绝热边界作用下人工冻结温度场解析解

隧道地下工程采用冻结法施工时经常遇到地连墙等构筑物影响冻土帷幕发展的问题,给冻结方案设计和封水效果评估带来困难,危及后续开挖作业安全。为探明地连墙等绝热边界作用下冻结温度场的分布状态,掌握冻结壁局部受限时的发展规律,建立了半无限平面内包含直线绝热边界的温度场数学模型。通过热势函数叠加结合镜像法求解了单根、2根以及3根冻结管的温度场解析解,并采用数值模拟验证了其准确性和适用性。结果表明:解析解与稳态数值解吻合较好,与瞬态数值解的误差随冻结时间延长而减小,冻结第50天3种模型的误差分别为0.39℃、0.17℃和0.06℃,均能控制在0.5℃以内;等温线在绝热边界处与边界垂直,只存在平行于边界的热流而没有法向热流,绝热边界对于其与冻结管之间区域的温度降低更加有利;随着绝热边界与冻结管距离d的增加,对冷量传递的阻断作用降低,冻结模型逐渐向无限大平面模型转化,实际工程应根据冻结壁设计厚度,合理匹配管间距l和边界距离d的取值。

渗流条件下滨海地层人工冻结多场耦合理论模型

采用Navier-Stokes方程考虑流体动量守恒对渗流过程的影响,建立了考虑渗流对滨海砂土地层人工冻结过程影响的水-盐-热-力学理论模型。理论模型的计算结果与试验吻合良好,验证了所提模型的准确性。通过参数分析,探讨了渗流速度对冰、盐空间分布的影响。研究发现,渗流削弱了冻结效果,随着渗流速度从0 m/d增加到10 m/d,冻结管左右两侧的土体位移降低了23.1%;冻结管左右两侧的结冰范围缩减了37.8%;冻结管左右两侧的盐分的析出范围缩减了42.7%;砂层上游的吸附盐突变位置向下游移动了52%,下游的吸附盐突变位置向下游移动了32%。

人工冻结联络通道冻胀三维扩展规律模型试验研究

为解决人工冻结联络通道冻土冻胀引发管片结构安全难题,采用相似模拟试验方法,对人工冻结过程中冻土三维冻胀特性进行了模型试验研究,得出以下结论:①冻胀引发地表及地表下20、40、60mm上覆土体曲线呈现冻结壁上部位置变形较大、边界位置变形较小的趋势,冻胀引发地表抬升曲线呈现高斯分布特征;②管片变形大致分为小变形-大变形-小变形3个阶段;③冻结壁径向扩展体积与轴向扩展体积比为15∶1,冻结壁径向扩展厚度与轴向扩展厚度比为1.1∶1。研究结果对不同约束下的人工冻土三维扩展规律进行了初步探索。

多冷媒非均质人工冻结壁弹塑性应力分析

【目的】受制冷媒介温度差异以及被冻地层与冻结管距离差异的影响,多冷媒联合双排管冻结壁的非均匀性较为显著,为了合理评价该类冻结壁的安全性,需开展考虑非均质性的多冷媒人工冻结壁弹塑性应力分析。【方法】选取距离1/4管距处的冻结壁作为特征截面,将该截面上的温度分布曲线等效成三段一次函数形式,并将冻结壁视为随温度成线性变化的非均质材料,分别基于4种冻土屈服准则,推导得出多冷媒联合双排管非均质冻结壁弹塑性应力解析表达式。基于该解析表达式,对多冷媒冻结壁的受力特性进行计算,并将该计算结果与均质冻结壁计算得出的结果进行对比。【结果和结论】研究发现:(1)在盐水-二氧化碳联合双排管冻结壁中,径向应力随着相对半径r的增加而上升,环向应力在不同冻结区间(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)表现出不同的变化趋势。(2)基于均质冻结壁计算理论,弹性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁内侧,弹塑性状态的冻结壁的环向应力最大值出现在弹塑性分界面处,塑性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁最外侧;而基于非均质冻结壁计算理论,冻结壁环向应力最大值始终出现在冻结壁分区界线(r=2)处。(3)在考虑非均质特性后,冻结壁的弹性极限承载力降低1.8%,而塑性极限承载力提高8.1%。在弹塑性状态下,对应相同塑性区相对半径,非均质冻结壁具有更高的承载力,且这种现象随着塑性区相对半径的增大而愈发明显。研究成果对富水地层多冷媒联合冻结帷幕的设计具有重要的参考价值。

