基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设方法技术

本发明专利技术提供一种基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设方法，首先通过现运用熵值法客观分析指标权重并结合可拓云模型进行融沉等级判别；然后结合热水耦合数值模拟分析各等级温度场分布规律，再通过模拟的温度场结果分析热棒的布设参数。本发明专利技术可以更全面划分融沉等级，模拟不同等级路基温度场，准确布设热棒，减少热棒成本，提高热棒作用效果。更加适用于道路融沉等级分布复杂地区，对于减少道路融沉性破坏、提高热棒使用效率、防治极寒冻土区路基病害有实际工程价值及借鉴意义。区路基病害有实际工程价值及借鉴意义。区路基病害有实际工程价值及借鉴意义。

【技术实现步骤摘要】
基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设方法


[0001]本专利技术涉及冻土施工
，具体说，涉及一种基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设方法。

技术介绍

[0002]冻土是一种温度在零摄氏度以下，土颗粒被冰所胶结的特殊岩土。冻土在地球上有着广泛的分布，随着全球气候变暖加剧了冻土退化，包含有冻土的道路地基的融沉变形使得道路工程整体受力不均，岩土体力学性质发生变化，严重威胁道路安全。通常采用布设热棒的方式保持路基冻土的稳定性，而在热棒布设施工过程中，需要通过准确分析冻土融沉风险等级与温度场分布规律以提高防冻土融沉效率。
[0003]现有技术中，需要利用JGJ 118—2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》对冻土进行融沉等级评价；但是现有的冻土融沉等级评价方法具有弊端如下：1)融沉性分类标准中的评价指标相对单一，导致融沉分类结果与实际情况存在偏差；2)融沉性分类标准中的评价指标中包括含水率、孔隙比、体积含冰量及超塑含水率，各个指标之间存在一定的模糊性和随机性，导致融沉分类结果存在偏差。
[0004]因此，亟需一种更加精准的基于冻土融沉分级的热棒布设方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，提供一种基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设方法，以解决现有技术中存在的至少一个问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设方法，方法包括：
[0007]获取待施工冻土路基的路基土试样的融沉数据、预设的冻土融沉等级以及各个冻土融沉等级对应的各融沉评价指标的界限值；其中，融沉评价指标包括含水率、孔隙比、含冰量和超塑含水率；冻土融沉等级包括不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五个等级；
[0008]根据待施工冻土路基的路基土试样的融沉数据、预设的冻土融沉等级以及各个冻土融沉等级对应的各融沉评价指标的界限值，通过预设的熵值可拓云综合评价模型获取路基土试样的各个冻土融沉等级的关联度；利用最大关联度原则，根据路基土试样的各个冻土融沉等级的关联度判别路基土试样的冻土融沉等级；
[0009]基于预设的温度场热水耦合数值模拟，通过预设的冻土路基温度场热水耦合模型构建待施工冻土路基的融沉级别对应的温度场；
[0010]根据待施工冻土路基的融沉级别对应的温度场进行热棒布设施工。
[0011]进一步，优选的方法为，熵值可拓云综合评价模型的获取方法，包括：
[0012]根据预设的冻土融沉等级以及各个冻土融沉等级对应的各融沉评价指标的界限值，获取云数字特征值；
[0013]根据云数字特征值获取路基土试样的融沉数据中各融沉评价指标的关联度，并根
据关联度构建可拓云矩阵S；利用熵值法获取融沉评价指标的权重向量W；根据融沉评价指标的权重向量W和可拓云矩阵S，通过以下公式获得综合可拓云评价矩阵Q；
[0014][0015]其中，w
t
表示第t个融沉评价指标的权重，μ
nm
表示路基土试样的融沉数据中各融沉评价指标的关联度，m表示m个融沉等级，n表示n个融沉评价指标。
[0016]进一步，优选的方法为，利用熵值法获取融沉评价指标的权重的方法，包括：
[0017]根据r个待评价样本和t个融沉评价指标，获取原初始数据矩阵X以及第r个样本的第t项融沉评价指标的原始数值；
[0018]对原初始数据矩阵X进行归一化处理，获取标准化矩阵Y＝(y
rt
)，并根据第r个样本的第t项融沉评价指标的原始数值获得标准化处理后的原始数值占数值总和的比，进而获取第t个融沉评价指标中任意指标的熵值e
t
，并根据第t个融沉评价指标中任意指标的熵值e
t
获取第t个融沉评价指标的差异系数；
[0019]根据第t个融沉评价指标的差异系数，通过以下公式获取第t个融沉评价指标的权重w
t
：
[0020][0021]其中，g
t
为第t项融沉评价指标的差异系数。
[0022]进一步，优选的方法为，温度场热水耦合数值模拟的获取方法，包括：
[0023]建立温度场控制方程和水分场控制方程；
[0024]根据固液比与相对饱和度，将温度场控制方程与水分场控制方程耦合，获得冻土路基温度场热水耦合模型；
[0025]将冻土路基温度场热水耦合模型中的温度场控制方程和水分场控制方程，分别转化为COMSOL Multiphysics软件可识别的系数偏微分方程；
[0026]利用COMSOL Multiphysics软件，根据转化后的冻土路基温度场热水耦合模型进行温度场热水耦合数值模拟。
