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。      

水下清淤人工冻结板温度场数值分析

为研究水下清淤人工冻结板温度场的发展规律以及冻土帷幕形成的过程,通过有限元分析软件,采用单因素分析法进行数值分析,研究了水下人工冻结板在几何及物理环境变化条件下的冻结规律。结果表明:冻结板不同几何尺寸与清淤深度的相关性较弱,调整冻结板的几何尺寸仅能改变清淤面积;对清淤环境来说,土层的导热系数越大,比热容越小,原始地温越低,其降温速度越快,清淤越高效;砂土的冻结效果要明显优于黏土;相变潜热对土体降温的影响十分有限;盐水降温计划中最低温度对清淤深度有较大影响,在-50℃以前,冻土帷幕发展较快,每降低10℃冻土帷幕的发展厚度增加约0.4 m,而在-50℃以后冻土帷幕的发展较慢,每降低10℃冻土帷幕厚度的发展仅约为0.05 m。因此,在工程实际中,冻结初期通过调节盐水降温计划可以较好的实现冻结效果;建议盐水降温计划最低温度设置为-50℃,此时可以得到的有效清淤深度约1.5 m。研究结果可为今后的相关实际工程提供参考依据。      

管幕冻结隧道“顶管?冻土”复合结构力学特性试验研究

拱北隧道暗挖段作为港珠澳大桥珠海连接线的重点工程,首次运用管幕冻结法进行施工。该法综合管幕法和人工地层冻结法的优势,可在隧道断面形成“顶管?冻土帷幕”复合支护体系,有效实现“承载”与“顶管间止水”的双重目标,确保隧道开挖时的稳定与安全。为获得“顶管?冻土”复合结构的温度、变形与力学特性,基于相似理论自主研发构建一套相似模型试验系统并开展试验研究,同时利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立数值计算模型进行模拟验证。结果表明:复合结构的冻结温度场因空、实顶管及其内部冻结器的布置形式呈现不均匀分布特征,冻土形成速率在冻结后期明显变缓;土体竖向冻胀变形在60~160 min内急剧增大,且冻胀量随深度增加而增大,整体规律与温度场分布密切相关;土体冻结产生的冻胀力对顶管水平受力影响较大,空顶管相对刚度较小而产生较大水平变形;在加载阶段,顶管受力与变形均以竖向为主。因空、实顶管刚度差异和冻土厚度不均匀的共同影响,空顶管竖向变形包含了“弯曲”与“压扁”并具有非线性特征,其跨中截面底部竖向位移峰值约为实顶管的1.6倍;加载至0.28 MPa时,管间冻土首先发生破坏,进而导致顶管间封水功能失效,实际施工中应重点监测空顶管的变形规律、管间冻土帷幕的温度变化及其完整性。研究成果可为管幕冻结法的施工与监测提供参考,也可为热力耦合数值计算模型提供验证依据。      

不同顶管组合方式的管幕冻结温度场模型试验

拱北隧道作为港珠澳大桥珠海连接线的关键性工程, 在国内外首次成功运用了管幕冻结技术。以此为背景, 为更加全面地掌握饱和软土地层中管幕冻结温度场的分布特点, 开展了不同顶管组合方式下的管幕冻结温度场模型试验研究。试验结果表明： 各测点温度曲线在积极冻结期前4 h急剧下降, 随后逐渐减缓, 降至砂土冰点后趋于平稳, 三种布管方式均满足冻结设计要求; 冻结管中低温盐水提供的冷量首先传递给顶管管壁, 再以“面”的形式均匀地传递给周围土体; 积极冻结21 h后, 采用四根空顶管组合的C区冻结壁竖向范围最大, 空管管壁正上方冻结壁平均厚度约为105 mm, 在满足管幕刚度设计要求的前提下, 可采此布管方式以达到快速形成冻结帷幕的目的。限位管开启后的4 h内, 实顶管中线垂直距离100 mm范围内测点温度曲线虽有明显回升但仍维持在冻土冰点以下, 超出此范围后温度变化影响逐渐减弱, 且顶管间冻结壁稳定存在, 表明限位管在满足管间有效封水的条件下, 能在一定范围内起到定向限制地层冻胀的作用。优化后的双圆形冻结管在满足冻结设计要求的同时, 更加便于安装且经济环保。     

