地铁超长水平冻结法冻结壁形成特性研究

根据带相变瞬态温度场的传热控制微分方程,应用数值方法分析了地铁超长水平冻结法温度场分布规律,模拟冻结壁形成过程.应用准三维方法将三维问题转化为二维问题,通过对冻结管沿程水平方向盐水温度分布的计算,分析水平方向冻结壁发展的差异性规律.结果表明:对于地铁超长水平冻结法施工,冻结管沿程冻结壁发展存在较大差异,包括冻结壁交圈时间、冻结速率,冻结壁厚度等.为以后水平冻结法施工冻结壁形成过程的预测与评价提供了方法,同时该方法也可以用于竖井冻结施工中冻结壁形成的分析和研究.     

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     

双圈管冻结壁温度场形成特性及影响因素

为研究双圈管冻结壁温度场变化规律,以淮南某矿副井为研究对象,根据其相关地质参数,利用FLAC^3D软件数值模拟双圈管冻结壁温度场形成过程以及不同因素对冻结壁平均温度的影响。研究结果表明：双圈管内土体温度最低,两侧温度逐渐升高;冻结孔间距越小,交圈时间越早,内外圈管交圈之后形成封闭的未冻承压水仓,对冻结壁不利,冻结锋面向内侧扩展速度大于向外侧扩展速度;双圈管冻结壁平均温度与冻结时间呈对数关系下降,有效厚度在内外圈管交圈后增长十分明显,且与冻结时间呈对数关系上升;双圈管主、界面温度场曲线随冻结时间近似由马鞍形分布逐渐转变为梯形分布,界面温度场扩展速度大于主面温度场;土体初始温度、盐水温度及导热系数对冻结壁平均温度影响均较大,土体初始温度和盐水温度越低、导热系数越大,冻结壁平均温度越低。研究成果为相关冻结工程的设计和施工提供参考。     

深厚黏土层多圈管冻结壁温度场发展规律

多圈管冻结法施工已在深厚地层矿井中广泛应用,为了研究多圈管冻结壁温度场发展规律,以淮南某矿为研究对象,利用现场实测数据和FLAC^3D软件2种方式对比分析研究多圈管冻结壁温度场发展规律。研究结果表明：冻结壁中圈孔最先开始交圈,其次是外圈孔,最后是内圈孔,测温孔温度和冻结壁平均温度随冻结时间的延长均呈对数关系下降,最终趋于稳定,冻结壁有效厚度在交圈后增长明显,随冻结时间的延长呈对数关系增大,主面和界面温度场曲线在冻结管处近似呈V形发展,主面和界面温度随冻结时间的延长逐渐降低,对比分析验证了冻结壁温度场模型数值模拟的可行性,数值模拟对工程施工具有参考指导价值。     

多圈管冻结壁形成和融化过程冻胀力实测研究

为获得多圈管冻结壁形成与融化过程中冻结壁内部冻胀力发展特性和孔隙水压力变化规律,进而分析冻结壁力学性态及安全性,在淮南某煤矿开展了冻结壁冻融过程中内、外部冻胀力和孔隙水压力的现场实测研究.实测结果表明:在地层冻融过程中,冻结壁内、外部形成了不均匀的冻胀应力,测试地层最大冻结压力达6.0 MPa,为初始地压的2.4倍;当井筒开挖至测试层位时地层冻结压力呈线性降低;随着浇筑外层混凝土井壁,冻结压力又有回升,当冻结壁融化后地层冻胀力为零,井壁恢复受水土压力作用.孔隙水压力变化经历了静止孔隙水压力和冻结过程的超静孔隙水压力两个阶段,超静孔隙水压力达到4.0 MPa,约为静止孔隙水压力的2.0倍.     

