一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法与流程

1.本发明涉及地下工程加固、地下水防治技术领域，具体来说，涉及一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法。


背景技术：

2.随着盾构施工技术的日益成熟，在隧道建设过程中盾构法以其优越性在城市地铁隧道、给水隧道等工程中得到了广泛应用，盾构法施工的始发与接收工程在尺寸上虽仅占整条隧道的一小部分，但在整个盾构法施工中，始发与接收两道工序一直是盾构掘进施工中的重难点和风险点，是最容易产生事故的两道工序，也是最关键的两道工序，一旦盾构作业始发与接收失败，导致涌水涌砂等重大事故，将直接影响到整个隧道工程的成败。特别是在城市中心富水含砂黏土地层，不但交通疏解难度大，地下管线复杂，而且地面加固方案可行性低的地区进行盾构施工时，如何规避盾构始发与接收过程中的施工风险，一直是施工技术人员重点关注的问题。
3.冻结法作为一种绿色清洁、形式多样、可控性高、效果优良的土体加固方法，多用于矿井工程，其竖向冻结加固凿井技术工程经验丰富，已形成较为成熟的理论体系。而从上世纪90年代起，人工冻结法作为一种实用的地层加固技术也开始广泛的应用于城市地下工程建设中去。冻结法加固地层因强度大且稳定，采用冻结法对盾构作业始发与接收工作进行保护，能够冻结地层水，加固洞口周围土层，而被广泛采用，可采用从地面竖直冻结的方式，也可采用从始发与接收竖井内向地层的水平冻结的方式。
4.目前，从地面竖直冻结的研究成果较多，但针对富水含砂黏土地层水平冻结研究成果甚少，在水平多圈杯型冻结施作过程中，温度场变化规律、冻结壁的发展机理及特性仍需进一步的研究。
5.冻土是由土颗粒、未冻水、冰体和气体组成的多相体，其热参数与冻土各相组成尤其是未冻水含量息息相关。未冻水与冻土热参数之间的关联性，对于提升寒区工程建设和人工冻结法施工中的温度场精度定具有重要作用。
6.冻结法施工中的温度场确定地下工程周围地层冻结过程中地层空间温度随时间变化的规律，是一个相变的，有内热源的，边界条件移动的、复杂的、不稳定的导热问题。现有的研究理论认为复合介质的热传导存在垂直流、平行流、混合流三种状态，传统求解冻结法施工中温度场的方法主要有解析法、模拟法、近似法等，但因温度场受未冻水含量、土的含盐量、冻结温度、导温系数等复杂性、多变性因素影响，现有的计算偏于理想化，复杂工况下导致实际计算结果偏差较大，计算精度不够。同时，目前，针对土体热传导主要有正交土柱、单粒径最紧密土柱、双粒径土柱及土颗粒球缺接触等理论，针对土体热传导路径主要存在垂直流、平行流、混合流等状态，但不同的理论、不同的路径适应条件不尽相同，差异性较大。
7.考虑到混合流状态下冻结初期土体的最小热阻传递效应，本发明基于冻土土颗粒、未冻水、冰体和气体间的空间正交球缺接触特点，将孔隙水与孔隙冰的传热形式定义为
垂直流、土颗粒与冰水混合物之间的传热形式定义为平行流，以更符合实际情况，采用具有直接性、无损性、精度高等优点的核磁共振法对冻土未冻水量进行测试，分析冻土冻结过程中土样各相体积占比，得到富水含砂低液限黏土地层冻土在混合流下的导热参数的最佳计算方法，以为富水含砂低液限黏土地层盾构开挖时水平冻结设计优化提供新的热参数最佳计算方法。
8.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

9.(一)解决的技术问题
10.针对现有技术的不足，本发明提供了富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，应用核磁共振法测试土颗粒热传导几何路径，精确表征冻结过程土样中各相体积占比，并采用等效球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化，从而获得富水含砂低液限黏土地层冻土的热传导参数计算方法，以解决富水含砂低液限黏土地层建设隧道采用盾构法施工时，应用冻结法对盾构始发与接收工作进行加固设计冻结温度场中地层热参数计算精度、适用性不强的问题。
11.(二)技术方案
12.为实现上述计算结果精确度高的目的，本发明采用的具体技术方案如下：
13.一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，该计算方法包括以下步骤：
