一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法及装置与流程

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cn107101924a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。

技术实现要素：

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；

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，本发明具有以下优点：

1、本发明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、本发明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、本发明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、本发明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、本发明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、本发明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，所以本发明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为冻结法模型的结构示意图；

图2为进水水槽外层的结构示意图；

图3为冻结管模块示意图；

图4为拆减冻结分管后的冻结管模块示意图；

附图标记：1、模型箱体，2、软黏土层，3、砂土层，4、导水层，5、排水导管，6、进水水槽，7、出水水槽，8、可拆卸控水阀门，10、渗流循环进水导管，11、渗流循环出水导管，12、渗水孔，13、恒温水箱，14、集水容量杯，15、低温恒温泵，16、冻结循环进水导管，17、冻结循环出水导管，18、冻结总管，19、冻结分管，20、清水泵，21、电脑终端，22、温度传感器，23、土压力传感器，24、孔隙水压力传感器，25、位移传感器，26、温度采集仪，27、应变式采集仪，28、空心条带，32、连接螺母，33、闭孔螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供了一种组合地层渗流作用下冻结法模型设计方法及装置，通过模型的建立实现了人工软黏土地层冻结法在面临较大渗流边界影响下，冻结效果监测及周围软黏土环境影响效应的指标量化。其具体步骤如下：

第一步，根据相似原理设计模型的各个相似设计常数，包括几何相似常数的确定、渗流相似常数的确定、传热相似常数的确定及整体系统的相似一致性的设计。本实施中，几何相似比的确定选取上海地区较常见的原型为埋置深度为12m，冻结宽度为6m的地铁隧道联络通道，综合考虑研究范围、边界效应及模型大小，几何相似常数拟采用为1:30。

渗透相似常数的确定：通过渗流相关物理量的量纲分析，以几何相似常数为基础推导出渗流各相关控制物理量的相似常数。本实施例地铁隧道旁通道冻结法施工工况中，土体都处在饱和状态，流速较小，符合达西定律：

v＝ki

其中：v为渗流速度，k为渗透系数，i为水力梯度。渗透系数k可以通过土体固有的渗透率k以及液体的粘滞性得到：k＝kρg/η，式中，ρ为流体的密度，η为液体的动力粘滞系数，土体固有的渗透率k之和土体颗粒形状，大小以及排列情况有关。当原型和离心模型使用同一种土体以及流体时，即ηm＝ηp，ρm＝ρp时，则：

根据v＝ki可知，渗流速度v的相似比为：

渗流时间t的相似比为：

因此渗流各相关控制物理量的相似常数如下表：

有关渗流物理量量纲及相似常数表

传热相似常数的确定：通过渗流相关物理量的量纲分析，以几何相似常数为基础推导出渗流各相关控制物理量的相似常数。本实施例冻结法土体与冻结管冷冻循环液体传热过程中，多孔介质内的传热过程包括固体骨架直接相互接触及空隙中流体的导热过程；空隙中流体的对流换热(根据驱动力的不同又可以分为强制对流和自然对流，或者两者混合对流，也包括相变传热)；固体颗粒及气体之间的辐射传热。

对直径不超过4mm的多孔介质，在grpr＜1000时，其空隙中的强制对流和自然对流换热可以忽略不计，而辐射换热的贡献，只是在固体颗粒间温差较大，空隙为真空或者气体的时候才比较明显。故本试验仅考虑热传导和相变传热。

热传导方程：

q(w/m²)是与传输方向相垂直的单位面积上的热流速率；k是介质的热导率。当原型和模型使用同一种土体以及流体时，材料的热导率k相同。为保证试验温度比尺为1:1，模型热流速率的相似比为：

