塑料冻结管冻土温度形成规律

为了获得PVC、PPR塑料冻结管在盐水冻结的温度场分布情况,采用物理模拟实验和理论求解相结合的研究方法,研究了PVC管、PPR管和钢管的单管冻结问题,分析了3种不同材质冻结管的冻结情况,获得了冻土区温度分布规律,掌握了PVC、PPR管作为冻结管冻土的发展速率,在同种情况下PPR冻结管的速度最慢,PVC管冻结的冻土帷幕平均发展速度约为钢管冻结发展速度的0.8倍。为采用PVC管作为冻结管,确定盐水冻结时间和计算冻结壁厚度,解决盾构进出洞免拔管问题提供基本参数。     

单排管冻土帷幕平均温度控制参数敏感性分析

在冻土帷幕平均温度计算中,控制参数的变化直接影响到计算结果。以单排管冻土帷幕温度场的巴霍尔金解析解为基础,使用近似积分和有限元模拟方法计算直线形单排管冻土帷幕的整体平均温度。针对基于巴霍尔金模型的平均温度计算公式中的冻结管外表面温度、冻结管间距及冻土帷幕边界到冻结管中心的距离与冻结管间距的比值3个参数对冻土帷幕整体平均温度影响的敏感性进行分析。得到以下结论:(1)冻土帷幕整体平均温度与冻结管外表面温度成正比;(2)在相同的偏差下,冻结管间距越小,对整体平均温度影响越大;(3)随着冻结发展,冻土帷幕厚度逐渐增大,其误差对整体平均温度计算的影响逐渐降低。     

温度梯度冻土蠕变变形规律和非均质特征

采用K₀DCGF（K₀固结—保持荷载冻结—形成温度梯度—再试验）方法,开展不同温度梯度冻结饱和黏土三轴蠕变试验,研究冻土蠕变变形规律和温度梯度诱导的冻土非均质特征。结果表明：K₀DCGF模式中温度梯度冻结饱和黏土蠕变曲线由瞬时蠕变、衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变4个阶段组成;温度梯度冻土径向蠕变速率小于轴向蠕变速率;温度梯度冻土最小轴向蠕变速率与蠕变应力之间满足指数函数关系,而长期强度极限与蠕变破坏时间之间则满足对数函数关系;梯度温度冻结过程中的水分场重分布和试验后冻土变形的非均匀分布是K₀DCGF蠕变试验中“温度梯度诱导的冻土非均质性”的重要体现;蠕变试验后温度梯度冻土冷端含水量最高,密实度最大;蠕变试验后温度梯度冻土宏观径向变形/试样高度沿试样高度方向分布随蠕变应力增加由先增加后降低规律逐步演化为持续增加规律,这一现象与冻土初始瞬时蠕变速率密切相关。     

土壤冻结水热耦合有限容积模拟研究

针对土壤一维冻结水热耦合模型的数值模拟,指出现有计算存在收敛性差、引入不必要条件等问题,基于有限容积法,建立了一种全隐计算格式。详细介绍了时间步长选择、特殊节点离散等问题,模拟了石英粉及张掖壤土试样的冻结过程,温度场及水分场的计算值与实验值基本吻合。研究表明:已冻土区水分迁移弱,水分重分布主要发生于未冻土区至冻结锋面,且冻结锋面推进速度对水分迁移影响较大,较显著的水分积累出现在冻结锋面推进缓慢时;试样的导湿能力差异导致对计算参数冰阻抗因子敏感程度不同,石英粉试样导湿能力强,对阻抗因子敏感。忽略水流条件下,水热耦合模型简化后,得到了温度场的等效热容模型,该模型更符合土壤介质的特点,适用于计算低含水率土壤的冻结温度场,而当土壤含水率高,水分流动剧烈时,还应考虑水分迁移对温度场的影响。     

不同温度梯度冻结粘土破坏形态及抗压强度分析

采用先冻结后固结（GFC）的冻土试验方法进行3种温度梯度冻结黏土的三轴压缩试验,研究不同温度梯度冻土破坏形态以及温度梯度、围压对冻土强度的弱化效应。结果表明：①温度梯度对冻土破坏形态有明显影响,而围压的影响与温度梯度相比则可以忽略。不同温度梯度冻土破坏形态呈下端“胀开”型,均匀温度冻土破坏形态呈“腰鼓”型;不同温度梯度冻土破坏后的径向膨胀量和垂向压缩量沿不同试样高度的非均匀分布是温度梯度诱导的“非均质”效应的重要体现,且这种“非均质”程度随温度梯度增加而加强;②温度梯度对冻土破坏体积变形具有和温度相同的影响效应,即随温度梯度增加（或温度的增加）,不同围压冻土破坏后的体积变形由体缩逐渐过渡到体胀。③相同围压冻土强度随温度梯度增加而衰减,不同温度梯度冻土强度随围压增加而变化的规律与均匀温度场相同,均可理解为受微裂隙发育和孔隙冰压融影响而先增加后降低,但围压的弱化程度与温度梯度密切相关。④不同温度梯度冻土的三轴压缩强度可通过建立在主应力空间中分段线性屈服准则修正后予以描述。     