14.s1、采用等效球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化得到符合热传导集合路径的土地状态；
15.s2、通过等效球缺接触土颗粒和球体土颗粒的几何关系计算土颗粒球缺体部分与土颗粒球缺体颗粒的体积；
16.s3、基于球体土颗粒建立热传导路径几何模型，并在模型内部形成冻土冻结；
17.s4、通过分析冻土冻结过程中土样各项体积占比，得到富水含砂低液限黏土地层冻土在混合流下的导热参数的最佳计算方法。
18.进一步的，所述采用等效球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化得到符合热传导集合路径的土地状态中土颗粒等效球缺接触的土颗粒体积小于球体颗粒体积。
19.进一步的，所述基于球体土颗粒建立热传导路径几何模型，并在模型内部形成冻土冻结包括以下步骤：
20.s31、将球体土颗粒作为骨架在正交三维坐标系中建立等大球体土颗粒球缺接触简单堆积的热传导路径几何模型，同时将球体土颗粒在模型内部以正交方式进行排列；
21.s32、在热传导路径几何模型内部其它区域充满孔隙水；
22.s33、在远离球体土颗粒的孔隙水中形成冰体，同时冰体在孔隙水中与球体土颗粒进行接触直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态。
23.进一步的，所述在远离土颗粒的孔隙水中形成冰体，同时冰体在孔隙水中与土颗粒进行接触直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态包括以下步骤：
24.s331、在相邻的8个土颗粒围合的孔隙水体中心区域产生冰体；
25.s332、以冰体中心作为坐标、相邻两组球体土颗粒球心连线为坐标方向建立空间
直角坐标系；
26.s333、通过冰体在孔隙水体内部半径的变化发展，改变冰体与土颗粒之间的位置关系直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态。
27.进一步的，所述通过冰体在孔隙水体内部半径的变化发展，改变冰体与土颗粒之间的位置关系直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态包括以下步骤：
28.s3331、首先对土颗粒空间进行网格化，同时在网格中内切1个土颗粒，网格角点各有1/8冰体；
29.s3332、取1/8单元格进行土颗粒与冰体之间的几何位置关系分析，；
30.s3333、根据分析结果，判定冻结进入初始阶段，从各角点开始，各冰体沿土颗粒球心方向扩展；
31.s3334、当冰体在孔隙水体的内部半径扩展达到冰体与土颗粒为相交状态，同时相交部分分为两个球冠，则冰体与土颗粒之间形成冻实状态。
32.进一步的，所述通过分析冻土冻结过程中土样各项体积占比，得到富水含砂低液限黏土地层冻土在混合流下的导热参数的最佳计算方法包括以下步骤：
33.s41、以单位立方体为计算基础，计算冻土的各项体积占比；
34.s42、通过改变冻土冻结过程中的体积增量，并将各项体积占比进行混合，得到导热参数的最佳计算方法。
35.进一步的，所述以单位立方体为计算基础，计算冻土的各项体积占比包括以下步骤：
36.s411、在单元体边长为2的正方体中，设定8组球缺土颗粒内切至正方体中，同时1个冰体以8个相接土颗粒围成区域的中心为球心；
37.s412、在单位立方体的基础上计算单位立方体内包含的表征单元体；
38.s413、基于表征单元体计算得到单位立方体中土颗粒体积、冰体含量及未冻水总体积。
39.进一步的，所述通过改变冻土冻结过程中的体积增量，并将各项体积占比进行混合，得到导热参数的最佳计算方法包括以下步骤：
40.s421、根据土中水冻结后的体积增量，对冰体的体积增量进行修正；
41.s422、在完成修正后，得到冻结时段中的土颗粒、冰体、未冻水占总体积的比重；
42.s423、将土颗粒、冰体、未冻水在总体积内的占比进行混合代入，得到导热参数的计算公式。
43.进一步的，所述在完成修正后，得到冻结时段中的土颗粒、冰体、未冻水占总体积的比重中各占比的计算公式分别为：
44.[0045][0046][0047]
式中，ps表示土颗粒在总体积的占比，pw表示冰体在总体积的占比，pi未冻水在总体积的占比，vs表示单位立方体中土颗粒体积，vi表示单位立方体中的冰体含量，vw表示单位立方体中未冻水总体积，v表示土体总体积。
