[发明专利]用于地层中构筑物冻结施工的水热耦合数值模拟方法和装置

权利要求书

1.一种用于地层中构筑物的冻结施工的水热耦合数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立用于模拟水热耦合过程的温度场控制方程：

其中，T为温度，c_m为土体等效热容，c_w为水的热容，λ_m为土体导热系数，ρ_w为水的密度，L_iw为冰水相变潜热，u_w为地层水流速，c(T)为土体冻结特征曲线θ_u(T)的导数，即并且c_m、c_w、λ_m、ρ_w、L_iw、u_w和c(T)为所述温度场控制方程的计算参数，所述温度T为待计算变量；

基于建立的所述温度场控制方程，设置数值模拟边界条件和初始条件，建立水热耦合有限元数值模型；

从地勘资料获得所述温度场控制方程中的至少一部分所述计算参数的值，基于地层土样实验获得所述冻结特征曲线的表达式；

根据获得的所述计算参数的所述值或表达式通过所述有限元数值模型计算所述地层的土体的温度T，以确定所述水热耦合过程的温度场分布，根据计算的所述温度T通过所述有限元数值模型计算所述地层的所述土体的未冻水含量θ_u和含冰量θ_i，以确定所述水热耦合过程的水分场分布。

2.根据权利要求1所述的水热耦合数值模拟方法，其特征在于，以原始水热耦合控制方程：

为基础，设置方程变换条件，根据所述方程变换条件建立所述温度场控制方程。

3.根据权利要求2所述的水热耦合数值模拟方法，其特征在于，所述方程变换条件包括：

第一变换条件：所述地层的土体含水量θ_w饱和，据此具有第一变换方程：

ρ_wθ_w＝ρ_iθ_i+ρ_wθ_u；

第二变换条件：饱和情况中的所述土体含水量θ_w恒定，据此基于所述第一变换方程具有第二变换方程：

将所述第二变换方程进行偏微分变换获得第三变换方程：

根据所述第三变换方程，将所述原始水热耦合控制方程变换为所述温度场控制方程。

4.根据权利要求1所述的水热耦合数值模拟方法，其特征在于，所述数值模拟边界条件包括预设的冻结管温度和地下水流速，所述数值模拟初始条件包括预设的地层初始温度。

5.根据权利要求1所述的水热耦合数值模拟方法，其特征在于，所述温度场控制方程中的所述计算参数c_m、c_w、λ_m、ρ_w、L_iw和u_w从所述地勘资料获得，以及通过所述地层土样实验获得所述计算参数θ_u(T)的表达式并通过计算获得其导数c(T)。

6.根据权利要求5所述的水热耦合数值模拟方法，其特征在于，用于获得所述冻结特征曲线θ_u(T)的所述地层土样实验包括：取所述地层中的冻结壁范围内的地层土样进行室内核磁共振试验，获得所述冻结特征曲线θ_u(T)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的水热耦合数值模拟方法，其特征在于，建立所述水热耦合有限元数值模型包括：将建立的所述温度场控制方程输入有限元数值模拟装置的建模模块，同时设置所述数值模拟边界条件和初始条件，以建立所述水热耦合有限元数值模型。