基于流固耦合理论水下隧道冻结壁厚度优化研究

水下隧道对冻结壁厚度设计有特殊要求,针对珠机城际轨道交通项目下穿马骝洲水道段联络通道冻结壁设计改进问题,基于流固耦合分析理论,利用有限差分数值计算方法对水下隧道冻结壁稳定性进行研究,通过对不同厚度冻结壁响应情况的对比研究,实现对于冻结壁厚度的优化设计。研究表明：(1) 相较无渗流模型,流固耦合模型冻结壁应力分布规律相同,但整体量值增大明显,水的作用不可忽略;(2) 水的存在使冻结壁受力趋于“均匀”,应力集中现象缓解,但高剪应力区范围扩大,使其剪切破坏风险加大,且冻结壁受力形式有从受压向受拉改变的趋势,对结构稳定不利;(3) 冻结壁在流固耦合作用下变形加剧,且随厚度减小而愈发显著,模型厚度达到2.0 m以上时变形基本稳定;(4) 流固耦合模型塑性区多集中于两侧拱脚区域,3.0 m和2.5 m模型整体完好,2.0 m模型两侧拱脚出现相向发展塑性区,1.5 m模型塑性区厚度接近贯穿,1.0 m冻结壁拱脚已形成明显贯穿破坏;(5) 综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有重要的推广应用价值。     

基于流固耦合理论水下隧道冻结壁厚度优化研究

水下隧道对冻结壁厚度设计有特殊要求,针对珠机城际轨道交通项目下穿马骝洲水道段联络通道冻结壁设计改进问题,基于流固耦合分析理论,利用有限差分数值计算方法对水下隧道冻结壁稳定性进行研究,通过对不同厚度冻结壁响应情况的对比研究,实现对于冻结壁厚度的优化设计。研究表明:相较无渗流模型,流固耦合模型冻结壁应力分布规律相同,但整体量值增大明显,水的作用不可忽略;水的存在使冻结壁受力趋于"均匀",应力集中现象缓解,但高剪应力区范围扩大,使其剪切破坏风险加大,且冻结壁受力形式有从受压向受拉改变的趋势,对结构稳定不利;冻结壁在流固耦合作用下变形加剧,且随厚度减小而愈发显著,模型厚度达到2.0m以上时变形基本稳定;流固耦合模型塑性区多集中于两侧拱脚区域,3.0 m和2.5 m模型整体完好,2.0 m模型两侧拱脚出现相向发展塑性区,1.5 m模型塑性区厚度接近贯穿,1.0 m冻结壁拱脚已形成明显贯穿破坏;综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有重要的推广应用价值。     

地铁联络通道冻结加固融沉注浆研究

介绍了国内首个地铁联络通道强制解冻融沉注浆工艺的设计与施工。整个施工过程中对土体温度和地表变形进行了监测,得到了温度和地表变形的变化规律。由于冻结法施工中存在冻胀和融沉问题,过量的冻胀、融沉会对地表建筑和地下管线产生危害。结合工程实例,对强制解冻融沉注浆进行了研究,该工程对冻结加固体分区强制解冻、及时进行融沉注浆、二次加固土体,消除了后期压密沉降发生的可能,地表变形的监测表明强制解冻融沉注浆技术在该类工程中应用效果良好。     

隧道水平冻结施工引起地表冻胀的历时预测模型

隧道水平冻结施工过程中,土体冻结引起体积膨胀,进而会在地表产生冻胀现象。实际工程一般采用多根冻结管形成冻结壁。冻结壁交圈前,地表冻胀由多个冻土柱的叠加膨胀变形引起;冻结壁交圈后,地表冻胀则由整个冻结壁的膨胀变形引起。鉴于此,考虑冻结壁的形成过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型。同时对冻结外锋面半径和冻胀区域外半径这2个关键参数的取值方法进行了相关探讨。最后针对两个工程案例,采用该计算模型对地表冻胀位移进行分析,得到地表冻胀位移随时间的变化规律,并与现场实测结果相比较,验证了模型的可靠性。该模型应用于隧道水平冻结施工前、冻结期内任意时刻的地表冻胀位移预测,可为工程冻结实施方案的合理确定提供有效依据。     