深厚砂黏分界处不同工况下多圈管冻结温度场特性

多圈管冻结壁设计方案是解决深冻结问题的有效方法,为研究深厚砂黏层分界处不同工况下多圈管冻结温度场特性,采取分界处原黏性土XRD试验结果,利用ANSYS数值模拟冻结三圈管,对比分析了细砂土与膨胀性黏土在冻结管偏斜与不偏斜工况下温度场冻结壁形成与发展特性。研究表明：多圈管不偏斜冻结,细砂层与膨胀性黏土层冻结壁温度场均呈规则、对称、有序发展,主冻结中圈管间、内圈管间、中-内圈管间、中-外圈管间、外圈管依次形成交圈过程,随着冻结时间增加,中-内圈、中-外圈管间冻结温度由抛物线型发展为梯形降温形状,且温差减少,内、外圈管外侧呈倒八字型发展形态,内圈管内侧降温效果明显好于外圈管外侧。偏斜时,冻结壁温度场交圈降温不规则,冻结冷锋交圈叠加具有随机性和离散性。膨胀性黏土冻结壁形成时间严重滞后,偏斜、土性差异对冻结壁温度影响均较大,偏斜对膨胀性黏土影响尤其明显,与某矿冻结法凿井在地层-400 m以上砂黏分界处发生的多根冻结管断管事件较为吻合,研究成果可以为类似深层矿井冻结施工提供参考。     

双圈管黏土冻结壁形成过程冻胀力模型试验研究

基于相似理论,开展了双圈管同步冻结条件下黏土冻结壁形成过程冻胀力模型试验研究．在试验条件下黏土冻结壁交圈顺序为外圈管、内圈管,两圈管之间,冻结310d后冻结壁发展到井帮位置．随时间发展,外圈管内侧温度分布逐渐均匀,而外圈管外侧仍存在较大温度梯度．结果表明：冻胀力的发展变化与冻结温度场密切相关,且表现出显著的时空不均匀性...     

基于结构性的冻结黄土力学特性试验研究

通过对重塑冻结黄土和人工结构性冻结黄土（通过对重塑黄土添加水泥获取）进行室内三轴剪切试验,研究了围压、含水量、温度、水泥含量等因素对冻结黄土力学行为的影响. 结果表明：不同试验条件下,非饱和土试样和饱和土试样的应力-应变关系呈现不同的特点. 温度和围压是影响冻土体强度的主要因素,温度越低,其破坏强度越高;非饱和土样强度随围压增大而增大,饱和土体强度受围压影响很小. 初始含水量是影响冻土体强度的另一主要因素,对非饱和土样,随着含水量的增加土体强度逐渐增高,达到某一峰值之后随含水量继续增加而减小,饱和土体强度最低. 对非饱和土样,水泥含量越高,对应的破坏强度也就越大;但对饱和土样,水泥含量对冻土的应力-应变行为及强度影响不大. 最后,提出了与所试验土体强度参数相关的综合性系数M,通过回归分析,得出了其与c和tan φ的关系,并验证了其可靠性.     

冻结井钢筋混凝土弧形板井壁力学特性研究

通过实验和有限元计算,对在均匀荷载作用下新型冻结井高强钢筋混凝土弧形板井壁的变形特性、混凝土和钢筋应力的分布规律、极限承载力及其压碎区的位置进行了分析。研究结果表明,弧形构件的径向变形较小,可通过选择合适的可缩接头材料使该井壁结构起到“先柔后刚”的作用;弧形构件的内排钢筋总是比外排钢筋先屈服,并且钢筋发生屈服时对应荷载值一般为该构件极限承载力的60 %左右;构件的极限承载力随混凝土单轴抗压强度的增大而增大,混凝土的强度等级提高10 MPa,其极限承载力提高1.26 MPa;弧形构件的压碎区位于其端部附近,因此,在设计该种井壁结构时弧形构件的两端应该加强,可在弧形构件的两端采用钢纤维混凝土以提高整体结构的承载能力。     