[0048]
进一步的，所述将土颗粒、冰体、未冻水在总体积内的占比进行混合代入，得到导热参数的计算公式中导热参数的计算公式的计算公式为：
[0049][0050]
式中，ps表示土颗粒在总体积的占比，pw表示冰体在总体积的占比，pi未冻水在总体积的占比，λs表示土颗粒的导热系数，λw表示未冻水的导热系数、λi表示冰体的导热系数。
[0051]
(三)有益效果
[0052]
与现有技术相比，本发明提供了富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，具备以下有益效果：
[0053]
(1)本发明采用球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化，与现有的正交土柱、单粒径最紧密土柱、双粒径土柱及土颗粒球缺接触等冻土颗粒热传导机理不同，本发明对富水含砂低液限黏土地层冻结土体采用球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化，以反映土颗粒间点—点、点—面、面—面等复杂的接触方式，使得热传导路径符合真实的土体状态，可为盾构开挖时水平冻结设计优化提供更为准确的依据，提高盾构始发与接收工作的安全性，改变了现有的针对富水含砂低液限黏土地层冻结土体的热传导主要有正交土柱、单粒径最紧密土柱、双粒径土柱及土颗粒球缺接触等理论，但不同的理论适应条件不尽相同，差异性较大，特别是针对富水含砂低液限黏土地层，不能较准确反映冻结土体的热传导参数的问题。
[0054]
(2)本发明采用核磁共振法对冻土冻结过程中土样各相体积占比进行测试，具有直接性、无损性、精度高等优点，通过核磁共振法检测技术可对任意形状的土、岩样进行检测，而常规分析仅针对规范圆柱岩心，无法检测岩屑和井壁取心。与实验室常规岩心分析比，核磁共振法检测孔隙度的偏差小于2％；渗透率偏差小于0.25个数量级，水饱和度的偏差小于5％。同时核磁共振法可对土、岩样的孔隙度、浸透率、可动水饱和度、束缚水饱和度等进行检测。特别是对土样孔隙内的流体进行检测时，核磁共振法可以克服骨架干扰，土样骨架不产生核磁共振信号，可对流体的赋存形状进展进行分析，是唯一仅对流体敏感的探测技术。常规岩心分析对不同的参数需要不同的实验设备，常规分析手段难以提供可动流
体、束缚流体饱和度等参数。常规分析手段难以提供可动流体、束缚流体饱和度等参数。检测结果快速，土芯样两天、土颗粒样仅1天。常规分析至少需1个月才能出结果，因此，应用核磁共振法对冻土冻结过程中土样各相体积占比进行测试，可获得土颗粒正交球缺接触的热传导几何路径，精确表征冻结过程土样中各相体积占比，本方法具有直接性、无损性、精度高等优点。
[0055]
(3)本发明提出的计算方法测试工作量小，计算结果精确度高，实际应用性强冻土在冻结初期，由于土体中未冻水含量最多，导热性最差，冰体刚开始出现，未形成连续整体，土体整体服从最小热阻传递形式。随着冻结的深入，冻土中的冰体含量逐渐增加，导热性显著增强，在冻结后期，土体中的未冻水含量很少，冰体扩张形成了连续畅通的热量传递通道，导热系数逐渐达到峰值。整体上，随着冻结发展，冻土导热系数逐渐增大，且初始阶段导热系数增速大于冻实阶段的导热系数增速，反映出冻土的导热系数增长趋势与不同负温相关。采用简单指数占比计算并不能反映冻结过程的真是现象，故计算精度偏差较大。
[0056]
(4)本发明能够实测到不同冻结温度下的未冻水量，能够反映实际冻土中三相组成的含量随温度的变化过程，一套核磁共振检测设备可以得到孔、渗、水饱和度可动流体等多个数据。结合土颗粒间“正交球缺接触”的真实土体状态，本发明计算结果能够反映冻结发展过程中，土粒体积占比明显变化，主要原因为冻结冰体形成带来的总体积变大；冰体体积占比显著增长；未冻水体积占比显著降低，能够满足对实际土体冻结发展过程中任意时刻未冻水量的确定。考虑到冻结初期土体的最小热阻传递效应，将孔隙水与孔隙冰的传热形式定义为垂直流、土颗粒与冰水混合物之间的传热形式定义为平行流，更符合实际情况，计算结果精度高，对盾构开挖时水平冻结准确设计具有现实的指导意义。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0058]
图1是根据本发明实施例的富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法的流程图；