城市盾构隧道水平冻结地层加固的数值分析

冻结地层加固法是一种环境影响小、加固效果好的地层加固方法,人工冻结壁的形成是一个复杂的热-力耦合问题。依托实际盾构隧道始发施工中冻结加固工程,采用有限差分软件Flac3D建立数值模型分析了地铁隧道水平冻结施工中温度场随时间的发展和分布特征,同时采用准热-力耦合的方法,分析了冻结施工中地表冻胀隆起变形规律。分析结果表明：冻结壁模拟交圈时间和设计交圈时间基本一致;冻结壁交圈前,地表冻胀隆起位移速率快,冻结壁交圈之后,地表冻胀变形逐渐趋近稳定。计算结论可供设计和施工参考,提供了一种简便的人工冻结加固施工的数值模拟方法。     

隧道水平冻结施工期地表融沉的历时预测模型

隧道冻结工程中所形成的人工冻结壁为临时支护结构,隧道衬砌结构施工后,冻结壁要进入解冻期,由于冻结壁解冻过程中的地层融沉现象对隧道周边环境影响较大,因此,应建立合理的方法对地表融沉量进行预测,以便于实际施工中采取相应的融沉控制措施。为此,考虑冻结壁的自然解冻过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工期地表融沉的历时预测模型。并提出冻结壁自然解冻条件下瞬态温度场由平板解冻理论近似求解,基于平板解冻理论和一维情况下已融土层的稳定融沉量计算公式,确定了预测模型中解冻锋面半径和融缩区域内半径这2个关键参数的取值方法。将所建立的预测模型应用于隧道全断面水平冻结工程中,得到了地表融沉随解冻时间的变化规律。研究结果表明,地表融沉在解冻初期增长速度较快,而在解冻后期增长速度减缓,地表历时融沉量与崔托维奇通过试验得出的天然冻土历时融沉量变化规律相一致。     

地铁联络通道冻结施工的热流固(THM)耦合分析

随着城市地铁规模的不断发展, 冻结法在地铁联络通道施工中得到了广泛应用.为了得到合适的地层冻结工艺参数和指标, 了解开挖隧道对地层稳定性的影响, 保证工程的安全性, 基于考虑相变及冻胀的热-流-固(THM)耦合理论, 采用COMSOL有限元分析软件模拟某地铁联络通道水平人工冻结及开挖施工过程.分析了冻结过程中地层温度场、渗流场及位移场的变化规律, 研究了开挖后地层位移场的分布规律.结果表明: 由于水渗流作用, 温度场和位移场的分布不再关于y轴对称;在人工冻结过程中, 地表处冻胀位移的最大值出现在y轴以右, 冻胀量变化表现为先线性增长, 而后趋于稳定.总体上, 实施人工冻结可以很好地增加周围土体的强度及稳定性, 对止水和抑制地层变形具有良好的效果.     

浅覆土下矩形冻结加固的模型试验研究

为获得浅覆土下矩形冻结加固体的温度场分布及冻胀变形规律,以广州地铁6号线穿越3号线的冻结工程为原型,根据相似理论,设计进行了水平冻结的模型试验。结果表明,在地表散热的影响下浅埋冻结工程中紧邻地表的冻结区域降温速度较慢,形成的冻结壁是整个加固体的薄弱环节;冻结过程中冻结壁向内发展较快,其平均发展速度是向外发展速度的1.5倍左右;形成封闭的冻结壁前,采用较高的盐水温度进行冻结,可有效地控制土体的冻胀变形,冻结壁封闭后,降低盐水温度,冻胀变形会明显增加;冻胀过程中产生的冻胀力对上部土层有压密作用,使土层的冻胀变形随着埋深的变浅而减小;对于浅埋矩形地下冻结工程,上部覆土和冻结加固体之间相互影响作用明显,上部土层的散热会影响冻结加固体内温度场的分布规律,而下部冻土的冻胀作用也会压密上部土层。     

