本申請涉及凍土溫度場和數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、目前，模擬黏土冷凍模型試驗已經(jīng)成為研究凍土、凍土工程及其凍融性質(zhì)的一個重要工具。該領(lǐng)域的研究主要集中在通過建立相似的實驗?zāi)Ｐ蛠砟M和預(yù)測土壤在凍融過程中的熱物理行為。常見的方法是利用物理模型試驗，通過實驗室控制溫度、濕度等環(huán)境條件，研究黏土及其凍融效應(yīng)。

2、然而，現(xiàn)有的模擬試驗方法在實現(xiàn)準確模擬的過程中存在一定的局限性。許多現(xiàn)有方法主要依賴于物相分析與實驗數(shù)據(jù)進行簡單的推導計算，缺乏對模型土體的熱物理特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計及其與實際土壤在凍結(jié)條件下的相似性之間的深度關(guān)系建模。尤其是在構(gòu)建模擬模型土時，傳統(tǒng)方法未能有效結(jié)合土體的三維結(jié)構(gòu)、打印技術(shù)與熱物理相似性，從而導致模型的精度和實驗結(jié)果的可靠性受到影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請?zhí)峁┝艘环N模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法及裝置，用于通過熱物理相似性準則和三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化模擬黏土冷凍模型土的構(gòu)造方法，實現(xiàn)模型土與實際凍土在熱傳導特性和冷凍過程中的高精度匹配，從而提高模擬試驗的可靠性和準確性。

2、第一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法，所述模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法包括：對原型土進行物相分析處理，得到土骨架導熱系數(shù)和比熱容基準參數(shù)，并通過導熱系數(shù)測試儀對原型土進行多溫度點導熱系數(shù)測量，得到溫度-導熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)；對所述溫度-導熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)進行量綱分析處理，得到熱物理相似準則，并通過計算機迭代計算對相似準則數(shù)進行求解，得到骨架材料目標參數(shù)；根據(jù)骨架材料目標參數(shù)對候選打印材料進行熱物理參數(shù)測試，得到目標骨架材料，并通過有限元分析對目標骨架材料進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到三維結(jié)構(gòu)模型；根據(jù)熱物理相似準則對鹽溶液按照不同質(zhì)量分數(shù)進行配制，得到多組溶液樣品，并通過導熱系數(shù)測試對多組溶液樣品進行參數(shù)測量，得到目標溶液配比；對三維結(jié)構(gòu)模型進行打印工藝轉(zhuǎn)換，得到模型土骨架，并通過真空飽和處理將目標溶液配比的鹽溶液注入模型土骨架，得到復合模型土；對復合模型土進行凍結(jié)循環(huán)試驗，得到溫度場演化數(shù)據(jù)，并通過數(shù)值計算將溫度場演化數(shù)據(jù)與溫度-導熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)進行對比分析，構(gòu)造出滿足冷凍模型試驗要求的模型土。

3、第二方面，本申請?zhí)峁┝艘环N模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造裝置，所述模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造裝置包括：

4、測量模塊，用于對原型土進行物相分析處理，得到土骨架導熱系數(shù)和比熱容基準參數(shù)，并通過導熱系數(shù)測試儀對原型土進行多溫度點導熱系數(shù)測量，得到溫度-導熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)；

5、分析模塊，用于對所述溫度-導熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)進行量綱分析處理，得到熱物理相似準則，并通過計算機迭代計算對相似準則數(shù)進行求解，得到骨架材料目標參數(shù)；

6、測試模塊，用于根據(jù)骨架材料目標參數(shù)對候選打印材料進行熱物理參數(shù)測試，得到目標骨架材料，并通過有限元分析對目標骨架材料進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到三維結(jié)構(gòu)模型；

7、配制模塊，用于根據(jù)熱物理相似準則對鹽溶液按照不同質(zhì)量分數(shù)進行配制，得到多組溶液樣品，并通過導熱系數(shù)測試對多組溶液樣品進行參數(shù)測量，得到目標溶液配比；

8、注入模塊，用于對三維結(jié)構(gòu)模型進行打印工藝轉(zhuǎn)換，得到模型土骨架，并通過真空飽和處理將目標溶液配比的鹽溶液注入模型土骨架，得到復合模型土；

9、構(gòu)造模塊，用于對復合模型土進行凍結(jié)循環(huán)試驗，得到溫度場演化數(shù)據(jù)，并通過數(shù)值計算將溫度場演化數(shù)據(jù)與溫度-導熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)進行對比分析，構(gòu)造出滿足冷凍模型試驗要求的模型土。