[0059]
图2是根据本发明实施例的富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法中土颗粒等效球缺接触立方堆积示意图；
[0060]
图3是根据本发明实施例的富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法中土颗粒等效球球缺部分几何关系示意图；
[0061]
图4是根据本发明实施例的富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法中正交球缺接触热传导示意图；
[0062]
图5是根据本发明实施例的富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法中表征单元体示意图；
[0063]
图6是根据本发明实施例的富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法中表征单元体内土相体示意图；
[0064]
图7是根据本发明实施例的富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法中
表征单元体内冰相体示意图；
[0065]
图8是根据本发明实施例的富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法中冻结初始阶段1/8网格体示意图；
[0066]
图9是根据本发明实施例的富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法中表征单元体内冰相体示意图。
具体实施方式
[0067]
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
[0068]
根据本发明的实施例，提供了一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法。
[0069]
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-图9所示，根据本发明实施例的富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，该计算方法包括以下步骤：
[0070]
s1、采用等效球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化得到符合热传导集合路径的土地状态。
[0071]
具体的，所述采用等效球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化得到符合热传导集合路径的土地状态中土颗粒等效球缺接触的土颗粒体积小于球体颗粒体积。
[0072]
采用等效球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化，以反映土颗粒间点-点、点-面、面-面等复杂的接触方式，使得热传导几何路径符合真实的土体状态。
[0073]
目前，土体热传导主要有正交土柱、单粒径最紧密土柱、双粒径土柱及土颗粒球缺接触等理论，但不同的理论适应条件不尽相同，差异性较大。本发明采用球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化，以反映土颗粒间点—点、点—面、面—面等复杂的接触方式，使得热传导路径符合真实的土体状态。
[0074]
s2、通过等效球缺接触土颗粒和球体土颗粒的几何关系计算土颗粒球缺体部分与土颗粒球缺体颗粒的体积。
[0075]
其中，土颗粒等效球缺接触的土颗粒体积要小于球体颗粒体积，可通过控制土颗粒球缺体积将土颗粒占比从52％提升到60％。
[0076]
具体的，其计算公式分别为：
[0077]
土颗粒球缺体部分的体积ve：
[0078]ve
＝πl2(r-l/3)
[0079]
式中，r为土颗粒半径；
[0080]
l为球缺接触面中心到球体顶端的铅锤距离。
[0081]
土颗粒球缺体颗粒的体积va：
[0082][0083]
式中，r为土颗粒半径；
[0084]
h为土颗粒球缺的高度。
[0085]
s3、基于球体土颗粒建立热传导路径几何模型，并在模型内部形成冻土冻结。
[0086]
具体的，所述基于球体土颗粒建立热传导路径几何模型，并在模型内部形成冻土冻结包括以下步骤：