地铁隧道冻结法施工融沉控制方案及实施

区间联络通道现已成为双线隧道建设必不可少的一部分,具有排水、防火、连通两隧道以及在隧道发生事故时作为“逃生通道”的作用。为准确掌握厦门滨海区隧道联络通道冻结法施工过程中温度场的发展规律,开展了厦门地铁六号线马集区间段2^#联络通道冻结法施工全程监测与分析,并采用Diana有限元程序建立与放射状布置冻结孔完全相同三维数值模型分析了冻结施工过程中温度场随时间的变化规律,将数值分析结果与代表性点实测数据进行了对比。结果表明：各测点温度的变化趋势大体一致,测位点越深冻结效果越好;泄压孔压力初始时大小差异主要是由孔点所处的固有土压不同所致;距冻结管越近土体温度降速越快,冻结土强度越高,形成冻结壁后冻结效率相应提高;数值分析所得温度场是非对称的;该数值模拟方法具有便捷性、较好的可行性和较高的可靠性,可作为今后类似工程冻结施工温度场的预测方法。     

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20.02 mm/d,灰色粉土发展速度为29.75 mm/d。     

基于雷诺护垫的高寒多水路基防护结构冻胀适应性模型试验研究

对冻土环境下的输水干渠边坡的雷诺护垫防护工程进行了模型试验,建立比例尺为1：4的模型,进行两次冻融试验,在试验过程中对雷诺护垫结构段面的冻胀量、冻融过程中土体结构内部温度场分布进行实时监测.试验结果表明：雷诺护垫可以增加热阻,减少能量传递,且护垫下卧土体温度场分布均匀,可有效减小冻深及冻胀量,并抑制不均匀冻胀的发生;在有水份充分补给的条件下,最大冻胀量位置发生在渠底固脚处,其次是渠坡1/3处,设计时应充分考虑该位置的冻胀变形;残余变形最大值在渠底固脚位置,渠坡发生融沉变形,说明雷诺护垫结构本身具有自愈的功能,有比较显著地适应冻融变形的效果.设计及施工过程中要考虑固脚的稳定.     

Numerical simulation of frost heave with coupled water freezing,temperature and stress fields in tunnel excavation

Artificial ground freezing is an effective ground improvement technique to deal with diverse geotechnical construction problems as it serves to cut off the water and also improves the ground soil strength. However, ground freezing may produce frost heave and thaw settlement at the ground surface. Predicting and controlling the frost heave is a challenge to engineering construction in a heavily populated city. This paper proposes an analysis model that couples the water freezing, temperature and stress fields. This model is first applied to an underground excavation problem of a corridor where ground freezing is used. The numerical predictions are compared with field measurements. It is then applied for a model tunnel problem to study the effect of the overlying soil thickness, frozen soil wall thickness, excavation radius and brine temperature on the frost heave. It is found that the vertical component of the frost heave follows a normal distribution with a maximum at the tunnel axis, while the horizontal component reaches a maximum at a distance from the tunnel axis. This distance is directly proportional to the thickness of the overlying soil. A critical brine temperature is also found at which the frost heave at the ground surface reaches a maximum.     

一种隧道衬砌冻胀变形特征模型试验方法

为研究寒区隧道衬砌结构在冻胀作用下的变形特征, 设计了一种室内模型试验, 根据在建的巴郎山隧道洞口段围岩及衬砌结构特征制作出隧道模型, 利用制冷设备在模型隧道洞腔内制造出与现场相同的低温环境使模型中的地下水降温冻结, 分析衬砌结构在冻胀力作用下的变形特征。试验结果表明, 隧道模型在低温环境作用5d后即达到满足地下水冻结的温度条件, 衬砌在冻胀作用下产生变形, 其中边墙和拱顶处衬砌产生的应变较大, 最大应变为122, 仰拱和墙脚处衬砌应变较小, 最小应变为25。     

粉质黏土水泥土冻胀融沉特性研究

为研究水泥土冻胀融沉特性,对南京地区典型粉质黏土进行了不同条件下的冻胀融沉试验.试验控制因素包括水泥掺入比、含水率、龄期、冷端温度和荷载等,各控制因素在包含基准数值的区间内选取代表性条件进行单一变量试验.试验采用自制冻胀融沉仪进行,冻胀融沉仪下部为制冷块,上部设置补水装置,模拟真实土体冻结时水分迁移过程.结果表明:粉质...     

