本發(fā)明涉及土壤凍結(jié)實驗，特別是涉及一種基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、巖土工程凍結(jié)施工法是利用人工制冷技術(shù)把天然巖土變成凍土的地層臨時加固的地基固結(jié)施工法，廣泛應(yīng)用于礦井建設(shè)、地鐵、基坑、地基基礎(chǔ)、水利工程、隧道及其他市政建設(shè)等工程。凍土的強度和變形性質(zhì)是影響凍結(jié)工程安全的重要因素，不同于常規(guī)土體，人工凍土有其特有的力學(xué)性質(zhì)。

2、土是巖石經(jīng)過強烈物理、化學(xué)、生物風(fēng)化后形成的碎散礦物集合體，土體的基本物理性質(zhì)是工程研究的基礎(chǔ)，只有了解清楚土體的基本物理性質(zhì)，才能根據(jù)工程地質(zhì)條件進行工程設(shè)計和施工。

3、現(xiàn)有的巖土工程凍結(jié)實驗方法或系統(tǒng)，多數(shù)基于實驗室數(shù)據(jù)，不便于建立一個完整的土壤凍結(jié)實驗?zāi)Ｐ?，而實際巖土環(huán)境受限于環(huán)境，其各種性質(zhì)各不相同，因此在每一個需要進行巖土凍結(jié)的工程中，都需要重新進行實地測算、實驗，而進行上述操作，需要一定的時間，且?guī)r土工程的實際情況會隨著工程進度發(fā)生變化，不利于工程持續(xù)推進，容易造成施工進度緩慢的情況。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法及系統(tǒng)，能夠提高土壤凍結(jié)實驗的準確度，從而提高施工進度。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法包括：

4、對土壤樣本進行常規(guī)土工參數(shù)實驗，獲取土壤樣本數(shù)據(jù)；

5、根據(jù)所述土壤樣本數(shù)據(jù)，構(gòu)建土壤樣本模型；

6、對所述土壤樣本模型進行凍結(jié)，進行人工凍土力學(xué)性能實驗，構(gòu)建黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型；

7、根據(jù)所述黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型，開展凍土體導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和滲透系數(shù)實驗，得到不同溫度下凍土體導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和滲透系數(shù)等效表達式。

8、可選地，還包括：

9、根據(jù)所述黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型，進行單向凍結(jié)實驗研究凍土的溫度場分布、含水量變化和凍脹位移的產(chǎn)生，構(gòu)建飽和凍土體水熱力多物理場耦合數(shù)學(xué)模型。

10、可選地，所述對所述土壤樣本模型進行凍結(jié)，進行人工凍土力學(xué)性能實驗，構(gòu)建黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型，具體包括：

11、對所述土壤樣本模型進行凍土單軸抗壓強度實驗，得到凍土彈性模量和凍土泊松比；

12、對所述土壤樣本模型進行凍土三軸剪切實驗和凍土的三軸蠕變實驗，構(gòu)建黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型。

13、可選地，所述凍土彈性模量的確定方法：取抗壓強度一半與其所對應(yīng)的應(yīng)變值的比值，即：

14、

15、式中，e為試樣彈性模量，單位為mpa；σs為試樣極限抗壓強度，單位為mpa；ε1/2為試樣極限抗壓強度值一半所對應(yīng)的應(yīng)變值；

16、所述凍土泊松比的確定方法：凍土在彈性范圍內(nèi)橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，即：

17、μ＝εx/εz

18、式中，εx為凍土徑向應(yīng)變值，εz為凍土軸向應(yīng)變值，μ為凍土泊松比。

19、可選地，所述構(gòu)建黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型，具體包括：引入分數(shù)階微分描述凍土蠕變的非線性力學(xué)行為，將分數(shù)階黏滯體、非定常分數(shù)階黏滯體串聯(lián)，構(gòu)建分數(shù)階導(dǎo)數(shù)黏彈塑性蠕變模型。

20、可選地，所述導(dǎo)熱系數(shù)表達式為：

21、

22、式中，t為溫度；tf為土體結(jié)冰溫度；λf為凍土的導(dǎo)熱系數(shù)函數(shù)；λf0為結(jié)冰溫度下對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)；λu為融土的導(dǎo)熱系數(shù)；k、b為系數(shù)；

23、海維賽德階躍函數(shù)的定義如下：

24、

25、定義考慮相變凍土體溫度的海維賽德函數(shù)表達式為：

26、

27、凍土體的等效導(dǎo)熱系數(shù)表達式定義為：

28、λ(t)＝λu·h(t-tf)+λf·[1-h(t-tf)]

29、與導(dǎo)熱系數(shù)表達式結(jié)合，上式進一步表達為：

30、λ(t)＝λu·h(t-tf)+(k·t+b)·[1-h(t-tf)]

