富水砂卵石地层地铁联络横通道人工冻结数值分析

人工地层冻结法作为一种常用的土层加固方法,被广泛应用于煤矿、地铁等地下结构工程中。成都地区的砂卵石地层含水量丰富,渗透系数大,实施冻结法难度更大。以成都地铁10号线某隧道区间为工程依托,研究采用人工冻结法在砂卵石地层中修建联络横通道的问题。对冻结工程进行现场监测,根据冻结管实际布置形式建立考虑冰水相变的非线性三维弹塑性热—力耦合数值模型,通过现场监测和数值模拟两种手段对积极冻结期温度场和位移场的发展及分布规律进行研究。结果表明：数值模拟结果与现场监测数据吻合较好,建立的数值模型比较可靠;冻结壁交圈时间是冻胀变形快速增长的临界时间点,交圈时间约为25 d;冻结43.7 d时冻结壁厚度达到2 m,在37.8 d时冻结壁内平均温度达到-10 ℃,满足后续开挖施工要求。     

定向渗流诱导的非对称冻结帷幕稳态温度场解析解

受水流对流传热以及冻结管热传导叠加影响,渗流场作用下人工冻结帷幕的形状具有明显的非对称性。为解决冻结帷幕形状不规则给冻结温度场计算带来的困难,以直线排布的三管冻结温度场为研究对象,采用分段等效的方法,对该类冻结帷幕的形状进行简化,基于稳态温度场的求解理论,推导得出定向渗流作用下非对称冻结帷幕稳态温度场解析解以及冻结帷幕厚度、平均温度的计算公式。为了对公式的合理性进行验证,自主构建水热耦合物理模型试验系统,并开展不同流速条件下三管冻结温度场演化规律的模型试验。研究结果表明：关键轴线上冻结温度的计算值与试验结果的吻合程度较高,解析解的合理性得到模型试验的验证。冻结帷幕的交圈时间以及非对称系数随着流速的增加急剧增大。当地层中存在渗流场时,冻结温度场变化过程较为复杂,但冻结帷幕的平均温度整体仍然表现出随着冻结帷幕厚度的增加而降低的规律。本文得出的解析解能够实现对渗流场作用下人工冻结温度场较为准确的数学描述,将为大流速渗透地层人工冻结温度场的计算提供参考。     

立井多排管冻结温度场的数学模型研究

人工地层冻结是地下工程施工中的一种特殊方法,本文以立井双排管冻结工程为例,对多排管冻结温度场的数学模型进行了初步分析和研究,并采用ANSYS软件对工程实例进行了数值计算,为多排管冻结工程的设计和施工提供参考依据.     

压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析

针对压力隧洞内水外渗分析缺乏完善的渗流-应力-开裂耦合分析模型的现状,基于传统的黏结裂缝模型,提出了能进行渗流分析的黏结裂缝单元模型.应用Biot固结理论和内水荷载施加的体力理论,建立了压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析模型.选择典型的圆形断面压力隧洞进行了内水外渗的渗流-应力-开裂耦合模拟分析.计算结果与实测资料的定性对比表明,该模型是合理可行的,可用于压力隧洞内水外渗的渗流-应力-开裂耦合分析.     

基坑端头井联结隧道冻结过程应力应变分析

为分析冻结法对盾构隧道施工过程中的加固作用,以合肥市轨道交通2号线大东门站到达端盾构工程为依托,对无限大区域内单根冻结管稳态温度场公式进行推导,并根据工程实际情况建立了三维数值模型并进行热-力耦合计算。结果表明:冻结帷幕内温度场是以各冻结孔为中心圆形发展,各孔之间出现交圈之后再向四周发散;冻结法加固能显著降低由施工导致的地层沉降,降低幅度最大约为50%,加固效果较好;左线隧道较右线隧道后施工,其管片应力较大,应及时施作衬砌,尽快闭合支护体系,保证施工安全顺利进行。     

双圈水平冻结冻土帷幕温度场数值模拟

基于上海市轨道交通4号线隧道修复工程实例,建立双圈水平冻结冻土帷幕温度场数值模拟模型,对实际冻结工况进行数值模拟,其结果有助于了解隧道修复冻结时冻土帷幕整体性状,确保施工安全.     

油气管道隧道冷冻法施工工艺浅析

1 前言 目前常用的油气管道隧道施工方法有:明挖法、逆筑法、盾构法、注浆法、地下连续墙、旋喷桩等,现推荐一种冷冻法,这种方法是利用人工制冷技术将不稳定含水砂土层的水冻结,将天然岩土变成冻土,增加其强度、稳定性. 2 冷冻法的原理 冷冻法是在需冻结的地层中钻孔埋设冻结管,通过在冻结管中循环冷媒,使冻结管周围地层降温、冻结,形成冻结帷幕.该冻结帷幕同时具有抑制地层变形及隔水的作用.     