多年冻土地区L型挡土墙土压力(冻胀力)的分析与试验

为适应多年冻土区土体冻胀过程所产生的较大变形的特性, 缩短施工进程, 减少扰动时间, 在青藏铁路格拉段选择了一个试验工点进行了L型悬臂挡墙的初步验证性试验研究. 通过对L型挡墙的受力模式分析, 确定了对粗颗粒填料不考虑冻胀力的土压力设计控制值. 通过与现场实测土压力分布规律的对比, 探讨了土压力与冻胀力的关系.     

组合地层渗流作用下人工冻结软土冻融特性模型试验研究

人工地层冻结法是一种广泛应用于沿海隧道施工的方法,随着沿海地区越来越多地下工程建设,以砂-黏组合地层渗流为主要代表的复合地层给人工地层冻结法施工带来了新的挑战。本文依托浦东机场新建卫星厅联络通道冻结法案例,采用模型试验的方法模拟砂层渗流对上覆软黏土冻结过程的影响,设置不同渗流条件下的试验作为对照,分析了冻结法施工过程中,水在砂层中不同的渗流速度对上部软黏土冻融位移、温度场分布及含水率变化的影响;并通过图形处理软件对冻结过程中软黏土裂隙扩展进行分析。结果发现砂-黏组合地层中水在砂层的渗流会促进上部软黏土水分迁移,并促进软黏土裂隙的发展,引发融沉量增加、冻结壁发育不规则等问题。研究结果可为冻结法在砂-黏组合地层中的应用提供重要的理论依据及参考意义。     

深部膨胀性黏土层冻结温度场的分布与冻胀力形成规律

防止冻结管断裂是深部膨胀性黏土层在冻结壁形成过程中的一项亟待解决的课题。针对淮南矿区某矿副井深部膨胀性黏土层, 通过热力耦合计算分析, 研究了其冻结温度场分布与冻胀力形成规律。结果表明： 冻结152天、 236天时, 黏土层冻结壁平均温度分别为-14.42 ℃、 -16.58 ℃, 细砂层冻结壁平均温度分别为-15.86 ℃、 -17.32 ℃, 黏土层冻结壁平均温度比同时期细砂层高1.44 ℃、 0.74 ℃。黏土层冻结壁平均厚度分别为8.92 m、 10.25 m, 细砂层冻结壁平均厚度分别为9.54 m、 10.77 m, 黏土层冻结壁平均厚度比同时期细砂层小0.62 m、 0.56 m。细砂较膨胀性黏土易于冻结。冻结90天时, 黏土层外、 中、 内圈三圈冻结管平均冻胀力约为同时期细砂层的1.1倍。冻结151天时, 黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的81.1%, 是同时期细砂层的1.16倍。冻结236天时, 细砂层内圈管的冻胀力为3.91 MPa, 比中圈管3.72 MPa大了5.11%, 而黏土层内圈管的冻胀力为4.81 MPa, 比中圈管4.74 MPa大了1.48%。黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的88.6%, 是同时期细砂层的1.28倍。深部膨胀性黏土层及与细砂层界面处冻胀力均存在显著的不均匀性, 最大冻胀力的主要位置与实际工程中掘进时的断管处基本对应, 不均匀冻胀力是造成冻结管断裂的重要原因。     

差分干涉SAR冻土形变检测方法研究

季节性冻融导致的地表形变是冻土地区工程建设的主要病害,冻土的冻胀和融沉是影响青藏公路以及目前建设的青藏铁路路基稳定的重要因素.近年来,差分干涉测量技术已成为地表形变测量和监测的重要工具.基于重复轨道的ERS 1/2雷达图像,研究了利用干涉SAR技术探测冻土形变的方法,经过对引入DEM差分干涉SAR技术的处理和分析,得到研究区冻土形变结果.通过与实测数据比较,表明重轨差分干涉测量可以精确地探测冻土表面形变,可用于青藏铁路冻土形变监测.