平冻结管，使得所述水平冻结管穿过所述试验箱体并两端露出箱体10cm，然后在所述水平冻结管上侧平行于管轴线的直线上等间距布置3个测温点，将3根所述测温线分别布置在3个测温点上，使用胶带将3根所述测温线固定在所述水平冻结管上侧，其次将所述保温材料固定在所述水平冻结管的外表面上，并在所述保温材料外表面以同样方式布置3个测温点；

步骤二：在距离所述水平冻结管下侧每隔15cm布置一层测温点，共布置3～4层，每层布置3个测温点，3个测温点均在一条平行于所述水平冻结管轴线的直线上并等间距布置，以同样的方式在所述水平冻结管上侧布置5～6层测温点；

步骤三：在所述试验箱体填土至埋设测温点层位时，将所述测温线的一端埋设在步骤二中测温点的位置处，由下而上分层填土并埋设所述测温线，填土完毕后，将所述下承压钢板盖在土体上方，所述测温线从所述下承压钢板的出线孔中伸出；

步骤四：将所述密封盘焊接在所述水平冻结管的两端，在所述密封盘的中心焊接所述水平钢管，所述水平钢管、所述冻凝机、所述卧式多级离心泵机之间通过所述低温酒精输送管连接在一起，形成循环回路；

步骤五：将低温酒精倒入所述冻凝机并开启制冷模式，然后打开所述卧式多级离心泵机，低温酒精不断循环通过所述水平冻结管，将步骤三中伸出的所述测温线连接在所述TDS测温仪上，检测所述测温线是否正常工作，检测并确保正常工作后，关闭仪器；

步骤六：首先使用起重机将所述油缸放置在所述下承压钢板上，将电动油泵通过油管与所述油缸上的进油口及出油口相连接，然后使用电动油泵及所述油缸对土体施加压力，其次打开所述TDS测温仪，开始温度监测至试验结束；

步骤七：待试验结束后，在电脑上保存试验数据，卸掉所述油缸的压力，关闭所述TDS测温仪，打开所述水平冻结管上的阀门将低温酒精卸出；

步骤八：试验数据的整理及分析，以各层测温点温度和所述水平冻结管上温度差值作为标准衡量所述保温材料的保温隔冷性能，同时当某层测温点温度与室温接近一致时，则该土层测温点到所述水平冻结管的距离即在保温材料工作时的冻结管冷量作用最大范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明装置使用低温酒精在单冻结管中不断循环进行冷量扩散，使其能与冻结施工时冻结管的温度保持一致，通过沿冻结管纵向不同土层布置测温点，可监测沿单冻结管纵向不同高度的温度变化情况，也可获得单冻结管冷量扩散作用范围，同时利用油缸在土体上部施加荷载更加真实地模拟了材料在地应力作用下的受力状态，试验结果更加接近真实工况，试验数据更加全面，能够为冻结施工时选取保温隔冷性能优良的材料提供了一种理想的试验装置及试验方法。

附图说明

图1为本发明专利的连接示意图。

图2为本发明专利试验箱结构示意图。

图3为本发明专利水平冻结管整体结构示意图。

图4为本发明专利油缸结构示意图。

图5为本发明专利下承压钢板结构示意图。

图6为本发明专利自反力架结构示意图。

图中标号说明：1-水平冻结管，2-自反力架，3-冻凝机，4-卧式多级离心泵机，5-试验箱体，6-起吊孔，7-下承压钢板，8-保温材料，9-密封盘，10-水平钢管，11-TDS测温仪，12-油缸，13-测温线，14-低温酒精输送管，15-阀门，16-螺母，17-螺杆，18-丁字钢，19-十字钢梁，20-承压柱，21-上承压钢板，22-低温酒精输入口，23-低温酒精输出口，24-出油口，25-进油口

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明专利做进一步的详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

