新型管幕冻结法在河堤防渗加固中的温度场分析

为了探究新型管幕冻结法是否能够对河堤进行有效的防渗加固,利用有限元软件基于温度场对新型管幕冻结法在防渗固堤中的应用展开研究,设置4条分析路径,对冻土帷幕的基本情况和各路径的冻结效果特征进行分析。结果表明:冻土帷幕自冻结管处形成后向周围蔓延,从第8天起,0.5 m深度上侧的冻土帷幕发展开始“加速”,相较于另一侧冻土帷幕,其发展更快、强度更高、冻结更密实。冻结完成后,0.5 m深度上侧冻土帷幕均匀密实,坡面上温度最低可降至?25.34℃,各观测点温度均在?24℃以下,最终冻结温度和降温速率均呈现出“M”形特征;堤面最快可在第11天开始冻结,在第14天冻土覆盖整个堤面,土体最终冻结温度与深度之间呈指数函数关系。管幕钢管边界冻结差异较大,最高温点与最低温点温度分别为?24.94℃和?2.89℃,相差约22℃,冻土帷幕最小厚度约0.78 m。所得结果可为将来的相关实际工程提供参考依据。      

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。     

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.     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

人工冻土温度场影响因素灵敏度分析

在冻结法凿井施工中,全面掌握诸因素对人工冻土温度场发展的影响程度,对于优化冻结方案、处理紧急情况有重要的意义.文章通过对两淮地区大量的冻结法施工井筒冻结时段的温度场实测数据样本分析,较全面地考虑影响人工冻土温度场发展的诸因素,利用人工智能方法构建一个大型的能预测温度场的动态网络结构,通过对网络结构隐含信息的分析,得出系统中各因素对冻土温度场影响的灵敏度.     

环形单圈管冻结稳态温度场解析解

人工地层冻结技术被广泛应用于地下工程施工中。冻结温度场的计算是人工冻结法理论研究的基础,也是冻结施工设计的重要依据。人工地层冻结施工常使用环形单圈冻结管冻结,而至今尚无关于其温度场的解析解。基于水-热异类相似原理,根据传热过程与地下水流动相似的特点,利用保角映射、汇源反映和势函数叠加原理,类比推导了环形单圈冻结管稳态温度场解析解,并用热学数值模拟方法加以验证,同时提出了简化的解析公式。结果表明,解析解计算结果与数值模拟结果较吻合,其简化公式得到的结果与原解析公式基本一致。在解析公式的基础上,经过简化,反推得到外部冻结壁厚度公式。解析解、简化公式以及厚度公式可为环形单圈冻结施工与设计提供理论的依据与指导。     

土体一维冻结问题温度场半解析解

针对土体的一维冻结过程,采用考虑土体冻结状态下未冻水存在的等效热容模型,建立了其温度场计算的半解析方法, 并与相关文献中的数值解进行了对比,验证了方法的正确性。对等效热容模型与显热容模型进行了对比, 计算结果表明：在瞬态阶段,显热容模型计算的冻结锋面推进速度较等效热容模型慢;而在接近稳态阶段,显热容模型计算的冻土区厚度较等效热容模型厚。在冻结诱导水流较弱的情形下,土体冻结状态下的持水特性越好,采用显热容模型进行温度场计算产生的误差越显著,并且其计算结果应用于人工冻结设计是偏于不安全的     

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。     

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.