[发明专利]一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法及装置

说明书

本发明涉及一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法及装置，该设计方法具体步骤如下：根据相似原理设计模型的各个相似设计常数，包括几何相似常数、渗流相似常数和传热相似常数；设计模型土体系统；计算模型土体系统的理论渗流量，设计渗流循环系统，并且得到渗流循环系统的控制参数；设计冻结循环系统，进行冷冻循环系统的控制参数的计算设计；设计传感器的类型以及在模型土体系统中的布局。与现有技术相比，本发明通过建立模型，组合地层设计不同渗流条件，对冻结温度场，周围软黏土的变形场及压力分布通过传感器的分布进行模拟监测，为工程控制不均匀变形、防止局部冻胀力过大，增强安全性及优化施工方案等提供参考，具有重大意义。

技术领域

本发明涉及一种岩土工程技术领域，尤其是涉及一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法及装置。

背景技术

人工地层冻结法(简称“冻结法”)是针对软黏土地层进行加固的一种有效工法，在我国沿海城市地铁隧道旁通道、泵房、隧道进出洞及越江通道甚至是跨海隧道的建设中都有着至关重要的作用。在一般软黏土地层冻结法应用的情况中，地下水的渗流速度非常小，基本不考虑渗流对冻结法的影响，而随着沿海城市及滨海地区的地下空间不断向更深处进一步开发，当工程为越江(跨海)隧道、或工程开挖周围存在溶洞、工程建设在地表/地下水排泄通道附近，或工程开挖邻近含水层的隔水顶/底板时，渗流对冻结法及周围环境的影响包括无法及时顺利交圈和不均匀沉降等现象越来越明显。

近几年在一些特殊工程实践中发现渗流对冻结法施工存在着影响，但研究集中在冻结效果(温度场)数值模拟及施工现场应对措施等方面，以传统的经验法为主，涉及机理研究的非常少。比如公开号为CN107101924 A的发明专利“监测渗流第冻结温度场的试验装置及方法”，在砂层中的渗流环境下，对温度场的影响进行试验，同样公开号为CN106053522A的发明专利“渗流冻结试验装置”，模拟了砂层渗流速度下冻结壁温度场的变化。

但是以上的技术都存在以下缺点：1、都只能针对单一的砂层进行模拟和研究，并不适用于沿海软黏土地区软黏土冻结法应用的研究，砂性地层的冻融特性与黏性土存在非常大的差异性，且渗流的存在条件也区别很大。软黏土地区冻结法面临的渗流问题，往往是冻结软黏土时存在较大渗流边界，或者渗流排泄区，此时渗流对冻结法温度场存在着影响的同时，更重要的是冻结法对周围软黏土环境的影响评价不确定性增大，且软黏土在较大冻胀融沉基础上，不均匀沉降问题、冻胀力分布问题更加显著。2、都只是提出了一种理论上的实验模型和操作方式，缺乏针对具体工程对象时，如何根据现场施工状态，完整地进行模型设计和建立模型的具体应用方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法，所述的模型包括模型土体系统、渗流循环系统、冻结循环系统和传感器监测系统，具体步骤如下：

步骤一，根据相似原理设计模型的各个相似设计常数，包括几何相似常数、渗流相似常数和传热相似常数，设计相似设计常数具体步骤包括：

a1.设定一个几何相似常数，几何相似常数为施工现场和土体模型的线性尺寸比值，并且综合考虑研究范围、边界效应确定模型整体的尺寸；

a2.根据几何相似常数获取模型土体系统的渗流相似常数和传热相似常数；

步骤二，根据施工现场和几何相似常数设计模型土体系统；

步骤三，根据渗流相似常数计算模型土体系统的理论渗流量，设计渗流循环系统，并且得到渗流循环系统的控制参数；

步骤四，设计冻结循环系统，根据冻结循环系统的分布方式和传热相似常数进行冷冻循环系统的控制参数的计算设计；