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。

基坑免降水开挖的组合式冻结法支护工艺研究

近年来,随着地下水资源保护力度的不断增大,对基坑工程进行免降水开挖的需求愈加紧迫。为解决富水地层基坑工程施工中的免降水问题,提出一种新的基坑支护方法:传统悬挂式止水帷幕与水平冻土止水帷幕相结合的“组合式冻结法”。根据以往市政工程中的冻结法施工经验,总结组合式冻结法的施工流程,提出泄压孔、温度限位孔和局部冻结技术相结合的冻胀控制措施,以及利用冻结管嵌入地连墙的界面区强化措施。通过模型试验对组合式冻结法的可行性进行验证,试验结果表明,组合式冻结法可以有效实现基底的支护,在冻结薄弱环节临时竖井、地连墙附近冻结壁承载能力满足设计要求;观测发现地层冻结对地连墙强度和变形无明显影响。

隧道-逃生井平面斜交联络通道冻结施工温度场发展规律

结合台北市地铁某联络通道冻结工程,运用COMSOL有限元软件建立三维数值瞬变模型,针对该工程冻土帷幕和温度场的发展规律展开深入的研究,并对温度场的变化过程进行动态模拟。仿真模拟结果表明,当冻结管呈放射状排列时,冻结管的密度对冻结效果的影响非常显著,冻结管越密集的地方其冻结效果越出色;冻结壁的交圈时间成为冻胀变形迅速增加的决定性时刻,在设计冻结方案下,冻结壁交圈时间是第15天左右;通过模拟冻土帷幕的发育过程,整个冻土帷幕发展最薄弱的区域是逃生井右侧的冻结区域,建议增加冻结管的数量来加强该区域的冻结效果;3条路径测温点(DJ-1、DJ-2、DJ-3,路径DJ-1位于冻结区域之外,路径DJ-2位于冻结管附近,DJ-3位于冻结帷幕区域内部)的降温曲线表明,离冻结管距离越远冻结效果越差,温度下降速度越慢。整个冻土帷幕的平均厚度和平均温度满足冻结设计要求,验证采用联络通道冻结法是合理的。

富水地层多圈水平杯型冻结温度场分布形式及变化机理研究

为了掌握富水地层多圈水平杯型冻结温度场的分布形式及发展规律,以昆明地铁城市轨道交通5号线冻结加固工程为背景,通过现场监测、数值计算、室内试验对冻结帷幕温度场变化规律及内在机理展开研究,分析冻结壁温度场在形成过程中的变化规律.试验结果表明:在外部降温计划的作用下,冻结壁温度场按照温度变化过程分为快速降温阶段、潜热释放阶段、稳定温度阶段及冻结维护阶段4个阶段.各阶段曲线变化速率与加固范围内试样未冻水含量变化具有一定的关联,未冻水往往通过影响比热容、导热系数与潜热等热参数对冻结壁温度场的变化规律从而影响到整体下的温度场分布规律.未冻水含量变化通过改变冻结冰体圆柱与土柱的几何位置关系从而影响试样冻结过程中的热传导形式,其中比热容在正温阶段时随温度降低逐渐增加.

超深厚表土层特殊凿井技术探究

为了开发超深厚土层下的固体矿物资源,以2000m深厚表土层建井为工程背景,通过总结深厚土层中井筒建设成果,并参考深土层井筒施工经验与理论研究,对冻结法、钻井法及混凝土帷幕法等特殊凿井法进行了可行性分析。研究表明:在本工程背景下,使用单一的冻结法或使用单一的钻井法作为建井技术尚不成熟且实现难度较大;而采用冻结-帷幕凿井工艺具有一定的可行性。由于深井建设面临“高地应力、高地温、高水压”问题,为确保工程安全性,提出了冻结-帷幕凿井法,为后续超深厚土层凿井方法的选取提供了方向性的参考。

