一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术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，本发明专利技术通过建立模型，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。

【技术实现步骤摘要】
一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法及装置
本专利技术涉及一种岩土工程
，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。
技术介绍
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CN107101924A的专利技术专利“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的专利技术专利“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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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；步骤五，根据所需的测量对象和测量精度设计传感器的类型以及在模型土体系统中的布局。进一步地，所述的步骤一中，还包括：a3.根据几何相似常数对模型整体进行相似一致性的统一，当无法实现统一时，以主要控制变量为主，次要控制变量为辅进行等值的协调设计。进一步地，所述的步骤三中，渗流循环系统的控制参数包括渗流系数、渗流速度和渗流时间。进一步地，所述的步骤三中，还包括渗流循环系统的复核，测量模型土体系统的实际渗流量，根据实际渗流量调节渗流循环系统的控制参数直至实际渗流量和理论渗流量相同。进一步地，所述的步骤四中，所述冻循环系统的控制参数包括冷冻循环系统内冷却液液体温度及循环流量。一种基于如上述设计方法获得的组合地层渗流作用下冻结法模型，其特征在于，包括：模型土体系统，该模型土体系统包括模型箱体，模型箱体内从上往下依次设置软黏土层、砂土层和导水层，所述的模型箱体的一对相对侧面为双层结构，形成进水水槽和出水水槽，该进水水槽和出水水槽的内层下方砂土层处均设有渗水孔；渗流循环系统，该渗流循环系统包括恒温水箱、清水泵和可拆卸控水阀门，可拆卸控水阀门分别安装在进水水槽的顶部和出水水槽的底部，并且均通过导管连接清水泵，形成渗流循环回路，所述的清水泵安装于恒温水箱内；冻结循环系统，该冻结循环系统包括低温恒温泵和冻结管模块，其中冻结管模块包括冻结分管和冻结总管，冻结分管横向插入软黏土层中，冻结分管的两端连接冻结总管，冻结总管连接低温恒温泵，形成冷冻液体循环回路。传感器监测系统，该传感器监测系统包括传感器模块、采集仪和电脑终端；所述传感器模块和采集仪通过测线连接，传感器模块通过位置设计埋设在软黏土层和砂土层内部，所有数据通过采集仪传输储存于电脑终端。进一步地，所述的砂土层选用中细砂。进一步地，所述可拆卸进水阀门为至少四排的矩阵式布置结构。进一步地，安装于出水水槽底部的可拆卸控水阀门还连接有集水容量杯，用于复核实际渗流量。进一步地，所述的传感器模块包括温度传感器、土压力计、孔压力计和位移传感器；所述的温度传感器在相同深度处水平串联布置一排测线，并且在冻结分管、上下冻结帷幕及砂土层渗流边界处一共布置至少四排；土压力传感器在模型箱体最中心处沿相同深度在冻结管、上冻结帷幕及砂层处各布置至少一个，在下冻结帷幕处横向布置至少三个；位移传感器沿渗流方向沿软黏土层和砂土层组成的共同土体的中线位置至少布置三个。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术能够针对沿海软黏土地区具体工程的施工现场，设计和建立其独有的冷冻法模型，帮助解决和研究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过程中，渗流对冻结法及周围环境的影响的问题，通过建立模型实现了冻结效果监测及周围软黏土环境影响效应的指标量化，包括不均匀沉降、局部冻胀力过大等，为优化施工方案及增强安全性提供指标参考，节约修复成本。2、本专利技术通过相似参数的严格设计，能够精确、高效地将施工现场线性转化为模型。3、本专利技术根据几何相似常数对模型整体进行相似一致性的统一，利用等效的原则解决了当现场情况不宜转化为相似模型时的问题，使模型设计时能够进行全面综合的考虑，在有限的条件下建立的模型更加符合工程的实际情况，同时，也能够节约模型的成本。4、本专利技术通过渗流循环系统的复核，能够排除模型土体系统对渗流循环系统的误差影响，对渗流循环系统参数的控制也更符合试验的操作过程，使建立的模型更加接近实际的施工现场。5、本专利技术的模型装置砂土层使用中细砂，使得砂土层的渗透系数大小适中，易于控制渗流水流的稳定性。6、本专利技术不同于现有的模型只安装温度传感器，因组合地层还需要考虑软黏土层的不均匀沉降，所以本专利技术的传感器模块除了温度传感器还设计有土压力计、孔压力计和位移传感器，并对其进行布局设计。用以研究对比有无渗流边界冻结帷幕的温度场及周围温度发展规律、土压力和孔压力发展规律及模型土体表面不均匀沉降规律等。综上，本专利技术通过建立模型，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布局设计进行模拟监测，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。附图说明图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法，其特征在于，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；步骤五，根据所需的测量对象和测量精度设计传感器的类型以及在模型土体系统中的布局。

【技术特征摘要】
1.一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法，其特征在于，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；步骤五，根据所需的测量对象和测量精度设计传感器的类型以及在模型土体系统中的布局。2.根据权利要求1所述的组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法，其特征在于，所述的步骤一中，还包括：a3.根据几何相似常数对模型整体进行相似一致性的统一，当无法实现统一时，以主要控制变量为主，次要控制变量为辅进行等值的协调设计。3.根据权利要求1所述的组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法，其特征在于，所述的步骤三中，渗流循环系统的控制参数包括渗流系数、渗流速度和渗流时间。4.根据权利要求1所述的组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法，其特征在于，所述的步骤三中，还包括渗流循环系统的复核，测量模型土体系统的实际渗流量，根据实际渗流量调节渗流循环系统的控制参数直至实际渗流量和理论渗流量相同。5.根据权利要求1所述的组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法，其特征在于，所述的步骤四中，所述冻循环系统的控制参数包括冷冻循环系统内冷却液液体温度及循环流量。6.一种基于如权利要求1～5任一所述的设计方法获得的组合地层渗流作...

【专利技术属性】
技术研发人员：周洁，李泽垚，肖思奇，王传鹤，赵文强，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31