定向渗流诱导的非均质冻结壁力学特性分析北大核心CSCD

为了合理分析定向渗流诱导的非均质冻结壁的力学特性,将冻结壁最迟交圈的位置视为“危险截面”,通过分段等效的方法结合温度特征点的分布规律,得出该截面的温度曲线表达式;根据冻土力学参数与冻结温度的线性关系,将冻结壁视为随温度函数变化的非均质材料;分别基于M-C准则、D-P准则、广义Tresca准则及双剪强度准则,推导得出定向渗流诱导的非均质冻结壁应力计算公式。基于该公式,结合实际冻结方案的设计参数对冻结壁的力学特性进行计算分析。计算结果表明:冻结壁的承载力随着水流速度的增大而减小,当水流速度为5m·d时,基于M-C、D-P、广义Tresca、双剪强度准则计算得出的弹性极限承载力以及塑性极限承载力分别为2.480、2.462、2.741、3.202以及4.349、4.318、4.561、5.779;当地下水流速增加至10m·d时,对应的弹性极限承载力以及塑性极限承载力降低至2.087、2.085、2.203、2.784以及3.700、3.707、3.908、4.939。冻结壁的径向应力随着相对半径r的增大而增大,而环向应力的分布具有明显的区域差异性;在弹性极限状态下,冻结壁的环向应力的最大值出现在靠近冻结壁中间的位置;在塑性极限状态下,冻结壁的环向应力的最大值出现在冻结壁的分区界线(r=1.685)处。     

大直径杯型冻土壁温度场数值分析

结合南京地铁10号线过江隧道盾构始发工程,运用有限元软件建立三维数值模型,对大直径杯型冻土壁温度场的发展与分布规律进行研究,分析不同因素对该温度场的影响规律,比较研究不同土层下该温度场的降温规律。数值计算表明:在设计冻结方案下,杯型冻土帷幕厚度满足加固范围要求,开始交圈时间由早到迟依次为外圈管中圈管内圈管,形成闭合大直径杯型冻结帷幕的时间为12 d;冻结壁交圈时间随导热系数的增大而线性减小,随容积热容量和原始地温的增大而线性增大,原始地温每升高5℃,冻结壁交圈时间增加约1 d;相变潜热变化对冻结初期和后期土体降温过程几乎没有影响;不同土层降温速度由快到慢分别为砂土水泥土黏土水泥土,砂土黏土;砂土水泥土与砂土、黏土水泥土与黏土几乎同时达到相变阶段;无论水泥改良与否,砂土总比黏土的开始交圈时间早4 d。所得结果为今后类似工程设计提供了理论依据。     

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。     

水泥改良土杯型冻土壁融化温度场三维数值模拟

为掌握水泥改良土杯型冻土壁的解冻规律,以南京地铁10号线过江隧道盾构出洞水平冻结加固工程为例,对水泥改良土杯型冻土壁融化温度场进行了三维数值模拟,并研究了导热系数、比热容、相变潜热等因素变化对融化温度场的影响规律。结果表明：冻结水泥土解冻速度受初始温度影响较小,受冻土位置影响较大;解冻过程中,冻土壁外侧1 m处的非冻结土温度先降后升,冻土壁外侧3~7 m处土体温度始终呈下降趋势;随着导热系数减小、相变潜热增大、比热容增大,解冻时间延长;比热容对冻结水泥土解冻过程的影响主要体现在升温阶段,相变潜热主要影响冻土相变阶段,导热系数既影响升温阶段又影响相变阶段。     

Strain rate, temperature, and sample size effects on compression and tensile properties of frozen sand

Selection of material properties for use in design of frozen earth structures has been a limiting factor for some field applications. In particular, the mechanical properties governing the behavior of a frozen soil structure subjected to bending stresses are of interest. The effects of strain rate, temperature, and sample size on the compressive and tensile properties of frozen silica sand have been determined experimentally using uniaxial compression and split cylinder tests. Data included on the initial tangent modulus, compressive strength, failure strains, and tensile strength help delineate some limitations of available test procedures. Failure modes for various test conditions are described.

