[发明专利]基于相似理论的模型冻土热参数计算方法

说明书

本发明提供一种基于相似理论的冻土模型热参数计算方法，步骤为利用不同负温下原土的比热和导热系数，拟合得到该原土比热和导热系数随温度的变化曲线，计算单位体积原土的潜热；根据原型与模型的几何尺寸缩比，确定几何相似常数C_l即a；若原型土密度为ρ_p，模型土密度为ρ_m，确定土的密度相似常数C_ρ即为ρ_p与ρ_m的比值；若原型冷源温度为T_p，模型冷源温度为T_m，确定温度相似常数C_T即为T_p与T_m的比值；根据上述所确定的物理参数的相似常数，经计算得出冻土热参数。本发明的效果是该计算方法弥补了冻土温度场模型试验中模型土热参数计算，计算的误差小于0.1℃，精度满足实际工程中的热值的应用，进而保证了模型试验结果的准确性。

技术领域

本发明涉及一种基于相似理论的模型冻土热参数计算方法，主要用于土体冻结模型试验中模型土热物理参数的确定。

背景技术

模型试验是研究复杂物理现象发生机理和发展规律的重要手段，而相似准则是模型试验设计的理论基础。模型试验是将原型按照一定的几何-物理关系制成模型，并用模型代替原型进行试验，将试验所得结果按照相应的相似准则反推到原型。

人工冻结法由于具有施工过程对周围环境影响小、支护结构布置灵活等优点，被广泛应用于隧道、基坑以及其它岩土工程建设中。在实际施工时，为了保障施工安全而延长冻结时间，进而造成资源浪费、延误工期。此外，由于人工冻结法改变了地层原有的温度场，会导致周围地层产生冻胀、融沉现象，使土的工程性质和邻近的建筑物受到不良影响。因此，有必要对冻结温度场进行模型试验，了解冻结区域温度场发展状况，进而为施工提供安全保障。

目前，在冻土温度场模型试验中均采用取自原始现场的土(即原土)作为模型材料。然而在冻土温度场模型试验时，受土体碎散和试验过程中冷源条件的影响，土体的传热过程并不能严格的按照温度缩比C_T等1。此外，实际工程中土体冻结边界并非绝热，而是与周围环境存在着热交换。当采用原土进行土体冻结模型时，根据第三类边界条件相似准则得出几何尺寸缩比必须为1，即模型的尺寸与原型的一致。这使得工程中大尺寸的原型难以实现模型化，也失去了模型试验的意义。因此，需要采用材料变换的方式，寻求与原土热物理性质成相似特性的材料进行模型试验。

准确合理的计算模型土热物理参数是配制模型土的基础，而既有的研究尚未给出模型土热物理参数计算方法。因而，迫切需要一种合理的模型土热参数计算方法，这对冻土温度场模型试验时模型土的配制具有重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于相似理论的模型冻土热参数计算方法，该方法操概念清晰，原理明确。该方法包括以下步骤：

1)利用不同负温下原土的比热和导热系数，拟合得到该原土比热和导热系数随温度的变化关系，即：

C_p(T_p)＝A_pT_p²+B_pT_p+C_0p (1)

λ_p(T_p)＝D_pT_p²+E_pT_p+λ_0p (2)