[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

说明书

本申请提出一种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，包括：建立用于模拟水热耦合过程的温度场控制方程：基于建立的温度场控制方程，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；从地勘资料获得温度场控制方程中的至少一部分计算参数的值，基于地层土样试验获得冻结特征曲线的表达式；根据计算参数的值或表达式通过有限元数值模型计算土体温度T，以确定温度场分布，根据温度T通过有限元数值模型计算土体未冻水含量θsubgt;u/subgt;和土体含冰量θsubgt;i/subgt;，以确定水分场分布。

技术领域

本申请涉及建筑过程的数值模拟，具体而言，涉及用于地层冻结施工的水热耦合数值模拟方法和装置。

背景技术

在现代社会，在地层中建造构筑物已十分普遍。例如，地铁、地下运输管道、地下电缆和光缆、地层中建筑物等。在地层中建造构筑物要求地层土壤具有足够的稳固度，工程人员使用多种方法在工程开始前加固地层土壤。地层冻结法是目前广泛使用的一种加固地层土壤的方法，尤其适用于含水量丰富的富水地层的土壤加固。地层冻结法用人工制冷的方法，将待建造构筑物周围的含水地层进行冻结，形成具有临时承载和隔水作用并满足工程施工安全需要的冻结壁，然后借助冻结壁的支承保护进行构筑物掘砌作业。

冻结施工过程中，地层土体的温度场和水分场实时变化，冰水之间产生相变，土体温度场和水分场之间存在耦合作用。通过在施工之前对地层进行水热耦合数值模拟，工作人员可以选用合适的操作参数和相应的施工方法实现优化的作业效果。

然而，现有的水热耦合数值模拟方法的精度和普适性亟待提高。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于地层冻结施工的水热耦合数值模拟方法及相应的装置，其模拟精度和普适性均优于现有模拟方法和装置。

为了实现上述目的，本申请的第一方面，提出了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；

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

根据获得的计算参数的值或表达式通过有限元数值模型计算土体温度T，以确定水热耦合过程的温度场分布，进一步，根据计算的温度T通过有限元数值模型计算土体未冻水含量θ_u和土体含冰量θ_i，以确定水热耦合过程的水分场分布。

可选地，以原始水热耦合控制方程：

为基础，设置方程变换条件，根据方程变换条件建立温度场控制方程。

可选地，方程变换条件包括：

第一变换条件：地层的土体含水量θ_w饱和，据此具有第一变换方程：