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2.0 m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。     

人工冻结壁变形的模型试验研究

冻结壁变形模型试验结果表明,冻结壁变形与冻结壁高度、偏应力及平均温度等均有密切关系。试验发现冻结壁最大变形的位置并不是一定在一固定空间位置,而是随着偏应力的增加而逐渐下移。     

基于统一强度理论的冻结壁弹塑性应力分析

将冻结壁等效为弹性模量、黏聚力呈抛物线分布的功能梯度材料(FGM)厚壁圆筒,基于统一强度理论,考虑中间主应力的影响,推导得到冻结壁的弹性极限荷载、弹塑性应力场及塑性极限荷载的解析解。将所得结果与均质冻结壁进行比较,并分析强度理论参数对各个解析解的影响。研究结果表明:考虑冻结壁的FGM特性,应力分布较均质冻结壁有一定的变化,环向应力由线性分布变为抛物线型分布;环向应力的最大值不再出现在冻结壁的内壁或外壁,而是出现在冻结壁厚度的中部;与均质冻结壁相比,FGM冻结壁的弹性极限荷载较大,但塑性极限荷载却较小;FGM冻结壁的弹性极限荷载、塑性极限荷载、径向应力及环向应力均随强度理论参数的增大而增大。所得结果可为冻结壁的设计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。     

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。     

粘土冻结壁的变形特性与计算

基于冻结壁变形模拟试验数据，本文对粘土冻结壁的变形规律进行了较详细的讨论，得出了冻结壁井帮最大位移计算公式。文中还以冻结壁充许位移位为基础，给出了深部粘土冻结壁承载力与安全掘进段高的计算式。     

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。     

北京砂卵石地层盆形冻结的温度场扩展规律研究

地下工程盆形冻结止水结构包括位于开挖范围周围的冻结帷幕（盆壁）及开挖范围底部的水平冻结板（盆底）两部分。采用物理模型试验与数值模拟的方法,分析了北京典型富水砂卵石地层条件下盆形冻结在静水及0.5 m/d渗流条件下的温度场扩展规律。研究发现：盆形冻结技术作为冻结工法在市政工程领域的全新应用,对地下工程的施工区域能够有效起到冻结止水效果;盆形结构不同部位在不同的渗流条件会表现出不同的冻结交圈次序,静水条件下盆壁冻结管会先于盆底冻结管交圈,渗流条件下则依次是顺水流盆壁、盆底、背水面盆壁、迎水面盆壁,此时盆壁冻结是制约盆形冻结的关键因素,实际工程应重点关注盆壁冻结;冻结厚度是评价冻结效果最直观的指标,在静水条件下盆壁厚度趋于稳定,盆底水平冻结板厚度逐渐超过盆底冻结管长度且向盆内与盆外两个方向同时发展;渗流条件下,迎水面盆壁厚度最小,背水面盆壁由于绕流现象出现冻结锥体而局部厚度增大,盆底水平冻结板厚度仅向盆内单向发展。     

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.     

白垩系饱和冻结砂岩蠕变试验及本构模型研究

冻结法作为穿越富水软岩地层的重要施工方法,冻结壁的长期稳定性对于工程安全有着至关重要的作用。蠕变破坏是诱发冻结壁变形的显著特点之一,对研究冻结岩石蠕变的特性有重要的理论和工程意义。以白垩系饱和冻结砂岩为研究对象,开展–10 ℃低温冻结条件下,不同围压（0、2、4、6 MPa）的三轴蠕变力学试验。分析了饱和冻结砂岩蠕变变形,根据现有黏弹塑性模型开展了参数辨识并探究蠕变参数的变化规律,基于此提出考虑温度及损伤效应的蠕变本构模型。研究结果表明：低温冻结削弱蠕变过程中颗粒间的相互胶结力,使其蠕变特征明显;而围压却在一定程度上抑制饱和冻结砂岩内部损伤的发展,导致稳态蠕变速率随围压的升高出现明显的下降趋势。随围压的增加饱和冻结砂岩的蠕变破坏形态呈现出从剪切破坏到张拉破坏再到局部塑形硬化破坏的变化过程。在黏弹塑性模型的基础上,总结蠕变参数 、 和 随荷载的增加呈现先增后减的趋势,拐点为屈服应力;而参数 在大于屈服应力后出现并呈现先增后减的趋势。结合冻结岩石蠕变数据对定义的应力-低温耦合蠕变本构模型进行了参数辨识,并将该模型的计算结果与蠕变试验数据对比,验证所建立非线性模型的正确性与合理性。     

深冻结井筒温度场成孔弱界面分析

两个孔形成的冻结壁强度弱面通常位于两冻结孔界面上, 但对于深冻结井筒成孔孔位, 冻结壁薄弱界面选择具有一定的复杂性. 针对深冻结井筒温度场成孔弱界面, 应用数值模拟软件ANSYS分析了世界第一深冻结井筒在三个水平位置上冻结孔实际孔位下温度场弱界面参数. 结果表明: 冻结壁弱界面确定不仅要考虑成孔最大孔间距, 同时也要评定成孔孔距到设计圈径上的投影长度、相邻孔的分布特征及成孔内偏值. 首次指出成孔孔距到设计圈径上的投影长度为冻结壁弱界面评定条件之一, 具有重要意义.     