固体换热与相变对流换热、相变物质相变过程中所产生的潜热为：

δq＝-cphaselmphasel+cphase2mphase2

其中cphase1，mphase1分别为相变前物质的比热容和质量，cphase2，mphase2为相变后物质的比热容和质量。当原型和模型使用同一种土体时：

因此传热各相关控制物理量的相似常数如下表：

有关热传导物理量量纲及相似常数表

整体系统的相似一致性的设计，通过以几何相似常数为基础进行协调统一，但当模型因为相似统一存在实现困难时，以主要控制变量为主，次要控制变量为辅进行协调设计。本实施例中，实际冻结管尺寸为89mm～105mm，而模型试验在工业上能够制作模拟的冻结管直径最小为8mm，无法满足几何相似常数的1:30，考虑到模型与原型的冻结管相对于冻结区域的几何尺寸来说都相对较小，故而忽略冻结管尺寸，仅考虑对冻结效果的影响，即保证冻结温度场的一致性，可通过热流密度一致来保证传热过程的相似。根据旁通道冻结法技术规程，冻结管吸热能力按下式计算：

qt＝∑liπdk

其中：

qt—冻结管总吸热能力(kj/h)；

li—冻结管长度(m)；

d—冻结管的直径(m)；

k—冻结管吸热系数；

盐水泵流量可按下式确定：

其中：

q-一个冷冻站所需的冷量，kj/h；

γ-盐水密度，kg/m³；

c-盐水比热，kj/kg·℃；

δt-去回路盐水温差，℃；

冷冻站制冷能力由下式确定：

q＝mqt

其中：

q—冷冻站制冷能力(kj/h)；

m—冷量损失系数，取1.1～1.2。

在本实施例中，为使冻结系统在传热学上满足相似关系，冻结管的直径，冻结管的根数n，盐水泵流量w，应满足：

其中nm，np为模型与原型一个盐水泵所接冻结管的根数。

上海市典型的埋置深度为12m，冻结宽度为6m的地铁隧道联络通道冻结工程，若采用为1:30的几何相似常数，计算得冻结管埋深40cm，冻结系统宽度20cm；原型冻结管直径为89mm，单根冻结管盐水流量为wp′＝3m³/h，冻结管一排为七根，当模型冻结管直径为8mm，冻结管排布7根时，模型一个盐水泵所需的流量：

综合以上相似常数的设计，模型装置各部分的尺寸及性能要求均可确定。

第二步，根据施工现场和几何相似常数设计模型土体系统。为了在模拟软黏土下覆存在较大渗流砂层时，研究渗流对上覆具有冻敏感特性的软黏土冻结法施工，以及周围软黏土环境带来影响，采取了上覆软黏土层结合下覆砂土层进行充水承压的组合设计。

如图1所示，本实施例模型土体系统包括模型箱体1，模型箱体1内从上往下依次设置软黏土层2、砂土层3和导水层4。模型箱体1用于提供盛放软黏土层2和砂土层3组成的模型土体的试验场所，底部导水层4及周围排水通道用于预压固结模型土体。

模型箱体1的一对相对侧面为双层结构，形成进水水槽6和出水水槽7，该进水水槽6和出水水槽7的内层下方设有渗水孔12。软黏土层2经过严格经过标准参数控制进行软黏土重塑，分层填设，并通过砂土层3、导水层4和排水导管5进行预压固结至恢复软黏土结构性，达到充分饱和且各向同性及均质；砂土层3选用中细砂，原因是中细砂颗粒大小以下砂土层3渗透系数过小，需要设置足够大的水头差才能达到预设渗流速度；中砂颗粒大小以上砂土层3渗透系数过大，水流稳定性控制困难；另外，整个模型箱体1采用透明有机玻璃制作，便于观察。

第三步，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。渗流循环系统包括恒温水箱13、清水泵20和可拆卸控水阀门8，可拆卸控水阀门8分别安装在进水水槽6的顶部和出水水槽7的底部，并且通过渗流循环进水导管10和渗流循环出水导管11连接清水泵20，形成渗流循环回路，清水泵20安装于恒温水箱13内。第三步中还包括渗流循环系统的复核，用于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。旨在为模型土体软黏土层2边界处提供恒定温度及恒定渗流速度的循环水体且渗流量能精确复核。

