突发渗流作用下地铁冻结工程的温度场演化特性

冻结法施工中,已成型的均匀冻结壁在突发渗流作用下会逐步演变为类稳态的偏心冻结壁,难以满足设计要求。为了掌握类稳态阶段土体冻结特性、形成原因并提出应对策略,对于突发渗流条件下的温度场进行仿真分析,从温度、温度梯度和热通量3个方面展开系统性研究。研究结果表明:冻结壁各位置进入类稳态阶段的时间并不相同,上游进入类稳态阶段速度快于下游,界面快于主面,距离冻结区越远,进入类稳态所需时间越短。渗流发生后上下游温度梯度将呈现明显区分,下游温度梯度极值约为上游温度梯度极值的2.0~2.5倍。土体进入类稳态阶段主要原因是该区域热通量梯度基本为零,在渗流发生后,未冻土区的对流热通量和传导热通量梯度均迅速趋于稳定,因此土体快速进入类稳态阶段。为了确定类稳态阶段冻结壁形态和性能,采用多元非线性回归方法求解出了类稳态阶段的温度场和冻结锋面,解决了实际工程中突发渗流温度场求解困难的问题。

冻结管对冻土试件自身抗拉性能的强化效果分析

为了更加精准地开展人工冻结法设计,以存在冻结管的冻土试件为研究对象,利用冻结管-冻土接触面强度试验数据为条件,建立数值计算模型,对不同工况下的冻土试块的应力分布及其服役性能进行研究。研究结果表明:在所有计算中冻结管-冻土接触面未发生破坏,且冻结管的存在会有效降低冻土试块的最大拉应力;在计算中单冻结管试件最大拉应力比无冻结管试件降低1 1%,双冻结管试件最大拉应力比无冻结管试件降低17%。冻结管对于抗拉性能的提升主要受其布置位置影响,冻结管规格对强化效果的影响相对较小,在设计中可以忽略。最终根据研究结果提出了同时考虑冻土帷幕厚度、平均温度及其内部冻结管布置高度的设计思路。