Data analysis shows that the initial yield stress, the compressive peak strength, and the initial tangent modulus increase with decreasing temperatures and increasing strain rates. Tensile strengths from split cylinder tests appear to be independent of deformation rates. Uniaxial compressive strengths decreased slightly and the initial tangent modulus increased with increasing sample diameter (constant length to diameter ratio). Deformation and failure modes changed from a plastic to a brittle behavior when strain rates were increased from low to high values. Larger failure strains at slower strain rates (more time available) appear to be a result of pressure melting, water migration and refreezing, permitting more particle readjustments before development of the peak strength. Observations on failure strains suggest limiting values for design situations.     

季节性寒区隧道温度场数值分析

为解决寒区隧道冻害问题,以祁连山某隧道为依托,采用ANSYS对铺设保温层与主动辅热相结合的隧道温度场进行了数值模拟,研究了保温层对隧道衬砌的保温效果以及安装电伴热系统后隧道的温度场分布规律,确定了电伴热系统的开启与关闭时间及正常运行功率。结果表明：围岩最大冻深月份比外界大气的最冷时间推迟一个月左右;在隧道大约运行5 a之后,保温层的保温效果开始衰退,围岩重新出现负温状态;安装电伴热系统能彻底解决寒区隧道运营期间的冻害问题,最佳发热功率为125 W·m^-2,持续加热时间为80 d,年消耗电能为10 000 W·d·m^-2,数值模拟结果与理论计算结果吻合良好。研究成果可为寒区隧道的保温防冻提供理论依据,并可为类似工程提供借鉴。     

冻土三轴蠕变特性试验研究及平面冻土墙厚度的确定

主要是对冻土的三轴蠕变特性进行分析研究,从而进一步确定具有明显流变特性的平面冻土墙的厚度。通过对冻土的流变特性进行理论分析,建立了冻黏土在复杂应力状态下的对数型蠕变方程。采用“低温箱-三轴压力室”轻型试验设备系统对人工配制的冻黏土试件进行了三轴蠕变试验,获得了冻黏土在复杂应力状态下的蠕变曲线。根据试验结果,对冻黏土的对数型非线性蠕变方程进行回归分析,得到了冻黏土对数型蠕变方程参数的数值。根据冻土流变理论和所建立的蠕变方程,以及平面冻土墙的厚度计算公式,利用Visualc++ 6.0和Matlab 6.0技术开发了冻土墙厚度计算的计算机应用软件。分析研究了平面冻土墙厚度与跨度、基坑暴露时间、基坑开挖深度的关系。平面冻土墙厚度随时间的延长在短期内具有急速增长的趋势,而后随时间的延长逐渐趋于稳定;平面冻土墙厚度受其跨度的影响较小,但随基坑开挖深度的加深具有逐步增长的趋势;温度对平面冻土墙厚度的影响显著,温度越高,厚度越大,所以,控制温度是平面冻土墙设计中的关键。从而为蠕变变形较大的平面冻土墙的厚度确定提供了依据。     

Break out resistance of inclined anchors in sand

Inclined anchors are widely used in a variety of civil engineering problems to resist oblique loads, most relevant being in transmission towers and in rocks and dams for structural strengthening. In the present study, the breakout resistance of the inclined anchors in sand has been worked out using limit equilibrium approach. The breakout resistance has been calculated for different soil friction angles with varying relative depth ratio and anchor inclination. The break out factor increases continuously with the inclination of the anchor. A comparison of predicted values of break out resistance of anchors by the proposed analysis with the experimental values as reported by the other researchers showed reasonably good agreement.     

多圈管冻结瞬态温度场有限元数值分析

人工冻结温度场是空间和时间相关且含有相变的不稳定瞬态传热问题。以淮南某煤矿冻结工程为研究背景,应用大型非线性有限元计算程序ADINA模拟冻结管偏斜条件下的冻结壁厚度、平均温度与冻结时间等,结果和现场实测十分接近。研究表明:应用有限元方法分析冻结温度场,能很好地预测冻结壁温度场发展,可为冻结工程信息化施工提供参考。