宁波地铁5号线联络通道人工冻结法应用研究

随着人工冷冻技术的发展,人工冻结法(AGFM)已在地下空间建设中推广采用,依托宁波市轨道交通5号线隧道联络通道冻结法施工工程,通过室内试验分别对土体起始冻结温度、导热系数、比热容系数、土层冻胀率及融沉率等进行试验研究,得出主要土层的导热系数与温度、比热容系数与温度、土层冻胀率与附加应力之间的线性拟合计算式,提出并建立人工冻结过程中考虑热物理参数随温度变化的热-力耦合的三维数值计算方法,并结合现场温度场、位移场等监测资料,得到宁波市轨道交通5号线联络段主要控制土层粉质黏土层的最小冻结壁厚度为1.79m~2.38m,冻结壁平均温度-12.13℃~-20.3℃,满足设计要求;现场四个监测断面点的位移收敛值均相对较小,最大位移收敛值不超过4 mm,整体表明冻结法施工过程中冻胀力对隧道的影响较小,理论计算成果基本与现场实测规律吻合。

冻结管对人工冻结构件加筋作用的试验研究及数值模拟

为研究冻结管对人工冻结构件的加筋作用 ,通过淤泥质粘土人工冻结梁构件三点弯试验 ,获得了各级载荷下构件的位移值 ,并运用MARC软件中的加筋单元进行了对应的有限元计算 .根据对冻土梁加筋与否 ,构件特定力学响应的比较分析 ,揭示了考虑土层冻结构件中冻结管的加筋作用对于增加冻结构件强度 ,减小变形量及对提高人工冻结支护工程经济效益的重要作用 .同时 ,通过物理试验和数值模拟试验的对比 ,验证了应用MARC软件进行类似计算的可靠性 .

考虑地下水渗流时水下人工冻结装置温度场发展规律及结构优化

为探究渗流条件下人工冻结装置冻结管排布方式对温度场的影响,文章设置三种方案进行对比,通过有限元软件进行分析。研究表明,由于渗流作用的影响,冻结装置形成的冻土帷幕呈现上游窄下游宽的现象;沿渗流方向上的冻土帷幕发展并不受冻结管排布方式的影响,冻结结束后最终温度基本一致;冻土帷幕的冻结深度与冻结管长度基本一致。

高流速卵石地层地铁联络通道人工冻结温度场研究

地铁联络通道的开挖经常受到地下水干扰,人工地层冻结法凭借其优秀的封水性和适应性成为富水地层联络通道施工的首选工法。依托北京地铁12号线苏州桥站~人民大学站区间1#联络通道冻结工程,通过现场实测研究地层温度场和泄压孔压力的发展规律,分析冻结帷幕的交圈特征,确定高流速地层冻结壁薄弱位置。结果表明:盐水去回路温度在冻结初期迅速下降,而后降速减缓并最终稳定在-28℃以下;测温孔中土体与管片交界处的温度高于土体内部,渗流上游冻结壁温度高于下游,这些区域应当重点监测;冻结至59 d时,利用基于实际降温速率的分阶段冻结壁厚度计算方法求得不同截面位置处的冻结壁最小厚度为2495.2 mm,同时泄压孔压力已全部释放并保持稳定,冻结壁不再发展,满足联络通道开挖要求。研究成果能为高流速地层的人工冻结参数选取和监测提供理论支持。

人工冻结水泥改良软黏土冻融及强度特性研究

为探究人工冻结水泥改良软黏土冻胀融沉特性及冻融前后强度变化规律,通过室内冻胀融沉试验和单轴抗压强度试验,揭示不同冻融状态、不同影响因素等条件下水泥改良软黏土冻胀融沉及强度特性。研究结果表明,软黏土冻胀率和融沉系数随冻结冷端温度降低而减小,且融沉系数大于冻胀率;掺入水泥后融沉系数均小于冻胀率,且随水泥掺量增加而降低,当水泥掺量超过5%时,融沉系数小于2%。水泥土起始冻结温度随水泥掺量增加而降低,当水泥掺量为9%时,起始冻结温度最低达到-1.53℃;冻融过程沿试样不同高度温度场变化分为积极冻结、维护冻结和融化三个阶段;冻融后水泥改良软黏土强度降低,25组试样平均降低56%,冻融后强度折减最大达76%。研究指出,改良土强度分别随水泥掺量增加而增大,随含水率增大而减小,随龄期增长而增大。