利用冻土扩展速度进行三圈管冻结方案设计

通过三圈管冻结条件下的冻土扩展速度实测数据,提出利用冻土扩展速度进行三圈管冻结方案设计的计算方法,并通过实例和数值模拟验证了该方法的可行性,为三圈管冻结方案设计提供了一种新的方法。     

人工多圈管冻结水热耦合数值模拟研究

人工多圈管冻结过程中温度场和水分场的计算,是一个多物理场耦合和非线性数学问题,其影响因素多、相互之间关系复杂。基于相似理论原理和人工多圈管冻结模型试验,提出渗流方程中的导水系数是温度梯度的函数,建立了多圈管正冻土中水热耦合数学模型,并采用有限元方法实现了对多圈管冻结温度场和水分场耦合的数值分析。数值模拟温度场的发展趋势、水分场迁移特征与模型试验吻合良好,表明用提出的水热耦合数学模型计算多圈管冻结温度场和水分场是可行的,对多圈管冻结壁设计有参考意义。     

方形冻结管单管冻结温度场数值分析

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机械能耗的问题,可将传统圆形截面设计成异形截面。对方形冻结管的截面形式和施工工艺作一简单介绍,运用有限元软件对方形截面冻结管单管冻结时的温度场发展规律进行研究,主要得出:与传统圆形冻结管技术相比,方形冻结管具有较大的单位体积材料比表面积,因而可以在不增加工程量的前提下大大提高单管冻结能力,从而提高性价比;虽然方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20d时,-10℃圆形冻土帷幕半径发展为300mm;冻结40d时,0℃和-10℃圆形冻土帷幕半径分别为900mm和400mm;方形冻结管比圆形冻结管降温快,制冷效果更好。所得结果可为今后类似工程设计提供理论参考依据。     

单排管冻土帷幕平均温度非定等效截面计算方法

冻土帷幕平均温度,直接反映冻土帷幕强度等指标。巴霍尔金单排管冻结温度场公式很好地吻合了交圈之后的冻土帷幕温度场。基于该解析解导出的冻土帷幕平均温度计算方法有巴霍尔金等效三角形法及其修正方法(等效梯形法和等效三角形法),这些方法都是用某一固定横截面上的平均温度等效整体冻土帷幕平均温度,在一定程度上忽略了不同工况下各参数的差异,存在一定误差。文中通过对单排管冻土帷幕平均温度积分公式进行数学理论分析,采用非固定等效截面的平均温度等效整体冻土帷幕平均温度,得出了适应冻土帷幕各种可能的参数变化并误差更小的平均温度计算方法。     

拱北隧道管幕冻结法管间冻结封水效果实测研究

基于现场实测数据,对拱北隧道管幕冻结法暗挖工程不同阶段的管间的实际冻结封水效果进行了分析。对于积极冻结期的两种不同交圈模式,利用单管公式对管间冻土厚度进行计算,结果表明在工程允许的时间内管幕间冻土即可形成交圈,从而说明管幕具有初步的封水性能。交圈后,利用双管公式对管间冻土厚度进行计算,结果显示冻土帷幕发展并不均匀,纵向上靠近中间的冻土发展好于端部的,横向上靠近下部的冻土发展好于上部的,此外台风等自然灾害对于地表附近冻土的影响是可控的。对于开挖期,管间温度实测数据表明：试开挖期间对施工进度的严格精细控制有利于减小管间冻土的弱化;正式开挖期间开挖热扰动对于接近紧挨开挖面的冻土造成显著影响,而稍远一些的冻土则几乎不受影响。考虑20 cm的折减后,冻土帷幕仍能保持足够的冻土厚度以达到封水效果。研究验证了管间封水效果,论证了工法的合理性,为以后类似工程的开展提供了借鉴和指导。     

冻结孔偏斜下冻结壁温度场的形成特征与分析

冻结法工程中的造孔总存在一定的偏斜,以工程实际参数为基础,考虑了土层中水的相态变化和冻结温度随冻结时间变化等因素,利用大型有限元软件,对冻结孔随机偏斜和无偏斜条件下冻结壁的形成及其温度场特征进行详细地分析,得出了冻结管偏斜下,冻结孔交圈时间、冻结壁厚度、冻结壁平均温度等主要技术参数,提出了偏斜条件下冻结壁平均温度的计算公式,对深井冻结设计和多排冻结管温度场的研究有重要的参考价值。     