隧道联络通道及泵站冻结法施工数值分析

在市政隧道工程中,联络通道与泵站经常采用合并建造方式,因此在冻结法施工冻土帷幕时一般也需整体考虑,这样就形成了形状异常复杂的冻土帷幕结构。平面应变及解析很难,不易考虑,本文针对这种情况,对某隧道工程中冻结法联络通道及泵站合并建造施工进行了数值分析。主要分析开挖所对冻土帷幕受力与变形的影响以及冻土帷幕内应力与变形的分布情况,并指出帷幕中的最薄弱部位,同时也验证该工程中1.6m冻结帷幕厚度的安全性,对于类似工程施工有一定的指导意义。

管幕冻结法冻结过程温度场数值模拟

对港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道管幕冻结过程进行了有限元数值模拟,分析了冻结管布置圈整体温度场及冻结帷幕厚度随时间的变化规律。结果表明:冻结过程中形成了以冻结管布置圈为中心的环形温度场,冻结管布置圈内的土体温度下降速度快于布置圈外,其最终温度也要低于布置圈外;在冻结30 d左右相邻冻结管的冻结范围开始重叠,形成了0℃以下的冻结圈;冻结48 d左右基本形成了连续的、具有一定厚度的冻结帷幕;冻土壁厚度达到顶管间止水要求的1.45 m的时间点在冻结72~84 d之间。

冻土帷幕设置加热限位管时温度场数值分析

为解决现有人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发的不良后果问题,设置加热限位管对冻土帷幕的发展进行限制。运用有限元软件分析在冻土帷幕主面上设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律,主要得出：随着加热限位管盐水温度的升高,冻土帷幕厚度呈线性减小趋势;限位管循环盐水温度越高,最终形成的冻土帷幕边界平整性就越好,从而具有较好的限位效果;限位管应与冻结管对齐设置在冻土帷幕主面上;限位管与冻结管距离由最终控制冻土帷幕的厚度决定;循环热盐水的温度不宜过高,宜为5~10℃。

基于蠕变效应的穿越隧道冻结帷幕开挖与支护三维数值模拟

人工冻结帷幕具有显著的蠕变效应。以上海地铁隧道穿越某正运营车站底板施工段为例,将冻土帷幕当作蠕变材料,隧道内土体及上部结构当作弹性介质,与冻结帷幕外围及结构其它部分相作用的土体当作土弹簧处理,运用大型通用MARC有限元程序,对隧道冻结帷幕开挖与支护的时间效应进行了详细地分析,并与实测数据进行比较,说明该种分析方法是可行的。缩短冻结帷幕暴露时间和采用分台阶开挖方式有利于提高车站底板、冻结帷幕和支护结构的稳定性。

北京地铁区间联络通道冻结法施工技术

北京地铁一区间联络通道兼泵房采取冻结法施工,冻土帷幕是冻结法施工的关键所在。施工前对盐水温度、冻土温度、泄压孔压力进行现场监测,分析冻土帷幕发展规律,判定冻土帷幕各参数是否达到施工指标。通道开挖时获得冻土帷幕信息,以此来验证监测数据的准确性。结果表明:温度随着时间的变化先是急剧下降,之后缓慢下降趋于稳定;冻结壁交圈发生在泄压孔压力开始增大时,泄压孔压力稳定表明冻土帷幕基本形成。开挖施工获得的冻土帷幕信息证实了监测数据的准确性。

冻结暗挖法在普天基地地下车库中的数值分析

为解决在工程实践应用中保证工程质量问题,采用理论分析和数值模拟的方法进行验算求证方案设计的可靠性,以上海轨道交通15号线与9号线换乘通道下穿普天基地地下车库为背景,研究了因地质条件比较复杂,传统施工工艺已无法满足设计要求,利用ANSYS有限元软件,选取合适的物理参数对冻结壁的温度场进行数值模拟,利用有限元法进行冻土帷幕的受力分析与变形计算的问题.研究结果表明:45 d、60 d、90 d时冻土帷幕内侧局部存在应力集中但是范围很小,且冻土帷幕角部是圆弧过渡的并且冻土帷幕中间尚有土体或支撑,位移变化很小满足施工设计要求.研究结论水平冻结法克服了传统工艺无法满足设计要求的缺陷,解决了冻土帷幕中温度场变形问题.