地铁超长联络通道人工冻结法应用与实测研究

普通地铁联络通道采用单侧隧道打孔冻结即可满足要求,对于复合地层中的超长联络通道,单侧隧道打孔冻结难以完成施工。通过对南京地铁二号线某超长联络通道(通道净长13.8m)冻结施工全过程的现场实测及研究,指出两侧隧道内分别打冻结孔分别设两个冻结站同时冻结完全可行。指出通过现场监测及数据分析,可以准确推算出不同土层中冻结壁发展情况和判断开挖时机。通过监测成果的分析得出了超长联络通道两隧道同时冻结施工过程中温度场、冻结壁发展、已有隧道变形等的相关规律,在此基础上,根据现场施工中发现的问题,提出相应的建议,可供类似工程参考。

人工冻结过程中温度场的试验研究

为了研究人工冻结过程中温度场的变化规律,利用自行研制的人工冻结冻胀融沉模型试验装置,对徐州地区常见的粘土进行了12次大规模的冻融试验,分别模拟了封闭系统和开敞系统下人工冻土中温度场的变化情况,并与现场实测数据进行了分析比较,提出了在冻土体和受冻结影响的土体中的温度与距离分别近似成线性,已冻土体中的温度梯度比未受冻结影响土体中的大等几点结论.

模拟人工冻结凿井状态下冻土强度特性研究

通过模拟人工冻结凿井中冻土冻结、受力的实际过程 ,对已冻结试样进行不同温度、不同初始围压状态下的减载试验研究 .结果表明 :温度和土层深度是影响深部冻土破坏强度和破坏应变的主要因素 ,当温度不变时 ,破坏强度和破坏应变随初始围压呈线性关系变化 .破坏强度受温度的影响取决于初始围压 ,在低初始围压状态下 ,冻土的破坏强度受温度变化影响不明显 ,但随着初始围压增大即土层深度加深 ,破坏强度受温度的影响也逐渐明显 .破坏应变随温度的降低而逐渐减小 ,且呈双曲线形变化 ,但当温度低于 - 7℃时 。

人工冻结法单管冻结引起周围土体温度场变化的研究

为了研究人工冻结法单管冻结引起周围土体温度场的瞬态变化,文章根据冻结峰面将土体分为冻结区及降温区,并构建了相应的人工冻结相变温度场模型;采用变量代换的方法求解了单管冻结相变热传导控制方程,得出了用指数积分函数表示的冻结管周围土体温度瞬态变化的解析表达式;将指数积分函数级数展开式取有限项,计算得出了冻结管周围土体冻结区及降温区温度场分布的解析表达式;结合一工程算例探讨了土体冻结温差、冻结管吸热系数、单位体积土体的结冰潜热等因素变化对人工冻结温度场的影响。研究结果表明:土体冻结温差越大,冻结峰面半径发展速度越慢;冻结管吸热系数越大,土体冻结锋面半径的发展速度越快;土体的结冰潜热越小,其冻结峰面半径发展速度越快。并且,这三个影响因素与冻结峰面半径的发展近似呈线性关系。

人工冻结法在上海轨道交通四号线修复工程中的应用

上海轨道交通四号线修复工程,采用冻结加固与暗挖对接的原位修复施工方案,确保了工程的顺利实施。根据人工冻结法的基本理论和工程经验,对江中段连接段修复工程冻结过程中的冻结参数进行了设计,确定了冻结系统;强制解冻采用分区分批进行;采用结构与冻结壁之间充填注浆和融沉补偿注浆对地层融沉进行控制。人工冻结法在四号线修复工程中的成功应用,为今后其他类似工程施工方案的确定提供了重要的参考价值,对人工冻结理论和技术体系的完善和发展将起到一定的推动作用。