X形冻结管温度场变化规律研究

为解决现有冻结管单管冻结能力不强致使增加循环冷媒介质用量和施工耗电的问题,可将传统圆形截面设计成异形截面。对X形截面冻结管作一简单介绍,运用有限元软件对X形截面冻结管单管冻结时的温度场变化规律进行研究,同时与圆形、方形、工字形、T形和Y形冻结管单管冻结时的温度场进行对比分析,主要得出结论为：虽然X形等异形冻结管为非圆形截面,但其冻土帷幕温度也是以冻结管为圆心呈同心圆分布,离冻结管越近温度越低;冻结20天时,X形冻结管-10 ℃圆形冻土帷幕半径发展到200 mm,冻结30天时发展到240 mm,冻结40天时达到约300 mm;与圆形冻结管相比,异形冻结管在保证冻结效果的基础上可大大减少施工耗电量,经济效益显著。     

广州地铁超长水平冻结多参量监测分析

广州地铁3号线天河客运站折返线工程是目前国内最长、开挖断面最大的水平冻结隧道工程。文中根据不同施工阶段中对盐水温度、土层温度、地表变形、冻土压力、隧道衬砌变形等多个参量的现场监测数据,从时间和空间上分析了冻结帷幕演化过程、冻结帷幕发展速度等;探讨了土层温度变化规律以及冻土压力与土体温度间的相互关系,得出了在积极冻结期,沿测温孔深度方向土体温度的变化梯度随冻结时间增加不断减小,土体温度变化速率随时间增加而降低的特征;对比研究了冻结阶段、隧道开挖阶段和融沉阶段地表变形特征,并提出了缩短积极冻结期的建议和方法。     

新型管幕冻结法温度场影响参数分析

新型管幕冻结法中冻结管周围温度场的发展状况是这一工法施工的技术重点,为研究这一工法中温度场的发展变化规律,在模型中选取2条路径,并在路径上布设分析点,通过分析土体导热系数、容积热容量、相变潜热、原始地温这4个因素对温度场发展规律的影响,形成如下结论:与港珠澳拱北隧道管幕冻结法相比,新型管幕冻结法支护形式更加灵活多样,受地形制约更小;土体导热系数对温度场有显著的影响,导热系数越大,温度下降越快,且幅度越大;容积热容量对温度场的影响效果较大,容积热容量越小,温度下降越快,且幅度越大;土体相变潜热对温度场变化几乎没有影响;原始地温越低,达到相同温度所需要的冻结时间越短。所得结果可供今后类似工程参考。      

复杂环境下浅埋暗挖隧道穿越薄富含水层冻结温度场研究

提出了南京地铁2号线新街口－上海路隧道穿越薄富含水层冻结法止水加固方案,利用ADINA有限元软件对该浅埋暗挖隧道涌水段建立冻结温度场数值模型,分析了冻结管间距、冻结盐水温度、冻结管直径对冻结壁发展速率、冻结壁厚度、平均温度的影响,以此为基础对冻结参数开展优化设计,并获得成功应用。研究结果表明：利用人工冻结技术能够有效解决这一特殊岩土工程难题。为了在支护段获得有效地止水冻土帷幕,冻结管间距应小于等于1 m;冻结工程中采取-30℃的盐水温度既能满足需冷量,又能符合经济性要求;采取大直径的冻结管对增加冻土墙厚度与降低冻土壁平均温度的影响并不显著。     

深部高承压水地层裂隙岩体冻结温度场实测研究

通过深部高承压水地层冻结法凿井现场实测,获得矿井裂隙岩体各个层位测温孔的温度和盐水去回路干管温度变化规律.结果表明:测温孔实测温度在冻结初期呈线性下降规律;当温度继续降低到岩石的结冰温度以后,降温速率逐步增加;当冻结帷幕达到设计温度时,实测温度变化趋于平缓;外圈管外侧测温孔降温速率最慢,两圈管之间位置的测温孔降温速率最快;位于不同位置不同层位的测温孔降温速率不一致,其中位于92m深度的卵石层(C1^#测温孔)降温速率为0.54℃·d^-1,位于209m深度的砂质泥岩(C3^#测温孔)降温速率为0.9℃·d^-1;根据实测温度可以预测地层形成冻结帷幕的交圈时间、厚度、平均温度等冻结设计参数.深部裂隙岩体冻结温度实测资料对指导冻结帷幕设计与施工具有重要实践意义.     