[0087]
s31、将球体土颗粒作为骨架在正交三维坐标系中建立等大球体土颗粒球缺接触简单堆积的热传导路径几何模型，同时将球体土颗粒在模型内部以正交方式进行排列。
[0088]
s32、在热传导路径几何模型内部其它区域充满孔隙水；
[0089]
s33、在远离球体土颗粒的孔隙水中形成冰体，同时冰体在孔隙水中与球体土颗粒进行接触直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态。
[0090]
其中，在正交三维坐标系中建立等大球体土颗粒球缺接触简单堆积的热传导路径几何模块，微元体中(此处的微元体指的是热传导路径几何模型)，球形土颗粒作为模型骨架球缺正交排列，其他区域被孔隙水充满，冻结发生时，冰体首先在远离土颗粒的孔隙水中形成并不断发展，直到与土颗粒相接、相交。冰体在周围8个相邻土颗粒围合的水体中心区域产生，并呈球形扩展直至土体冻实。
[0091]
其中，所述在远离土颗粒的孔隙水中形成冰体，同时冰体在孔隙水中与土颗粒进行接触直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态包括以下步骤：
[0092]
s331、在相邻的8个土颗粒围合的孔隙水体中心区域产生冰体；
[0093]
s332、以冰体中心作为坐标、相邻两组球体土颗粒球心连线为坐标方向建立空间直角坐标系；
[0094]
s333、通过冰体在孔隙水体内部半径的变化发展，改变冰体与土颗粒之间的位置关系直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态。
[0095]
其中，为量化土颗粒间正交球缺接触热传导路径，表征单元体中各相体的体积分数，以冰体中心作为坐标原点、相邻两土颗粒球心连线为坐标方向建立空间直角坐标系。冻结发展趋势可由球形冰体半径变大过程比拟，冰体与土颗粒的位置几何关系可分为相离、相交两种，即冻结发展过程可分为两个阶段：冻结初始阶段，冰体体积较小未与土颗粒接触；冻实阶段，冰体体积较大已与土颗粒相交。
[0096]
其中，所述通过冰体在孔隙水体内部半径的变化发展，改变冰体与土颗粒之间的位置关系直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态包括以下步骤：
[0097]
s3331、首先对土颗粒空间进行网格化，同时在网格中内切1个土颗粒，网格角点各有1/8冰体；
[0098]
s3332、取1/8单元格进行土颗粒与冰体之间的几何位置关系分析；
[0099]
s3333、根据分析结果，判定冻结进入初始阶段，从各角点开始，各冰体沿土颗粒球心方向扩展；
[0100]
其中，依据冻结发展与冰球体扩情况，冻结从各角点开始，冻结初始阶段，各冰体沿土颗粒球心方向扩展，但并未相交，则冰球体与土颗粒球心距d：
[0101][0102]
式中：h为土颗粒球缺的高度。
[0103]
则该阶段网格内冻结球的体积vi：
[0104]
[0105]
式中，r为冻结半径(冰球体半径)，r为土颗粒半径，h为土颗粒球缺的高度。
[0106]
s3334、当冰体在孔隙水体的内部半径扩展达到冰体与土颗粒为相交状态，同时相交部分分为两个球冠，则冰体与土颗粒之间形成冻实状态。
[0107]
具体的，进入冻实阶段，冻球体与土颗粒相交，冻球体扩展并与土颗粒相接、相交，相交部分为两个球冠，则相交体积v1为：
[0108][0109][0110]
式中，r为冻结半径(冰球体半径)，r为土颗粒半径。
[0111]
s4、通过分析冻土冻结过程中土样各项体积占比，得到富水含砂低液限黏土地层冻土在混合流下的导热参数的最佳计算方法。
[0112]
具体的，所述通过分析冻土冻结过程中土样各项体积占比，得到富水含砂低液限黏土地层冻土在混合流下的导热参数的最佳计算方法包括以下步骤：
[0113]
s41、以单位立方体为计算基础，计算冻土的各项体积占比。
[0114]
其中，所述以单位立方体为计算基础，计算冻土的各项体积占比包括以下步骤：
[0115]
s411、在单元体边长为2的正方体中，设定8组球缺土颗粒内切至正方体中，同时1个冰体以8个相接土颗粒围成区域的中心为球心；
[0116]
s412、在单位立方体的基础上计算单位立方体内包含的表征单元体；
[0117]
s413、基于表征单元体计算得到单位立方体中土颗粒体积、冰体含量及未冻水总体积。
[0118]
