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。     

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。     

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4h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21h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105mm,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4h内,实顶管中线垂直距离100mm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。     

盾构地中对接冻结加固模型试验(Ⅰ)——冻结过程中地层冻结温度场的分布特征

针对软土地层中盾构地中对接冻结加固施工边界条件复杂、形成冻结壁体积小且形状不规则的特点,以上海地区某盾构对接冻结加固工程为原型,按照相似理论设计进行了冻结加固模型试验,分析了冻结过程中地层温度场的分布规律,获得以下结论:在盾构壳体内表面保温的条件下,冻结管内部冻土的平均发展速度是冻结管外部的1.5倍左右;冻结28 h后,冻结管内部冻结壁的温度分布基本稳定,盾构壳体与土体交接面的温度均处于-20℃左右,内部冻结壁的平均温度约为外部的1.9倍。在同圈冻结管的叠加作用下,冻结过程中冻结壁主面和界面的温度变化规律基本一致,仅在冻结初期有少许差别。在外圈冻结管的低温屏蔽作用下,内圈冻结管对外部土体基本不发挥冻结作用,在不同冻结管排间距及多根冻结管交叉冻结的情况下,冻结管外部的冻土扩展规律基本相同,仅两排冻结管之间的土体温度分布存在差别。研究结果表明,盾构地中对接冻结加固形成的冻结壁形状与外圈冻结管的布置形式相似,形成的冻结壁厚度及平均温度在冻结28 h后基本稳定。     

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。     

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。     

人工土层冻结法加固在盾构出洞施工中的应用

软土地区盾构出洞施工中洞口土体易失稳、渗水,上海明珠线二期工程浦东大道站至张扬路站区间,隧道在盾构出洞施工中,为确保地面建筑及地下管线的安全及正常使用,首次采用了人工土层冻结加固,取得了良好的效果;本文介绍了该工程出洞口土体加固的方案选择、关键技术处理及实际取得的效果,并探讨了人工土层冻结加固在含水松软土层的地下工程中的应用前景.     

多圈管分期冻结施工法温度场现场实测与分析

在深厚表土中进行冻结法施工常产生由于冻胀应力造成的冻结管断裂, 为减小深井冻结壁在形成过程中产生的内部冻胀应力, 采取外圈辅助冻结孔滞后于主圈孔冻结的施工方案, 能有效地防止冻结管断裂. 应用有限元方法对淮南某煤矿主井冻结井筒分期冻结过程进行了瞬态温度场数值模拟, 和现场实测十分接近. 分期冻结方案能减少冻结壁内部水分聚集, 以达到减少冻胀应力的目的, 并形成相对比较均匀的温度场. 相同冻结条件下采用分期冻结方案, 冻结壁有效厚度增大约15%. 数值模拟的系统分析可为深井冻结壁的设计与施工提供科学依据.     

上海某冻结加固工程试验研究分析

通过对上海某冻结加固工程试验研究分析，提出了应针对上海地区软土矿物成分及水平渗透性强的特点，在开放系统中进行土体低温特性研究；同时就地下水的含盐量，土体冻结速率，土粒粒径，分散度等对土体低温特性的影响也提出了一些个人看法。     

双排管冻结下冻结壁温度场形成特征的数值分析

冻结时间、冻结壁厚度和冻结壁温度场的性状是冻结法施工的关键参数,以工程实例为背景,考虑了水的导热系数λ和比热c的相态变化以及冻结管吸热参数随温差而变化等因素,利用ANSYS大型有限元计算程序,对单、双排管冻结下冻结壁的形成及其变化特征进行详细的计算分析,得出了双排管冻结下冻结时间缩短、冻结效率提高、冻结壁平均温度下降等特性.最后,探讨了双排管冻结下冻结壁平均温度的简化计算方法     

大连路隧道联络通道冻土帷幕数值分析

从数值方法的角度对大连路隧道联络通道冻结法施工冻结帷幕的变形与应力进行了分析与安全评价,详细讨论了帷幕中位移及应力的分布情况,并指出了帷幕最不利状态的分布位置在帷幕与已建隧道接触处,由于该处的冻结效果最差,所以施工中必须特别注意;对于上海地区类似工程来说,1.8 m厚的冻土帷幕是可以满足施工要求的,从而为今后联络通道数值分析及冻结法施工提供了一定的经验。     

流场法探测土石坝渗流矢量分布的有效性分析

利用电流场的电势微分控制方程与渗流场的流速势微分控制方程的相似性原理,流场法通过检测电流场的分布来确定渗流场,并能快速查明堤坝的管涌渗漏入口。为了更精确地描述土坝管涌的渗流分布及渗流方向,可以测试迎水面和背水面的水平方向与垂直方向的电位差,模拟渗流的矢量分布。从电流密度、电位微分及电位微分绝对值等方面,阐述了矢量流场法模拟渗流矢量分布的基本原理,并以某土石坝渗漏探测为例开展了验证工作。结果显示,矢量流场法可以有效揭示土石坝的渗流等级及渗流方向,结合流场法和矢量流场法探测成果,可为查明土石坝渗漏入口、渗流等级及渗流方向提供新的思路。     