高温冻结砂土温度界限试验研究

由于高温冻土力学特性与融土相近,对其研究越来越多,然而迄今并没有一个广为接受的基于力学指标的明确定义。以冻结饱和标准砂为研究对象,利用三轴剪切试验和侧限压缩试验获得黏聚力、割线变形模量和压缩指数等力学指标,通过分析这些指标随温度变化的规律,试图从力学特性的角度对于高温冻结砂土给出一个明确的温度界限。研究发现,冻结砂土在-1.0℃到-0.5℃之间,黏聚力、割线变形模量和压缩指数等力学指标发生突变,因此,将-1.0℃定义为高温冻结砂土的温度界限,对涉及高温冻土的工程建设和维护具有重要的意义。     

新疆北疆地区季节性冻土结冻过程与日积温的关系

传统的度日因子模型很难分辨在结冻期土壤每日结冻和解冻的过程,而日小时积温可以区分正积温和负积温对土壤冻结过程的影响.利用北疆地区1951-2010年气象站数据和决策树算法,分析计算日小时积温及表层5cm和10cm土壤冻结状态数据及日小时积温对季节性冻土冻结现象的影响.结果表明:在北疆范围年小时正积温以每年平均160℃增长,而年小时负积温以每年平均153℃减少.季节性冻土发生冻结现象所需的临界值分布与北疆地区气候和土壤分布基本一致,但仍存在空间差异性.北疆地区5cm土壤结冻所需的日小时负积温为-50℃以下,而5cm到10cm土壤结冻所需日小时负积温的平均值差值为-15℃左右.与日最低气温和日平均气温作为土壤结冻判据相比,日小时积温临界值作为判据可获得较高的精确度.在昌吉地区和阿勒泰地区冻土的平均深度随着日小时负积温临界值的增加而减少.     

祁南矿东风井冻结温度场时空演化规律分析

以安徽祁南矿东风井冻结法凿井为工程背景,以多圈管冻结的不同土性表土层为研究对象,基于冻结孔实际成孔位置,应用有限元软件COMSOL Multiphysics分别建立埋深218 m钙质黏土层位、埋深225 m细砂层位和埋深259 m砂质黏土层位3个不同土性、不同埋深的冻结温度场数值计算模型,并结合现场实测数据,分层计算分析了其冻结壁温度场时空演化规律,结果表明:在相同冻结条件下,埋深225 m细砂层位冻结壁有效平均温度比埋深259 m砂质黏土层位和埋深218 m钙质黏土层位分别低0.09~0.72℃和0.44~1.95℃,埋深225 m细砂层位平均有效厚度比埋深259 m砂质黏土层位和埋深218 m钙质黏土层位分别厚0.17~0.38 m和0.29~0.47 m;现场实测与数值计算均表明,各个层位冻结壁开挖时,其平均温度均低于–15℃,有效厚度均大于6.2 m,200 m以下深部表土层井帮温度低于–4℃,满足施工要求,冻结壁强度和稳定性均处于安全状态;冻结孔沿径向将冻结温度场划分为3个区域(A区、B区、C区),B区在冻结孔冷量叠加的影响下降温速度最快,A区降温速度适中,C区距离冻结管较远,且外部土体源源不断向其输入热源,降温速度最慢。该研究可为冻结法凿井中冻结壁的施工提供一定的理论参考。      