具体地说，如图1和图2所示，采用恒温水箱13及置于其中的流量控制式清水泵20连接模型箱体1，提供恒定温度及恒定流量的循环水体，并以渗流循环进水导管10和渗流循环出水导管11分别连接模型箱体1进水水槽6外层上方的4个不同高度位置处的可拆卸控水阀门8，模型箱体1出水槽外层底部同样的设置4个不同高度位置处的可拆卸控水阀门8。清水泵20通过进水水槽6和出水水槽7内层下方的渗水孔12，使水流作用在砂土层3，以及软黏土层2和砂土层3的边界处。渗水孔12为进水水槽6和出水水槽7内层上间隔距离为6mm×6mm、直径为2mm的圆孔。内层上还设有空心条带28，为冻结循环系统的冻结分管19预留位置。另外，安装于出水水槽7底部的可拆卸控水阀门8为三通阀门，一端连接渗流循环出水导管11，一端连通可量体积及重量的集水容量杯14，可精确复核单位时间内通过模型土体的渗流量。

第四步，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。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。冻结循环系统包括低温恒温泵15和冻结管模块，冻结管模块设计采用冻结总管18和可拆卸式冻结分管19的组合模式，冻结分管19横向插入软黏土层2中，冻结分管19的两端连接冻结总管18，冻结总管18连接低温恒温泵15，依此最大限度模拟现场人工地层冻结法热交换模式。冻结循环控制参数的设计，根据第一步中相似常数的推导计算，为了保证模型土体内部温度场和工程实际原型温度场的一致性，当改变冷冻循环液体的温度、冻结分管19的根数时，相对应所需的冷液循环流量会相应变化，本实施例采用7根冻结分管19，材料和原型冻结管一致的碳钢管，冷冻循环液体的温度采用和原型的28～30℃一致，计算所得循环流量需30l/min。本实施例中低温恒温泵15，其设备性能可控制-20～-40低温液体，最大循环流量控制在50l/min，因此设定其温度及流量值后，通过上下两端的冻结循环进水导管16和冻结循环出水导管17与冻结管总管18相连，经过模型土体内部的冻结分管19的传输，形成闭合的冻结循环系统。

此外，冻结总管18和模型箱体11一起采用聚乙烯泡沫进行整体保温。如图3和图4所示，与冻结总管18相连的冻结分管19采用连接螺母32进行可拆卸式设计，当需要减少冻结管数量时，可通过闭孔螺钉33将拆卸冻结分管19后遗留的螺纹孔进行闭合处理。冻结总管18上均匀分布有螺纹孔，冻结分管19两端均采用螺母32连接，连接前需采取止水胶带进行防渗漏处理。冷冻剂采用性质相对稳定的乙二醇或氯化钙溶液(盐水)，可取凝固点低达-45℃的汽车防冻液，不建议选取高浓度酒精，挥发性强，具有危险性。

第五步，设计传感器监测系统，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单元中的布局。为了检验渗流速度对冻结效果的影响及获取周围软黏土环境效应的指标规律，需要尽可能的获取各相关指标量在不同位置处的对比规律。传感器监测系统包括传感器模块、温度采集仪26、应变式采集仪27和电脑终端21；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2和砂土层3内部，所有数据通过采集仪传输储存于电脑终端21。

本实施例中，如图1所示，传感器模块包括温度传感器22、土压力传感器23、孔隙水压力传感器24和位移传感器25。温度传感器22采用热电偶串，埋设简便，易分布及采集；采用以每五个温度热电偶串为一条测线，分别在冻结分管19、上下冻结帷幕及砂土层3渗流边界处一共布设四排；土压力传感器23和孔隙水压力传感器24分别采用应变式压力计，在模型土体最中心处同一深度在冻结分管19、上冻结帷幕及砂土层3处各布置1个，下冻结帷幕处由于渗流影响较大横向布置三个；位移传感器25采用lvdt位移计沿渗流方向沿模型土体中线位置分别布置五个。热电偶串与温度采集仪26相连，压力计与位移计均与应变式采集仪27相连，共同连接到电脑终端21中，进行监测与采集存储。由于热电偶和其他传感器采集原理存在差别，且采集数量和数据庞大，故温度数据单独采用独立采集仪设备进行安装调试连接；电脑终端21宜采用笔记本电脑，便于携带和运输。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。