如图1所示的地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置，包括地应力状态下材料保温隔冷性能试验装置，包括水平冻结管1、自反力架2、冻凝机3、卧式多级离心泵机4、试验箱体5、起吊孔6、下承压钢板7、保温材料8、密封盘9、水平钢管10、TDS测温仪11、油缸12、测温线13、低温酒精输送管14、阀门15，所述自反力架2由螺母16、螺杆17、丁字钢18、十字钢梁19、承压柱20、上承压钢板21焊接而成，所述试验箱体5两侧开设两个圆孔并与所述承压柱20焊接在一起，所述起吊孔6设置在所述试验箱体5上端面，所述保温材料8包裹于所述水平冻结管1外表面，所述冻凝机3和所述卧式多级离心泵机4分别开设有低温酒精输入口22及低温酒精输出口23，所述卧式多级离心泵机4可承受-30℃低温，所述下承压钢板7两侧均设有出线孔，所述密封盘9分别焊接在所述水平钢管10的两端，所述水平钢管10焊接于所述密封盘9中心，所述TDS测温仪11与所述试验箱体5内部的测温点通过测温线13连接，所述油缸12放置在所述自反力架2与所述下承压钢板7之间，采用电动油泵对其加压，并在缸体设有出油口24及进油口25，所述低温酒精输送管14采用橡胶制成，所述阀门15焊接于所述水平冻结管1一端。优选地，在上述地应力作用下单冻结管保温隔冷相似模型试验装置中，所述自反力架、下端承压板由Q235钢材料组成，所述水平钢管采用无缝钢管，直径140mm，厚度22mm，长度600mm。

具体试验操作步骤如下：

步骤一：首先通过测量所述试验箱体5两侧圆孔间距离选取适合长度的所述水平冻结管1，使得所述水平冻结管1穿过所述试验箱体5并两端露出箱体10cm，然后在所述水平冻结管1上侧平行于管轴线的直线上等间距布置3个测温点，将3根所述测温线13分别布置在3个测温点上，使用胶带将3根所述测温线13固定在所述水平冻结管1上侧，其次将所述保温材料8固定在所述水平冻结管1的外表面上，并在所述保温材料8外表面以同样方式布置3个测温点；

步骤二：在距离所述水平冻结管1下侧每隔15cm布置一层测温点，共布置3～4层，每层布置3个测温点，3个测温点均在一条平行于所述水平冻结管1轴线的直线上并等间距布置，以同样的方式在所述水平冻结管1上侧布置5～6层测温点；

步骤三：在所述试验箱体5填土至埋设测温点层位时，将所述测温线13的一端埋设在步骤二中测温点的位置处，由下而上分层填土并埋设所述测温线13，填土完毕后，将所述下承压钢板7盖在土体上方，所述测温线13从所述下承压钢板7的出线孔中伸出；

步骤四：将所述密封盘9焊接在所述水平冻结管1的两端，在所述密封盘9的中心焊接所述水平钢管10，所述水平钢管10、所述冻凝机3、所述卧式多级离心泵机4之间通过所述低温酒精输送管14连接在一起，形成循环回路；

步骤五：将低温酒精倒入所述冻凝机3并开启制冷模式，然后打开所述卧式多级离心泵机4，低温酒精不断循环通过所述水平冻结管1，将步骤三中伸出的所述测温线13连接在所述TDS测温仪11上，检测所述测温线13是否正常工作，检测并确保正常工作后，关闭仪器；

步骤六：首先使用起重机将所述油缸12放置在所述下承压钢板7上，将电动油泵通过油管与所述油缸12上的进油口及出油口相连接，然后使用电动油泵及所述油缸12对土体施加压力，其次打开所述TDS测温仪11，开始温度监测至试验结束；

步骤七：待试验结束后，在电脑上保存试验数据，卸掉所述油缸12的压力，关闭所述TDS测温仪11，打开所述水平冻结管1上的阀门15将低温酒精卸出；

步骤八：试验数据的整理及分析，以各层测温点温度和所述水平冻结管1上温度差值作为标准衡量所述保温材料8的保温隔冷性能，同时当某层测温点温度与室温保持一致，则该层测温点到所述水平冻结管1的距离即是在所述保温材料8工作时的所述水平冻结管1冷量作用最大范围。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。