使用塑料冻结管的液氮冻结温度场试验研究

温度场分析是判断冻结土体性状进而反映冻结效果的重要手段,而盾构出洞液氮冻结加固中使用塑料冻结管对温度场的分布有较大影响。为获得使用塑料冻结管液氮冻结温度场的分布规律,以相似理论为基础,使用塑料冻结管进行上海淤泥质黏土的液氮冻结物理模拟试验,得出结论如下:沿塑料冻结管长度方向,冻结管壁的温度差别较大,造成不同位置冻结壁的发展范围不均匀,在冻结循环的末端管壁温度最高,冻结效果相对较差。冻结形成冻结区内的温度分布曲线较陡直,而在冷却区的温度分布曲线较平缓,其温度梯度较使用钢管的液氮冻结时小。在土层性质确定的情况下,液氮灌注状况、冻结管间距、冻结时间是影响液氮冻结效果的主要因素。冻结过程中,采用较小的冻结管间距,可以加快冻结速度,缩短冻结时间,发挥液氮冻结优势。研究结果表明,塑料冻结管可以应用于液氮冻结加固施工,研究成果可以为液氮冻结的工程应用提供有益的参考。     

单排管冻土帷幕平均温度计算方法分析

以基于巴霍尔金温度场理论的冻土帷幕平均温度计算方法为基础,考虑了冻结管间距和冻土半径,得到了平均温度简化公式。同时,用Matlab软件拟合简化公式,得到了简化公式的两个参数。结果表明,采用简化公式计算的平均温度比较接近精确值。     

水泥土加固法冻胀抑制效应数值模拟

水泥土与人工冻结联合加固法在盾构隧道端头加固中效果明显。本文以南京地铁十号线过江隧道端头联合加固工程为背景,分别进行了水泥土及原状土体冻结温度场和冻胀位移场耦合数值模拟研究,并通过对比实测与数值模拟结果,验证了计算方法的正确性。研究结果表明:冻结管间、冻结管与围护结构间区域降温速度较快,后排冻结管后方受加固体影响,是冻结壁发展最不利部位;冻结管和围护结构的约束作用会抑制周围土体的冻胀,两排冻结管间冻胀位移最大;水泥加固后地层冻胀敏感性明显减弱,地表最大冻胀量为对应原状土的14.3%,1 mm以上冻胀量地层在深度方向上为对应原状土的30.6%。研究结果对进一步探索水泥土与人工冻结联合加固工法有指导作用。     

人工冻融黏土导热系数试验研究

基于TC3000型热线法导热系数测试原理,研制了人工冻土导热系数测试系统,该系统具有温度精度高、测试速度快、测试灵活等优点。对冻结地下工程岩土进行了导热系数试验研究,获得人工冻结黏土随干密度、含水率、外界环境温度变化对冻土导热系数的影响规律。试验结果表明:冻融土导热系数随干密度呈线性增加,平均增长速率为0.20~0.25 W/m·K之间;冻融土导热系数随含水率变化平均增长速率相差不超过0.03 W/m·K;温度每降低1℃,冻融土导热系数增加0.01~0.014 W/m·K。研究成果可为类似冻结工程中测试土体导热系数提出一种新的有效方法,对人工冻结温度场计算具有重要指导意义。     

特厚黏土层多圈孔冻结壁温度场实测研究与工程应用

中国国内冻结法凿井通过冲积层的厚度已突破500 m接近了600 m,收集了前10个井筒的多圈孔冻结方案和施工资料,对其中赵固一矿2个特厚黏土层冻结井,开展了多圈孔冻结壁温度场实测。分析前期冻结井存在浅部片帮、深部冻实、冷量浪费、掘进速度慢的问题。主要原因是设计的冻结壁过厚、冻结孔布置圈径不适应,中圈孔过多、内圈孔过深,中、内圈交汇后冻土向内侧扩展速度过快,主冻结孔布置在中圈冻结期间调控能力差。研究提出冻结壁厚度计算和相匹配的3圈孔冻结,以外圈为主冻结孔、中圈辅助孔、内圈防片帮孔的布孔方法,在赵固二矿3个530 m的特厚黏土层冻结井应用,有效解决了冻结与掘砌的矛盾,技术经济效益大幅提高。     

人工冻结温度场巴霍尔金模型准确性研究

人工冻结温度场巴霍尔金模型已被较为广泛地应用于人工地层冻结法的监测数据分析和冻土帷幕性状的评估中。为了全面评判巴霍尔金模型描述实际温度场的准确性,以温度场数值模拟结果为基础,对单排管和双排管冻结条件下的温度场进行全面的数值分析与巴霍尔金理论的对比性研究。结果表明,对于工程实际应用来说,巴氏模型足够精确,能够较为全面真实地反映人工冻结温度场情况。     

地铁联络通道冻结法施工中涌水成因及防治

以某富水砂卵石地层联络通道人工冻结法施工为依托,就地层热力学参数、冻结参数和施工工艺等对冻结壁的厚度、交圈时间及平均温度等影响进行了研究,分析表明:AGF冻结效果关于热传导系数的敏感度最大,关于比热容和含水率的敏感度次之;冷冻管间距对冻结效果的影响非常显著,冻结法施工时,应加强冻结管开孔位置及倾斜度的控制;冷冻管直径变大,盐水与地层间对流系数减小,会抵消冻结管直径增大的影响;保温层设置不当以及冻结管远端定位缺陷直接影响联络通道与盾构隧道交叉区域的冻结效果,甚至出现冻结壁厚度不足和冻结壁交圈困难等问题,易导致管片开挖时涌水事故的发生。