具体的，在单元体边长为2的正方体中，8个球缺土颗粒内切其中，1个冰球体以8个相接土颗粒围成区域的中心为球心。以单位立方体为计算基础，则单位立方体包含个表征单元体。则单位立方体中土颗粒体积vs为：
[0119][0120]
单位立方体中某阶段的冰体含量vi为：
[0121][0122]
单位立方体中未冻水总体积vw为：
[0123]
vw＝109-vs-vi
[0124]
s42、通过改变冻土冻结过程中的体积增量，并将各项体积占比进行混合，得到导热参数的最佳计算方法。
[0125]
具体的，所述通过改变冻土冻结过程中的体积增量，并将各项体积占比进行混合，得到导热参数的最佳计算方法包括以下步骤：
[0126]
s421、根据土中水冻结后的体积增量，对冰体的体积增量进行修正；
[0127]
s422、在完成修正后，得到冻结时段中的土颗粒、冰体、未冻水占总体积的比重；
[0128]
s423、将土颗粒、冰体、未冻水在总体积内的占比进行混合代入，得到导热参数的计算公式。
[0129]
考虑到土中水冻结后的体积增量，对冰体的体积增量进行修正后，任意冻结时段冻土中的土颗粒、冰体、未冻水占总体积的比重分别记为ps、pw、pi，则在完成修正后，得到任意冻结时段中的土颗粒、冰体、未冻水占总体积的比重中各占比的计算公式分别为：
[0130][0131][0132][0133]
式中，ps表示土颗粒在总体积的占比，pw表示冰体在总体积的占比，pi未冻水在总体积的占比，vs表示单位立方体中土颗粒体积，vi表示单位立方体中某阶段的冰体含量，vw表示单位立方体中未冻水总体积，v表示土体总体积。
[0134]
考虑到冻结初期孔隙冰分布较为分散，未形成连续整体，热量传递多为“水-冰-水”的形式，将上述公式代入混合，可得到将土颗粒、冰体、未冻水在总体积内的占比进行混合代入，得到导热参数的计算公式中导热参数的计算公式的计算公式为：
[0135][0136]
式中，ps表示土颗粒在总体积的占比，pw表示冰体在总体积的占比，pi未冻水在总体积的占比，λs表示土颗粒的导热系数，λw表示未冻水的导热系数，λi表示冰体的导热系数。
[0137]
本发明应用具有直接性、无损性、精度高等优点的核磁共振法测试技术，对富水含砂低液限黏土地层冻结过程中土样各相体积占比进行测试，也可应用于地面竖向冻结过程中土样各相体积占比进行测试，可获得土颗粒正交球缺接触的热传导几何路径，精确表征冻结过程土样中各相体积占比，同时对富水含砂低液限黏土地层冻结过程中土样各相体积占比进行测试，也可对富水含砂地层、富水黏土地层等进行测试。
[0138]
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明采用球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化，与现有的正交土柱、单粒径最紧密土柱、双粒径土柱及土颗粒球缺接触等冻土颗粒热传导机理不同，本发明对富水含砂低液限黏土地层冻结土体采用球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化，以反映土颗粒间点—点、点—面、面—面等复杂的接触方式，使得热传导路径符合真实的土体状态，可为盾构开挖时水平冻结设计优化提供更为准确的依据，提高盾构始发与接收工作的安全性，改变了现有的针对富水含砂低液限黏土地层冻结土体的热传导主要有正交土柱、单粒径最紧密土柱、双粒径土柱及土颗粒球缺接触等理论，但不同的理论适应条件不尽相同，差异性较大，特别是针对富水含砂低液限黏土地层，不能较准确反映冻结土体的热传导参数的问题。
[0139]
本发明采用核磁共振法对冻土冻结过程中土样各相体积占比进行测试，具有直接性、无损性、精度高等优点，通过核磁共振法检测技术可对任意形状的土、岩样进行检测，而常规分析仅针对规范圆柱岩心，无法检测岩屑和井壁取心。与实验室常规岩心分析比，核磁共振法检测孔隙度的偏差小于2％；渗透率偏差小于0.25个数量级，水饱和度的偏差小于5％。同时核磁共振法可对土、岩样的孔隙度、浸透率、可动水饱和度、束缚水饱和度等进行检测。特别是对土样孔隙内的流体进行检测时，核磁共振法可以克服骨架干扰，土样骨架不产生核磁共振信号，可对流体的赋存形状进展进行分析，是唯一仅对流体敏感的探测技术。常规岩心分析对不同的参数需要不同的实验设备，常规分析手段难以提供可动流体、束缚流体饱和度等参数。常规分析手段难以提供可动流体、束缚流体饱和度等参数。检测结果快速，土芯样两天、土颗粒样仅1天。常规分析至少需1个月才能出结果，因此，应用核磁共振法对冻土冻结过程中土样各相体积占比进行测试，可获得土颗粒正交球缺接触的热传导几何路径，精确表征冻结过程土样中各相体积占比，本方法具有直接性、无损性、精度高等优点。