岩溶区路堤下水平加筋体受力分析方法研究

在岩溶区进行公路修筑时,采用土工织物处理可有效减少岩溶塌陷风险,但目前其计算与设计理论远远落后于工程实践,对其进行研究十分必要。文中首先分析了溶洞上水平加筋体的受力特点,采用太沙基理想土中拱效应理论计算溶洞上方所受荷载,根据各段受力区别,将其划分为临空段、洞端过渡段及锚固段三部分。对加筋体临空段,基于微段分析,导得了洞端水平加筋体拔出位移与加筋体拉力水平分量间的关系;对洞端过渡段,采用库仑摩擦定理,假定摩阻力完全发挥,导得了加筋体拉力损失值计算公式;对锚固段,将其区分为弹性段与塑性段分别求解,并分别考虑有限长与无限长两种情况,导得了其解析解与塑性段长度计算公式,由此可解算锚固段端部拉力与位移间关系曲线。在此基础上,提出曲线交汇法求解整体模型,并将其应用于土工织物拉拔试验及足尺试验的结果分析,计算值与实测值吻合良好。本文方法物理意义明确,简单直观,适合工程应用。     

模拟排水孔列渗流行为的以沟代孔列延长渗径法研究

排水孔是降低岩土体中地下水位和减小渗透压力的重要设施。因排水孔孔径小、排列密集,研究排水孔列的简化模拟方法对减小渗流数值计算规模,提高计算效率十分必要。基于流量等效原理的以沟代井列的延长渗径法,因其概念清晰、实现简便,在承压含水层井列的渗流场模拟中应用广泛。现有以沟代井列的延长渗径法中附加渗径计算公式与井深和含水层厚度息息相关,使得该方法应用于多层和有自由面的问题困难重重。针对现有延长渗径法的局限性,提出适用于有自由面的各向异性多种介质中排水孔列渗流问题的延长渗径法,附加渗径长度的确定不再受到孔深和含水层厚度的影响。采用该方法对几个典型的溢流型、逸出型和复合型排水孔列进行渗流场有限元分析,并与排水孔直接模拟的结果进行对比。结果表明,延长渗径法得到的排水孔的流量与排水孔直接模拟法的流量相差很小,且两种方法获得的自由面基本吻合。因此,提出的延长渗径法是模拟排水孔列渗流行为的简单而有效的方法。     

侧向约束防渗路基新结构防渗效果试验研究

在湿陷黄土地区修建客运专线如何满足修建过程中以及工后沉降的要求,同时提高路基结构的抗渗性能,是该地区客运专线路基工程的关键技术。提出侧向约束防渗的路基结构新形式,研究了湿陷性黄土地基侧向约束防渗路基结构的防渗效果。采用灰土挤密桩和水泥土挤密桩作为侧向约束防渗结构,通过室内模型试验,针对不同桩体填料及桩间距,测试地基中不同位置及深度处地基土含水率的变化,对比分析后得出,与天然地基相比,设置挤密桩显著提高了地基的侧向防渗能力,且随着桩间距的减小,地基土含水率增长速率逐渐减小,即渗流速度减缓,防渗效果越好。对比试验中两种挤密桩复合地基,水泥土挤密桩侧向防渗效果优于灰土挤密桩,研究成果可供同类工程参考。     

管棚力学行为的解析分析与现场测试

管棚超前预支护在隧道上部形成纵向拱效应,从而保证隧道的安全开挖。然而由于模型边界条件的复杂性,目前多局限于从管棚对控制围岩变形和开挖面稳定的整体效果进行研究,无法分析管棚真实的力学行为。对管棚的Winkler弹性地基梁模型进行了改进,并考虑了初期支护的延滞效应,基于Pasternak弹性地基梁理论,推导了管棚的挠度方程和内力计算公式,并提出求解方法。以一隧道开挖为例,通过Pasternak模型和Winkler模型的计算结果与管棚的现场测试数据的对比分析,说明Pasternak模型较Winkler模型与现场测试曲线吻合更好,说明Pasternak模型改进了Winkler模型中地基变形不连续的缺陷,更符合实际受力情况,能较好地反映管棚在隧道开挖过程中的真实力学行为。计算结果表明：管棚起着杠杆作用,能够有效地将开挖面附近的上部荷载向未开挖区传递,从而控制隧道变形,保证开挖面的稳定。     

渗流作用下北京砂卵石地层多排管局部水平冻结体温度场试验

为研究渗流作用下多排管局部水平冻结体温度场扩展规律,基于相似准则,设计北京砂卵石地层冻结模型试验,从迎水面长度、顺水流长度、厚度3个维度研究渗流作用下多排管局部水平冻结体温度场扩展规律。研究表明:(1)水平冻结体中部发展速度最快,且温度最低;下部次之;上部最慢,且温度最高;(2)渗流作用使冻土柱由背水面向迎水面朝上游方向逐步交圈,且上、下游温度场不对称,冻结后期背水面呈坡屋顶形。(3)渗流作用对水平冻结体的影响随着渗流速度的增大而逐渐增大,积极冻结期末列冻土柱冻结锋面扩展速度、水平冻结体朝上游方向的平均发展速度均与渗流速度呈平方、负相关关系,渗流速度超过14.1 m/d时,冻土柱不交圈,为该模型试验的极限流速。基于等效梯形算法理论,给出的渗流作用下多排管局部水平冻结体的平均温度计算式,以便于评估水平冻结体发展状态。研究成果可为大流速地层盆形冻结施工提供依据。