大型锚碇基础围护工程冻结帷幕力学性态研究

冻结围护是利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,将天然土层变成冻土作为围护挡土止水的新技术。依据冻结基本原理,在大型锚碇深基础中采用排桩内支撑结构并结合冻结帷幕止水是一种新的基坑围护形式,含水土层冻结后形成的冻结帷幕具有良好的封水性能,冻土墙刚度和强度较原土层有很大的提高且质量易于控制。相对于常规围护工程,冻结围护结构的冻胀力学特性复杂且研究资料贫乏,因此,其力学性状的研究将进一步完善冻结围护技术理论,保障基础工程顺利安全进行。通过对锚碇基础围护工程冻结帷幕温度场-应力场耦合的三维非线性数值模拟分析研究,得到冻结围护工程中冻结帷幕的冻胀力学性状特征,结合大型锚碇基础冻结围护工程实例的现场测试成果分析,验证数值模拟分析方法结果的合理性以及冻结围护技术的可靠性,研究成果将为今后冻结围护技术的工程推广应用提供理论基础。

考虑温度梯度变化的地铁联络通道冻结法施工三维数值模拟

冻结法施工过程中,冻结帷幕的温度场分布较大程度决定其力学行为。针对目前将冻结帷幕温度场均一化处理所存在的问题,文章考虑混凝土水化作用和主隧道管片与隧道内空气热交换所引起的冷量传递非一致性,结合天津地铁2#线机场延长段工程中2#联络通道的冻结法施工,利用有限元分析软件Midas/GTS分别建立冻结帷幕为均一温度场和存在温度梯度的两种物理模型,以此展开联络通道开挖施工的三维模拟分析。结果表明:联络通道冻结过程中喇叭口处存在应力集中,冻结帷幕底板位移变化较大;存在温度梯度模型所得结果较为符合工程实际,其冻结帷幕的应力、变形也更加合理。

人工冻土帷幕的冻结过程研究

人工冻土帷幕具有广泛的应用前景。研究表明,冻土的均匀性和冻结状态是影响人工冻土帷幕强度的重要指标。冻结方向、受力方向、冻结时间影响下的冻结锋面发展情况和温度场规律是描述冻土力学性能差异的四个重要特征。该文通过分析这些指标和特征,完善了人工冻土帷幕的分析计算内容,有助于验证冻结时间、冻结位置等重要工程指标的正确性。

盾构隧道修复工程中的垂直冻结加固应用

在盾构隧道的修复工程中,为了隔离损坏段和完好段的联系,防止进一步的坍塌破坏,便于进行完好隧道内的清淤排水和隧道修复工作,在隧道损坏段和完好段分界处进行垂直冻结形成冻土帷幕,并布置温度监测系统进行实时监测,通过监测数据计算和分析冻土帷幕各种参数指导隧道修复工作的进行,并同时考察隧道修复工作对冻土帷幕温度的影响。计算分析表明,该冻结系统运转稳定,监测系统布置合理,冻土帷幕强度达到了设计与施工的要求。受管片切割和连续墙施工的影响冻土帷幕温度有一定升高,但是并没有高于设计冻土帷幕温度,这些工序结束后冻土温度继续下降。

拱北隧道管幕冻结法温度场数值计算

以港珠澳大桥珠海连接段拱北隧道为工程实例,研究管幕冻结法的温度场发展规律,基于二维多孔介质传热理论,采用有限元软件COMSOL对积极冻结期的实际工况进行数值计算,模拟结果通过现场实测验证,研究了温度场在异形冻结管开启前后的发展与分布规律。结果表明:冻结30 d时,实顶管完全被冻土包裹,并且顶管之间开始形成连续的冻土帷幕;冻结50 d时,空顶管被冻土完全包裹;冻结90 d时,实顶管和空顶管处冻土帷幕厚度达到2.0 m,满足设计要求。在异形冻结管开启前、开启后10 d内和开启后10~20 d内,两顶管间中点处温度测点的平均温度变化速率分别为-0.86℃/d,-0.88℃/d和-0.25℃/d,之后各测点温度趋于稳定,进而形成温度较为均匀的冻土帷幕。研究成果可为类似冻结工程提供技术参考。