[0140]
本发明提出的计算方法测试工作量小，计算结果精确度高，实际应用性强冻土在冻结初期，由于土体中未冻水含量最多，导热性最差，冰体刚开始出现，未形成连续整体，土体整体服从最小热阻传递形式。随着冻结的深入，冻土中的冰体含量逐渐增加，导热性显著增强，在冻结后期，土体中的未冻水含量很少，冰体扩张形成了连续畅通的热量传递通道，导热系数逐渐达到峰值。整体上，随着冻结发展，冻土导热系数逐渐增大，且初始阶段导热系数增速大于冻实阶段的导热系数增速，反映出冻土的导热系数增长趋势与不同负温相关。采用简单指数占比计算并不能反映冻结过程的真是现象，故计算精度偏差较大。
[0141]
本发明能够实测到不同冻结温度下的未冻水量，能够反映实际冻土中三相组成的
含量随温度的变化过程，一套核磁共振检测设备可以得到孔、渗、水饱和度可动流体等多个数据。结合土颗粒间“正交球缺接触”的真实土体状态，本发明计算结果能够反映冻结发展过程中，土粒体积占比明显变化，主要原因为冻结冰体形成带来的总体积变大；冰体体积占比显著增长；未冻水体积占比显著降低，能够满足对实际土体冻结发展过程中任意时刻未冻水量的确定。考虑到冻结初期土体的最小热阻传递效应，将孔隙水与孔隙冰的传热形式定义为垂直流、土颗粒与冰水混合物之间的传热形式定义为平行流，更符合实际情况，计算结果精度高，对盾构开挖时水平冻结准确设计具有现实的指导意义。
[0142]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，其特征在于，该计算方法包括以下步骤：s1、采用等效球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化得到符合热传导集合路径的土地状态；s2、通过等效球缺接触土颗粒和球体土颗粒的几何关系计算土颗粒球缺体部分与土颗粒球缺体颗粒的体积；s3、基于球体土颗粒建立热传导路径几何模型，并在模型内部形成冻土冻结；s4、通过分析冻土冻结过程中土样各项体积占比，得到富水含砂低液限黏土地层冻土在混合流下的导热参数的最佳计算方法。2.根据权利要求1述的一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，其特征在于，所述采用等效球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化得到符合热传导集合路径的土地状态中土颗粒等效球缺接触的土颗粒体积小于球体颗粒体积。3.根据权利要求2所述的一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，其特征在于，所述基于球体土颗粒建立热传导路径几何模型，并在模型内部形成冻土冻结包括以下步骤：s31、将球体土颗粒作为骨架在正交三维坐标系中建立等大球体土颗粒球缺接触简单堆积的热传导路径几何模型，同时将球体土颗粒在模型内部以正交方式进行排列；s32、在热传导路径几何模型内部其它区域充满孔隙水；s33、在远离球体土颗粒的孔隙水中形成冰体，同时冰体在孔隙水中与球体土颗粒进行接触直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态。4.根据权利要求3所述的一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，其特征在于，所述在远离土颗粒的孔隙水中形成冰体，同时冰体在孔隙水中与土颗粒进行接触直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态包括以下步骤：s331、在相邻的8个土颗粒围合的孔隙水体中心区域产生冰体；s332、以冰体中心作为坐标、相邻两组球体土颗粒球心连线为坐标方向建立空间直角坐标系；s333、通过冰体在孔隙水体内部半径的变化发展，改变冰体与土颗粒之间的位置关系直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态。5.