[0027]进一步，优选的方法为，通过预设的冻土路基温度场热水耦合模型构建待施工冻土路基的融沉级别对应的温度场的方法包括，
[0028]对待施工的冻土路基构建路基模型；
[0029]根据路基模型、路基温度场模拟的上边界条件以及待施工路基的物理参数，通过预设的冻土路基温度场热水耦合模型构建待施工路基的融沉等级的温度场。
[0030]进一步，优选的方法为，根据待施工冻土路基的融沉级别对应的温度场进行热棒布设施工的方法，包括，
[0031]根据竖直方向沿路基中部向下设定距离处的全年地温随时间的变化图、温度场等值线图和路基不同位置的温度场曲线图，进行热棒布设施工；
[0032]其中，根据待施工冻土路基的融沉级别对应的温度场、待施工冻土路基的融沉级
别以及待施工冻土路基处的全年温度变化情况，绘制竖直方向沿路基中部向下设定距离处的全年地温随时间的变化图；
[0033]根据全年地温随时间的变化图，绘制根据待施工冻土路基的融沉级别对应的温度场等值线图。
[0034]进一步，优选的方法为，路基温度场模拟的上边界条件根据附面层理论通过以下公式实现：
[0035][0036]其中，T0为当地初始年平均温度；G(t)为年平均气温随年份上升的温度，℃/a；ζ
d
为日平均气温的年振幅，℃；t为时间长度，Φ＝π。
[0037]本专利技术还包括基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设系统，系统包括，
[0038]数据获取单元，用于获取待施工冻土路基的路基土试样的融沉数据、预设的冻土融沉等级以及各个冻土融沉等级对应的各融沉评价指标的界限值；其中，融沉评价指标包括含水率、孔隙比、含冰量和超塑含水率；冻土融沉等级包括不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五个等级；
[0039]融沉等级判定单元，用于根据待施工冻土路基的路基土试样的融沉数据、预设的冻土融沉等级以及各个冻土融沉等级对应的各融沉评价指标的界限值，通过预设的熵值可拓云综合评价模型获取路基土试样的各个冻土融沉等级的关联度；利用最大关联度原则，根据路基土试样的各个冻土融沉等级的关联度判别路基土试样的冻土融沉等级；
[0040]温度场构建单元，用于基于预设的温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设方法，其特征在于，方法包括：获取待施工冻土路基的路基土试样的融沉数据、预设的冻土融沉等级以及各个冻土融沉等级对应的各融沉评价指标的界限值；其中，所述融沉评价指标包括含水率、孔隙比、含冰量和超塑含水率；所述冻土融沉等级包括不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五个等级；根据待施工冻土路基的路基土试样的融沉数据、预设的冻土融沉等级以及各个冻土融沉等级对应的各融沉评价指标的界限值，通过预设的熵值可拓云综合评价模型获取所述路基土试样的各个冻土融沉等级的关联度；利用最大关联度原则，根据所述路基土试样的各个冻土融沉等级的关联度判别所述路基土试样的冻土融沉等级；基于预设的温度场热水耦合数值模拟，通过预设的冻土路基温度场热水耦合模型构建待施工冻土路基的融沉级别对应的温度场；根据所述待施工冻土路基的融沉级别对应的温度场进行热棒布设施工。2.根据权利要求1所述的基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设方法，其特征在于，所述熵值可拓云综合评价模型的获取方法，包括：根据预设的冻土融沉等级以及各个冻土融沉等级对应的各融沉评价指标的界限值，获取云数字特征值；根据所述云数字特征值获取路基土试样的融沉数据中各融沉评价指标的关联度，并根据所述关联度构建可拓云矩阵S；利用熵值法获取融沉评价指标的权重向量W；根据所述融沉评价指标的权重向量W和所述可拓云矩阵S，通过以下公式获得综合可拓云评价矩阵Q；其中，w
t
表示第t个融沉评价指标的权重，μ
nm
表示路基土试样的融沉数据中各融沉评价指标的关联度，m表示m个融沉等级，n表示n个融沉评价指标。3.根据权利要求2所述的基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设方法，其特征在于，利用熵值法获取融沉评价指标的权重的方法，包括：根据r个待评价样本和t个融沉评价指标，获取原初始数据矩阵X以及第r个样本的第t项融沉评价指标的原始数值；对所述原初始数据矩阵X进行归一化处理，获取标准化矩阵Y＝(y
rt
)，并根据所述第r个样本的第t项融沉评价指标的原始数值获得标准化处理后的原始数值占数值总和的比，进而获取第t个融沉评价指标中任意指标的熵值e
t
，并根据第t个融沉评价指标中任意指标的熵值e
t
获取第t个融沉评价指标的差异系数；根据第t个融沉评价指标的差异系数，通过以下公式获取第t个融沉评价指标的权重w
t
：其中，g
t
为第t项融沉评价指标的差异系数。4.根据权利要求1所述的基于冻土融沉分级与温度场分布规律的热棒布设方法，其特征在于，所述温度场热水耦合数值模拟的获取方法，包括：
建立温度场控制方程和水分场控制方程；根据固液比与相对饱和度，将所述温度场控制方程与所述水分场控制方程耦合，获得冻土路基温度场热水耦合模型；将所述冻土路基温度场热水耦合模型中的温度场控制方程和水分场控制方程，分别转化为COMSOL Multiphysics软件可识别的系数偏微分方程；利用COMSOL M...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚义峰，侯晓辉，杨晓龙，吴荣，杜以为，刘波，王伟，马鹏达，高成梁，
申请(专利权)人：中交路桥北方工程有限公司中国路桥工程有限责任公司长春工程学院，
类型：发明
国别省市：