基于改进西原模型的深井冻结压力数值计算分析

深厚冲积层冻结压力取值大小是冻结法凿井外层井壁设计计算的重要依据。为此,基于符合深井冻土蠕变特性的改进西原模型,利用ABAQUS软件的用户子程序接口,实现该模型的UMAT开发。考虑土体冻结过程中的热-力耦合作用获得井筒开挖前土体冻胀应力分布规律,在此基础上,计算分析了深部冻结井的掘砌过程,获得了作用于外层井壁的冻结压力发展变化规律。计算结果表明：土体埋深、冻结壁温度、土体冻胀率等因素均影响冻结压力的大小。在其他条件不变的情况下,当埋深由400 m增加到500 m时,冻结压力增加21%;当冻结壁平均温度由-16 ℃降低至-18 ℃时,冻结压力减小10%;当土体冻胀率由2%增加到3%时,冻结压力增加3.8%。冻结压力随层位深度及土体冻胀率的增加而增加,而降低冻结壁温度则有利于冻结壁的稳定。数值计算结果与实测值的误差小于15%,比理论计算更有利于实际工程中深井冻结压力的计算预测。     

列车荷载作用下冻土路基中的动应力计算研究

冻土路基在列车荷载作用下的动力响应是一个复杂的热、力相互作用过程,又是一个急需解决的实际工程难题. 应用冻土物理学、冻土力学、传热学等基本理论建立冻土路基的动力分析模型,以青藏铁路某普通路基典型断面为例,对冻土路基在列车荷载作用下的动力响应进行了数值模拟,并系统的分析了路基内动应力、位移、加速度等动力响应特点. 结果表明：普通路基修筑后,在路基及其下部地基中将会产生大片力学性质不稳定的高温冻土层;在列车荷载作用下,路基内土体产生竖向加速度,随着深度增加,加速度波动范围减小,路基顶面中心点加速度波动范围比路基底面中心点大一个量级. 路基竖向位移由道砟中心向内部呈圆弧状逐渐减小,整个分布关于路基中线对称;在不同季节的路基上施加列车荷载时,路基顶面的动应力差异不大,但路基底面的动应力差异达7.5 kPa. 不同季节的路基内动应力随深度的衰减曲线不同,路基表面以下2 m和大于15 m的深度范围内,差异较小;2~15 m的范围内,差异较大.     

季节冻土地区路基冷阻层温度场效应

为研究季节冻土地区冷阻层的路基温度场效应,基于ANSYS软件热分析原理,以粉煤灰土、橡胶颗粒改良粉煤灰土和聚丙烯纤维改良粉煤灰土3种冷阻层材料为研究对象,模拟季节冻土地区道路路基温度场,研究其阻止热量交换的效果。结果表明：采用粉煤灰土为冷阻层的道路的最大冻深为1.32 m,温度梯度最低值为-17.606℃/m;采用橡胶颗粒改良粉煤灰土为冷阻层的道路的最大冻深为0.94 m,温度梯度最低值为-23.563℃/m;聚丙烯纤维改良粉煤灰土为冷阻层的道路的最大冻深为1.20 m,温度梯度最低值为-19.557℃/m。橡胶颗粒改良粉煤灰土冷阻效果最佳,其确保路基土处于零上温度不冻结状态的最小摊铺厚度为0.33 m,适宜作为季节冻土地区的冷阻材料。     

季节冻土区风积沙土路基冻结过程中水热迁移数值分析

基于Harlan模型和Darcy定律,并考虑温度梯度对水分迁移影响、温度和含水量对水热参数影响以及各种环境气候因素的影响,建立了完全依赖气象资料和水热参数的风积沙土路基冻结过程中水热耦合迁移数学模型,采用全隐式有限差分格式和TDMA迭代法对内蒙古锡林浩特地区沙漠公路207国道K135+000处冻结期间路基水热迁移规律进行了数值模拟.结果表明:该地区道路冻结深度随时间近似线性变化,冻结速度达到2~3 cm·d^-1,最大冻深为3 m左右,冻融时间约为180 d;水分迁移主要发生在冻结锋面附近,从未冻区向冻结区迁移,且随着冻结锋面前移,迁移量逐渐增大;整个冻融期间最大冻深底部层位含水量变化较大,路面下0~50 cm范围内温度变化比较剧烈.