10、本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案中，通過對原型土進行物相分析，結(jié)合導熱系數(shù)和比熱容的基準參數(shù)，采用量綱分析處理與相似準則，精確計算出骨架材料的目標參數(shù)，確保模擬土壤的熱傳導特性與實際土壤的冷凍過程相匹配。進一步，通過對打印材料的熱物理參數(shù)測試與有限元分析設(shè)計，得到了適合的骨架材料，并通過三維打印技術(shù)精準構(gòu)建了模型土骨架，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和細節(jié)還原度。其次，采用壓力注入技術(shù)將含有溶解鹽的溶液準確注入打印好的骨架結(jié)構(gòu)中，通過真空飽和和凍融循環(huán)等過程，確保了復合模型土的熱物理屬性，進一步增強了其在冷凍試驗中的表現(xiàn)和可靠性。通過精準的溫度控制和測量系統(tǒng)，結(jié)合實時監(jiān)測的溫度場演化數(shù)據(jù)，能夠有效評估模型土與原型土的相似性。這一技術(shù)特征不僅能夠提供高精度的模擬試驗環(huán)境，還可以通過溫度傳感器的布設(shè)、溫度采集與插值分析，實時獲取土壤在冷凍及解凍過程中的溫度分布情況，進一步驗證模型土的熱物理相似性。此外，溫度與導熱系數(shù)的誤差計算處理為模型土的相似性驗證提供了可靠的評估手段，確保了冷凍模型試驗結(jié)果的準確性與科學性。通過結(jié)合溫控系統(tǒng)、精確的材料設(shè)計和打印技術(shù)，不僅優(yōu)化了模擬土壤的構(gòu)建過程，還提高了模擬結(jié)果的可控性和可重復性。

技術(shù)特征：

1.一種模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法，其特征在于，所述模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法，其特征在于，所述對原型土進行物相分析處理，得到土骨架導熱系數(shù)和比熱容基準參數(shù)，并通過導熱系數(shù)測試儀對原型土進行多溫度點導熱系數(shù)測量，得到溫度-導熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法，其特征在于，所述對所述溫度-導熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)進行量綱分析處理，得到熱物理相似準則，并通過計算機迭代計算對相似準則數(shù)進行求解，得到骨架材料目標參數(shù)，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法，其特征在于，所述根據(jù)骨架材料目標參數(shù)對候選打印材料進行熱物理參數(shù)測試，得到目標骨架材料，并通過有限元分析對目標骨架材料進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到三維結(jié)構(gòu)模型，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法，其特征在于，所述根據(jù)熱物理相似準則對鹽溶液按照不同質(zhì)量分數(shù)進行配制，得到多組溶液樣品，并通過導熱系數(shù)測試對多組溶液樣品進行參數(shù)測量，得到目標溶液配比，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法，其特征在于，所述對三維結(jié)構(gòu)模型進行打印工藝轉(zhuǎn)換，得到模型土骨架，并通過真空飽和處理將目標溶液配比的鹽溶液注入模型土骨架，得到復合模型土，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法，其特征在于，所述對復合模型土進行凍結(jié)循環(huán)試驗，得到溫度場演化數(shù)據(jù)，并通過數(shù)值計算將溫度場演化數(shù)據(jù)與溫度-導熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)進行對比分析，構(gòu)造出滿足冷凍模型試驗要求的模型土，包括：

8.一種模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造裝置，用于實現(xiàn)如權(quán)利要求1-7中任一項所述的模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法，其特征在于，所述模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造裝置包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及凍土溫度場以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種模擬黏土冷凍模型試驗的模型土構(gòu)造方法及裝置。該方法包括：根據(jù)熱物理相似準則對鹽溶液按照不同質(zhì)量分數(shù)進行配制，得到多組溶液樣品，對多組溶液樣品進行參數(shù)測量，得到目標溶液配比；對三維結(jié)構(gòu)模型進行打印工藝轉(zhuǎn)換，得到模型土骨架，通過真空飽和處理將目標溶液配比的鹽溶液注入模型土骨架，得到復合模型土；對復合模型土進行凍結(jié)循環(huán)試驗，得到溫度場演化數(shù)據(jù)，通過數(shù)值計算將溫度場演化數(shù)據(jù)與溫度?導熱系數(shù)對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)進行對比分析，構(gòu)造出滿足冷凍模型試驗要求的模型土。本申請實現(xiàn)了模型土與實際凍土在熱傳導特性和冷凍過程中的高精度匹配，從而提高模擬試驗的可靠性和準確性。

技術(shù)研發(fā)人員：夏錦紅,張夏,李順群,桂超,潘林,張勛程,丁飛,李遠榮,申道明,黃雄飛
受保護的技術(shù)使用者：新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6