31、該式即為考慮相變的凍土體等效導(dǎo)熱系數(shù)表達式。

32、可選地，所述比熱容的表達式為：

33、

34、相變凍土體溫度的海維賽德函數(shù)構(gòu)建凍土體的等效比熱容表達式：

35、c(t)＝cu·h(t-tf)+cf·[1-h(t-tf)]

36、相變凍土體溫度的海維賽德函數(shù)構(gòu)建凍土體的等效滲透系數(shù)表達式：

37、k(t)＝ku·h(t-tf)+kf·[1-h(t-tf)]

38、式中，ku為未凍土體滲透系數(shù)；kf為凍土體滲透系數(shù)。

39、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了如下方案：

40、一種基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗系統(tǒng)包括：

41、土壤樣本數(shù)據(jù)獲取模塊，用于對土壤樣本進行常規(guī)土工參數(shù)實驗，獲取土壤樣本數(shù)據(jù)；

42、土壤樣本模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)所述土壤樣本數(shù)據(jù)，構(gòu)建土壤樣本模型；

43、人工凍土力學(xué)性能實驗?zāi)K，用于對所述土壤樣本模型進行凍結(jié)，進行人工凍土力學(xué)性能實驗，構(gòu)建黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型；

44、凍土體導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和滲透系數(shù)確定模塊，用于根據(jù)所述黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型，開展凍土體導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和滲透系數(shù)實驗，得到不同溫度下凍土體導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和滲透系數(shù)等效表達式。

45、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了如下方案：

46、一種電子設(shè)備包括存儲器及處理器，所述存儲器用于存儲計算機程序，所述處理器運行計算機程序以使電子設(shè)備執(zhí)行基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法。

47、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了如下方案：

48、一種計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法。

49、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

50、本發(fā)明提供一種一種基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法，該方法包括：對土壤樣本進行常規(guī)土工參數(shù)實驗，獲取土壤樣本數(shù)據(jù)；根據(jù)所述土壤樣本數(shù)據(jù)，構(gòu)建土壤樣本模型；對所述土壤樣本模型進行凍結(jié)，進行人工凍土力學(xué)性能實驗，構(gòu)建黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型；根據(jù)所述黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型，開展凍土體導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和滲透系數(shù)實驗，得到不同溫度下凍土體導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和滲透系數(shù)等效表達式。本發(fā)明能夠提高土壤凍結(jié)實驗的準確度，從而提高施工進度。

技術(shù)特征：

1.一種基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法，其特征在于，還包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法，其特征在于，所述對所述土壤樣本模型進行凍結(jié)，進行人工凍土力學(xué)性能實驗，構(gòu)建黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型，具體包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法，其特征在于，所述凍土彈性模量的確定方法：取抗壓強度一半與其所對應(yīng)的應(yīng)變值的比值，即：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法，其特征在于，所述構(gòu)建黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型，具體包括：引入分數(shù)階微分描述凍土蠕變的非線性力學(xué)行為，將分數(shù)階黏滯體、非定常分數(shù)階黏滯體串聯(lián)，構(gòu)建分數(shù)階導(dǎo)數(shù)黏彈塑性蠕變模型。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法，其特征在于，所述導(dǎo)熱系數(shù)表達式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法，其特征在于，所述比熱容的表達式為：

8.一種基于權(quán)利要求1-7任意一項所述的巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括：

9.一種電子設(shè)備，其特征在于，所述電子設(shè)備包括存儲器及處理器，所述存儲器用于存儲計算機程序，所述處理器運行計算機程序以使電子設(shè)備執(zhí)行權(quán)利要求1-8任一項所述的基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法。

10.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)權(quán)利要求1-8任一項所述的基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種基于巖土工程凍結(jié)施工的土壤凍結(jié)實驗方法及系統(tǒng)。該方法包括：對土壤樣本進行常規(guī)土工參數(shù)實驗，獲取土壤樣本數(shù)據(jù)；根據(jù)所述土壤樣本數(shù)據(jù)，構(gòu)建土壤樣本模型；對所述土壤樣本模型進行凍結(jié)，進行人工凍土力學(xué)性能實驗，構(gòu)建黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型；根據(jù)所述黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型，開展凍土體導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和滲透系數(shù)實驗，得到不同溫度下凍土體導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和滲透系數(shù)等效表達式。本發(fā)明能夠提高土壤凍結(jié)實驗的準確度，從而提高施工進度。

技術(shù)研發(fā)人員：盧清碧,張潮潮,詹濤,朱碧堂,王天成,單生彪,劉松
受保護的技術(shù)使用者：中建三局集團有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15