根据权利要求4所述的一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，其特征在于，所述通过冰体在孔隙水体内部半径的变化发展，改变冰体与土颗粒之间的位置关系直至土颗粒与冰体之间形成冻实状态包括以下步骤：s3331、首先对土颗粒空间进行网格化，同时在网格中内切1个土颗粒，网格角点各有1/8冰体；s3332、取1/8单元格进行土颗粒与冰体之间的几何位置关系分析，；s3333、根据分析结果，判定冻结进入初始阶段，从各角点开始，各冰体沿土颗粒球心方向扩展；s3334、当冰体在孔隙水体的内部半径扩展达到冰体与土颗粒为相交状态，同时相交部分分为两个球冠，则冰体与土颗粒之间形成冻实状态。6.根据权利要求5所述的一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，其
特征在于，所述通过分析冻土冻结过程中土样各项体积占比，得到富水含砂低液限黏土地层冻土在混合流下的导热参数的最佳计算方法包括以下步骤：s41、以单位立方体为计算基础，计算冻土的各项体积占比；s42、通过改变冻土冻结过程中的体积增量，并将各项体积占比进行混合，得到导热参数的最佳计算方法。7.根据权利要求6所述的一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，其特征在于，所述以单位立方体为计算基础，计算冻土的各项体积占比包括以下步骤：s411、在单元体边长为2的正方体中，设定8组球缺土颗粒内切至正方体中，同时1个冰体以8个相接土颗粒围成区域的中心为球心；s412、在单位立方体的基础上计算单位立方体内包含的表征单元体；s413、基于表征单元体计算得到单位立方体中土颗粒体积、冰体含量及未冻水总体积。8.根据权利要求7所述的一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，其特征在于，所述通过改变冻土冻结过程中的体积增量，并将各项体积占比进行混合，得到导热参数的最佳计算方法包括以下步骤：s421、根据土中水冻结后的体积增量，对冰体的体积增量进行修正；s422、在完成修正后，得到冻结时段中的土颗粒、冰体、未冻水占总体积的比重；s423、将土颗粒、冰体、未冻水在总体积内的占比进行混合代入，得到导热参数的计算公式。9.根据权利要求8所述的一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，其特征在于，所述在完成修正后，得到冻结时段中的土颗粒、冰体、未冻水占总体积的比重中各占比的计算公式分别为：各占比的计算公式分别为：各占比的计算公式分别为：式中，p
s
表示土颗粒在总体积的占比，p
w
表示冰体在总体积的占比，p
i
未冻水在总体积的占比，v
s
表示单位立方体中土颗粒体积，v
i
表示单位立方体中的冰体含量，v
w
表示单位立方体中未冻水总体积，v表示土体总体积。10.根据权利要求9所述的一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，其特征在于，所述将土颗粒、冰体、未冻水在总体积内的占比进行混合代入，得到导热参数的计算公式中导热参数的计算公式的计算公式为：
式中，p
s
表示土颗粒在总体积的占比，p
w
表示冰体在总体积的占比，p
i
未冻水在总体积的占比，λ
s
表示土颗粒的导热系数，λ
w
表示未冻水的导热系数；λ
i
表示冰体的导热系数。

技术总结
本发明公开了一种富水含砂低液限黏土地层冻土热传导参数计算方法，包括以下步骤：S1、采用等效球缺接触形式对土颗粒立方堆积进行优化得到符合热传导集合路径的土地状态；S2、通过等效球缺接触土颗粒和球体土颗粒的几何关系计算土颗粒球缺体部分与土颗粒球缺体颗粒的体积；S3、基于球体土颗粒建立热传导路径几何模型，并在模型内部形成冻土冻结；S4、通过分析冻土冻结过程中土样各项体积占比，得到富水含砂低液限黏土地层冻土在混合流下的导热参数的最佳计算方法。本发明采用核磁共振法对冻土冻结过程中土样各相体积占比进行测试，具有直接性、无损性、精度高等优点，通过核磁共振法检测技术可对任意形状的土样进行检测。法检测技术可对任意形状的土样进行检测。法检测技术可对任意形状的土样进行检测。


技术研发人员：刘轶品 蒋应省 赵兵 杜慧 沙立中
受保护的技术使用者：中铁十九局集团有限公司
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/31