动静组合加载下不同负温人工冻结粉质黏土强度和变形特性分析

研究动静组合加载下不同负温冻土的强度和变形特性对提高冻土开挖破碎效率、确保冻土工程稳定具有重要的理论和工程意义。借助改进的分离式Hopkinson压杆试验系统,研究了不同负温下人工冻结粉质黏土的静态和动态应力-应变曲线、抗压强度、变形模量和破坏特征。试验结果表明:单轴动态压缩条件下,随着试验温度的降低,人工冻结粉质黏土应力-应变曲线弹性段占比有减少的趋势,峰后下降段逐渐趋于明显;三维动静组合加载下,不同负温冻土的应力-应变曲线均可分为弹性、塑性和破坏三个阶段。人工冻结粉质黏土在冲击荷载作用下的温度敏感性要强于静态荷载,体现冻土的动脆性特征;在冲击荷载作用下,冻土在三维动静组合状态的温度敏感性要弱于单轴状态。动态单轴荷载作用下,不同负温冻土试样均呈粉碎状破坏,而三维动静组合状态下冻土破坏后无明显裂纹。

复杂地层差异温度人工冻结试验与数值分析

针对立井冻结工程中存在的导热性能差异较大复杂地层,为加快局部地层冻结并对冷能进行优化,提出一种冻结管差异温度优化冻结方案,并研发单管双循环系统冻结器。为验证该方案的强化冻结效果和冻结器对冷能的调控能力,采用2套盐水循环系统对冻结器上、下管段提供不同温度的低温盐水,在模型试验箱体内进行砂土和粉质黏土的单管冻结试验,研究冻结管不同管段在不同盐水温度作用下形成的冻结壁温度场分布特征,并采用FLAC3D对冻结管进行冻结数值模拟。结果表明:该冻结器实现界面附近9.1℃的管段差异温度冻结,优化方案能有效调整冻结壁的厚度和平均温度,使导热性能稍差的粉质黏土较砂土得到一定程度强化冻结。

不同人工冻结方向条件下土的冻胀试验研究(英文)

为了解决人工冻结施工中的冻胀问题,从工程实际出发,进行不同人工冻结方向以及不同冻结温度模式(恒温和正弦变温)的冻胀试验研究,并对试样的温度场、冻胀量、含水率及干密度等进行对比分析。试验结果表明:在相同试验条件下,正弦变温冻结试样的冻胀量值最小,自下而上恒温冻结试样的冻胀量最大;自上而下恒温冻结、正弦变温冻结和自下而上恒温冻结试样的含水率和干密度变化趋势相同,可知在相同试验条件下,冷端输出的冷能一定时,人工冻结试样内部水分迁移规律将相同。

加载卸载对人工冻结土强度与变形的影响

加载卸载两种应力路径下冻土应力 -应变曲线均呈双曲线型 ,但其变形过程明显不同。减载应力路径下的屈服强度明显小于增载应力路径下的 ,且随着围压的增大 ,其差异愈来愈大 ,但其破坏变形却基本无大的差异。冻土的屈服强度和破坏变形均随温度的降低而增加 ,但加载下的强度值和破坏变形明显大于减载下的 ,并随着温度的降低 ,这种差值愈来愈大。

人工冻结竖井中冻土壁强度与变形分析

在K0排水固结后再冻结(K0DCF)过程下,通过冻结兰州砂土和冻结兰州黄土的卸载剪切试验发现,不同围压下两种土质的应力-应变曲线均类似于理想刚塑性应力-应变曲线,但是K0固结段却表现出明显的差异。他们的屈服强度随围压的增大而线性增大,且黄土的屈服强度明显大于砂土;破坏变形随围压的增大也线性增大。他们的屈服强度均随温度的降低而增加,但黄土的强度值明显大于砂土;对破坏变形则存在两种不同的关系,对砂土,随温度的降低破坏变形降低;对黄土,随温度的降低破坏变形逐渐增大。

渗流速度对砂土人工冻结壁的影响

运用相似理论设计了不同的渗流速度和冻结管间距下冻结物理模拟试验,研究不同试验条件下渗流方向温度分布规律、冻结过程中温度场分布特征及冻结壁厚度的变化。研究表明:无渗流时,主面及界面的上下游温度分布具有明显的对称性;而在渗流作用的影响下,上游温度明显高于下游,随着渗流速度增加及冻结管间距变大,这种不对称性也越明显,不对称性大大增加;冻结壁交圈时间随渗流速度的增加而增加,但渗流速度过大时冻结壁无法交圈;在渗流条件下,冻结间距增大会导致冻结壁厚度大幅度减小,交圈时间大大延长。