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。     

浅埋隧道冻结法施工地表冻胀融沉规律及冻结壁厚度优化研究

浅埋隧道对地表冻胀、融沉变形有严格要求。针对珠机城际轨道交通项目联络通道冻结壁设计改进问题,基于热?力耦合理论,利用有限差分数值计算方法对冻结法施工全过程进行模拟,通过比较研究不同厚度冻结壁模型引起的地表冻胀、融沉变形及隧道管片变形规律,实现冻结壁厚度的优化设计。研究表明：（1）该数值模型可有效模拟地表冻胀、融沉变形,利用已查明数值误差对计算结果进行折减可得到较为准确的实际变形预测值;（2）不同模型地表冻胀、融沉规律大致相同,但变形量及影响范围随冻结壁厚度减小呈递减趋势,当冻结壁厚度为2.5 m及以下时变形基本满足规程要求;（3）土体冻胀、融沉变形并非简单的互逆过程,融沉变形通常大于冻胀变形,平均超出量达40%,应特别注意;（4）冻结壁厚度越大相应产生的冻胀力越大,通过优化冻结壁厚度可有效控制隧道管片附加应力及变形的产生,保护已建隧道结构安全;（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较好的推广应用价值。     

越江隧道泵房冻结施工三维数值模拟

上海市复兴东路越黄浦江隧道工程,在南线和北线隧道内各设置一个泵房,其中泵房开挖土体,采用冻结法施工,为了保土体证开挖过程冻结壁的安全性,采用三维有限差分法FLAC3D,对整个施工过程进行了数值模拟,针对不同开挖方式,分析了开挖过程中冻土壁的力学变化,并对保证冻结安全的施工措施进行了分析,提出了指导施工的合理化建议。     

白垩系饱和冻结砂岩蠕变试验及本构模型研究

冻结法作为穿越富水软岩地层的重要施工方法,冻结壁的长期稳定性对于工程安全有着至关重要的作用。蠕变破坏是诱发冻结壁变形的显著特点之一,研究冻结岩石蠕变的特性有重要的理论和工程意义。以白垩系饱和冻结砂岩为研究对象,开展–10 ℃低温冻结条件下,不同围压（0 MPa、2 MPa、4 MPa和6 MPa）的三轴蠕变力学试验。分析了饱和冻结砂岩蠕变变形,根据现有黏弹塑性模型开展了参数辨识并探究蠕变参数的变化规律,基于此提出考虑温度及损伤效应的蠕变本构模型。研究结果表明：低温冻结削弱蠕变过程中颗粒间的相互胶结力,使其蠕变特征明显;而围压却在一定程度上抑制饱和冻结砂岩内部损伤的发展,导致稳态蠕变速率随围压的升高出现明显的下降趋势。随围压的增加饱和冻结砂岩的蠕变破坏形态呈现出从剪切破坏到张拉破坏再到局部塑形硬化破坏的变化过程。在黏弹塑性模型的基础上,总结蠕变参数E_(1)、E_(2)和η_(2)随荷载的增加呈现先增后减的趋势,拐点为屈服应力;而参数η_(0)在大于屈服应力后出现并呈现先增后减的趋势。结合冻结岩石蠕变数据对定义的应力-低温耦合蠕变本构模型进行了参数辨识,并将该模型的计算结果与蠕变实验数据对比,验证所建立非线性模型的正确性与合理性。     

冻结壁形成及解冻规律实测研究

通过实测,分析了冻结壁内温度分布规律,冻结和解冻期内冻结壁厚度、平均温度、冻结壁发展速度、解冻速度及外壁体厚占有效厚度比例与冻结时间的关系,冻结壁厚度与平均温度的关系,并得出了有关回归公式．对冻结凿井的设计和施工有着重要的指导意义．     

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。     

土质对人工冻土冻结温度影响的试验研究

不同土质的冻结温度是人工冻结法冻结壁设计重要依据。为研究土质对人工冻土冻结温度的影响,选取不同地区人工冻结法施工典型土层开展冻结温度试验,提供了不同地区典型土层的冻结温度范围,并结合水泥土、含盐土冻结温度试验进行对比分析。结果表明：同一地区不同土层的冻结温度随其土颗粒粒径的增大而增大;随水泥掺入比及龄期的增加,水泥土的冻结温度降低;随含盐量的增加,NaCl含盐土冻结温度线性降低,含盐量对氯盐土比对硫酸盐土的冻结温度影响更显著。研究成果对不同土性的冻结壁设计具有指导意义。     

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。