交叠车站下穿段MJS+水平冻结温度场分析

以南京地铁7号线中胜站下穿既有10号线中胜站工程项目为研究背景,提出了富水承压含水砂层交叠车站下穿施工MJS+水平冻结新工法,通过ADINA有限元软件进行水平冻结温度场数值模拟,获得了富水砂层交叠车站下穿段人工水平冻结的冻结温度场变化规律,并对比分析了MJS加固端部采取保温措施与否的冻结温度场发展规律,研究了因MJS水化热产生的不同地层初始温度和不同季节施工对冻结温度场的影响。结果表明:随冻结时间增加,冻结锋面发展速度先快后慢,冻结40 d时,冻结区内土体温度维持在-13℃以下;无论是在MJS加固区的顶部、中部还是底部,距离冻结管越近,其温度下降速度越快,最终土体温度也越低;MJS加固区中地层初始温度平均每升高4.54℃,内部土体达到设计厚度所需时间延长1 d;夏季必须对端部采取保温措施,否则无法形成所需厚度,对端部采取保温措施后,端部冻结交圈时间减少2 d,冻结40 d时端部冻结壁厚度增加了2.6倍。相同地层初始温度和冻结设计方案下,冬季施工能有效增强端部位置的冻结效果。研究成果可指导实际工程施工,同时为国内相似地层类似工程设计、施工提供技术支撑。

基坑冻土帷幕冻结温度场变化规律试验研究

为提高基坑冻土挡墙的成墙效率,寻找冻结法施工中温度场的变化规律,指导冻结施工获取最佳冻结强度,基于传热学和工程流体力学对冻土温度场的影响因素进行试验分析,通过有限元ANSYS热力学模块提出了稳态与瞬态相结合的温度场计算新模型。通过试验及数值模拟着重对冻土温度场形成的人为可调控因素进行分析,对冻结管的材质及结构提出了优化方案,同时得出冷冻管间距是影响冻结效果的主要因素,最优冻结管间距为500 mm。

地铁联络通道冻结帷幕力学性能研究

为研究地铁联络通道施工安全性,结合地铁联络通道的实际受力特点,采用结构力学和ANSYS有限元软件对冻结帷幕进行计算,得到2种冻结帷幕的安全系数。结果表明,通道弯拉应力最大值为0.721 MPa,压应力最大值为0.779 MPa,剪应力最大值为0.617 MPa,最大位移为31.1 mm;泵站弯拉应力最大值为0.07 MPa,压应力最大值为0.78 MPa,剪应力最大值为0.192 MPa,最大位移为16.4 mm。结构力学与数值模拟计算得出的结果互为补充,互为验证,计算结果均满足要求,安全系数较高。

滨海软土冻结温度场发展规律

为研究滨海软土地层中联络通道冻结温度场的发展规律,以上海轨道交通15号线罗秀路站至百色路站区间联络通道为工程背景,对冻结帷幕厚度、平均温度及冻结过程进行分析,通过建立联络通道三维数值模型预测冻结温度场发展规律,并与实测温度数据进行分析验证。结果表明:地层中存在固有压力导致泄压孔含有初始压力值,埋设冻结管时注入大量水泥浆将抑制地层中水分迁移,减小冻结过程冻胀影响;冻结过程地层温度下降规律可分为温度快速下降、降温速度减小后增大、降温速度缓慢减小、温度稳定4个阶段;冻结帷幕内外侧发展速度比例为1.42︰1,灰色粉土比粉质黏土夹粉土冻结效果好,粉质黏土夹粉土发展速度为20.02mm/d,灰色粉土发展速度为29.75 mm/d。