[发明专利]一种渗流场与温度场耦合作用的模拟系统及方法

说明书

本申请提供了一种渗流场与温度场耦合作用的模拟系统及方法，用于对试验对象进行渗流场和温度场的耦合作用试验，其中，模型箱为双层箱体设计，腔体分为通过透水孔连通的蓄水腔室、渗流冻结室和缓冲腔室；箱体上设置有与蓄水腔室连通的出水管，以及与缓冲腔室连通的进水管，箱体上设置有至少两个测压管孔；分头水箱位于模型箱的上方，分头水箱的出水口与进水管连通；水源水箱位于模型箱的下方，分别与出水管、分头水箱的进水口连通；冻结单元的冻结管伸入试验对象内且端部位于进水管的下方，沿模型箱的长度方向并列设置至少两根冻结管；温度传感器用于采集试验对象的温度，温度传感器的探头沿竖直方向伸入试验对象；水头管与测压管孔连接。

技术领域

本申请涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种渗流场与温度场耦合作用的模拟系统及方法。

背景技术

随着我国经济和社会的发展，以地铁为代表的城市轨道交通在缓解城市交通压力上有着举足轻重的作用。然而，在松散含水地层中进行盾构施工，尤其是在盾构始发、接收及联络通道开挖时会发生渗水问题，严重影响了施工安全。人们根据自然启发发明了人工底层冻结技术，用于对不稳定富水地层进行加固，起到支护和止水作用。由于自然因素或人为原因，地层中地下水流速度过快，会对人工地层冻结施工产生较大的影响。渗流会将冻结管冷量带至下游，使冻结壁发展缓慢，减小了冻结壁厚度，延长了交圈时间，提高了冻结壁平均温度，使得冻结法施工质量大大降低，不仅影响了加固效果，甚至会造成重大施工事故。

目前，在研究渗流对冻结法施工的影响的室内试验中，通常只针对渗流条件下的温度场进行研究，忽略了两物理场的耦合作用；或者，通过水泵直接控制渗流速度，使得试验过程中水头发生变化，与实际工程存在差异。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种渗流场与温度场耦合作用的模拟系统及方法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供了一种渗流场与温度场耦合作用的模拟系统，用于对试验对象进行渗流场和温度场的耦合作用试验，，包括：模型箱、分头水箱、水源水箱、冻结单元和温度水头检测单元；所述模型箱为双层箱体设计，双层箱体之间填充保温材料；所述模型箱的腔体沿长度方向依次分割为蓄水腔室、渗流冻结室和缓冲腔室，所述蓄水腔室与所述渗流冻结室之间、所述缓冲腔室与所述渗流冻结室之间均通过透水孔连通；所述箱体上设置有与所述蓄水腔室连通的出水管，以及与所述缓冲腔室连通的进水管，所述箱体上与所述渗流冻结室对应的侧壁及箱底设置有至少两个测压管孔；其中，所述出水管的高度高于所述进水管的高度；所述渗流冻结室内装填所述试验对象；所述分头水箱位于所述模型箱的上方，且所述分头水箱与所述模型箱之间沿所述模型箱的高度方向的距离可调节，所述分头水箱的出水口与所述进水管连通；所述水源水箱位于所述模型箱的下方，分别与所述出水管、所述分头水箱的进水口连通；其中，所述水源水箱与所述分头水箱的进水口的连通管道上设置有水泵，以将所述水源水箱中的水泵送至所述分头水箱；所述冻结单元的冻结管伸入所述试验对象内且端部位于所述进水管的下方，沿所述模型箱的长度方向并列设置至少两根所述冻结管，至少两根所述冻结管分别与至少两个所述测压管孔相对；所述温度水头检测单元包括：温度传感器和水头管，所述温度传感器用于采集所述试验对象的温度，所述温度传感器的探头沿竖直方向伸入所述试验对象，且位于所述冻结管伸入所述试验对象的部分的中部；所述水头管的一端与所述测压管孔连接，另一端端口位置高于所述试验对象。

优选的，所述进水管位于所述模型箱的中心偏下的位置，所述出水管位于所述模型箱的中心偏上的位置。

优选的，所述透水孔的直径为[1，20]毫米；和/或，沿所述模型箱的长度方向，所述蓄水腔室和所述渗流冻结室的宽度至少为100毫米；

优选的，所述透水孔的直径为20毫米。