含黏粒砂土地层浅埋盾构隧道开挖渗流稳定性试验

针对含黏粒砂土地层浅埋盾构隧道开挖渗流稳定性问题,设计制作了主要由模型箱、水循环系统、盾构隧道与开挖面模型、饱和地层模型和量测系统组成的试验装置。通过模型试验,量测开挖面逐渐失稳过程中的地层沉降和开挖面饱和土压力以及前方地层孔隙水压力。结果表明:渗流条件下,开挖面前方地层孔隙水压力,会因地层黏-砂比的增大而增大,且会随开挖面体积损失的增大而增大;渗流会使开挖面极限有效土压力明显增大,开挖面极限有效土压力与地层黏-砂比基本上呈线性增加关系;地层极限失稳范围主要取决于开挖面前方和后方以及横向的破裂角,其中,后方破裂角受地层黏土含量和渗流的影响不大;无渗流时,地层极限失稳范围会因黏-砂比的增大而增大,而有渗流时,地层极限失稳范围会因黏-砂比的增大而减小。研究成果改进了对含黏粒砂土地层浅埋盾构隧道开挖渗流稳定性的认识,可以为实际工程以及有关的稳定性极限分析提供参考。     

标准κ-ε模型与RSM模型在离心泵三维模拟中的比较

基于FLUENT数值模拟技术,对IS80-65-160离心泵内部流场流动情况进行分析研究.采用三维非结构四面体网格对模型进行离散处理,分别采用标准κ-ε模型与RSM湍流模型及SIMPLEC算法,对设计工况和多种非设计工况进行了整机定常计算,以考察标准κ-ε模型与RSM模型对离心泵内流场模拟计算的适用性.在处理叶轮与蜗壳间动静耦合流动的参数传递和相互干扰问题时,采用"冻结转子法".最终在数值模拟的基础上,通过计算得到基于这两种模型的扬程、轴功率、效率曲线,并将其与试验曲线进行对比.研究表明:两种模型都能较好的模拟离心泵内部复杂的内部流动,但基于标准κ-ε模型的计算曲线与性能试验曲线更为接近,且耗用的计算时间比RSM模型更少.     

ANSYS在冻结壁温度场分布分析中的运用

冻结壁的热学分析是地层冻结法的关键技术理论,本文主要介绍了利用ANSYS有限元软件对冻结壁温度场分布进行数值模拟的基本过程,包括模型的建立,问题的求解及结果分析,具有一定的参考价值。     

间歇冻结控制人工冻土冻胀的试验研究

土体冻胀容易引起地表产生不均匀变形，因此控制冻胀的产生和发展始终是人工冻结技术的重要课题．通过试验比较了人工冻土在连续冻结模式、控制时间的间歇冻结模式和控制深度的间歇冻结模式下，土体冻胀的发展变化规律及冻胀控制与冻结模式之间的关系．结果表明：与连续冻结和控制时间的试验相比，在冻结锋面趋于稳定和温度梯度趋于恒定前，采用控制冻深的间歇冻结模式能够有效地抑制人工冻土冻胀的发展，冻胀量仅为连续冻结模式的19．8％；不同的变温起始时间对冻土冻胀控制的效果不同，在冻结过程刚刚进入拟稳定阶段时，迅速改变冷端温度，将使土样内的温度场不能达到稳定状态，从而推迟起始冻胀的时间，抑制冻胀的产生．     

土体冻胀试验系统的研制与应用

为了研究土体在不同环境下的冻胀特性,自主设计研制了土体冻胀试验系统.该系统模拟自然条件下路基土的工作状态,从温度荷载的加载方式、上覆荷载的加载方式、水分补给方式、侧向约束条件等方面严格控制试验环境.基于温度控制盘、滑动绝热装置的创新设计,在实验室内实现了对路基土冻胀过程的真实模拟,并实现了冻结过程中温度分布、上覆压力和冻胀变形的实时监测.最后,通过饱和粉质黏土冻胀试验的测试结果,验证了该系统的可靠性和有效性,明确了土体冻结过程中的温度分布特征和冻胀变形规律.     

隧道联络通道冻结位移场模型试验研究

上海市大连路越江隧道的联络通道是一个处在黄浦江底的长联络通道．通过基于相似理论的模拟试验，对此联络通道冻结的冻胀和融沉进行了研究，得到了有荷载情况下土的竖向冻胀和受模拟隧道衬砌约束下的水平冻胀的变化规律，为解决该工程中的冻胀融沉问题提供了保障，同时也对类似工程的施工起到了指导作用．实践表明，运用模拟试验解决大型复杂的地下工程中的施工问题是相当有效的。     

人工冻结土体冻胀融沉的模型试验

在分析人工冻结土体与自然冻结土体的冻结差异、比较国内外土体冻融模型试验装置的基础上,介绍了所研制的人工冻结土体冻胀融沉模型试验装置及其应用情况．并利用该试验装置对徐州地区常见的粘土进行了冻结试验,检验了该试验装置的可靠性和实用性;得出了人工冻结土体在冻融过程中土体在垂直方向上的冻胀远小于它在该方向上的融沉等几点结论     

人工冻土冻胀及其抑制研究述评

人工冻结法施工技术是岩土工程尤其是特殊地质和工程条件下地下工程施工的重要方法之一,但冻胀现象制约了该方法的推广应用。从人工冻土冻胀的影响因素、物理模拟概况、数值模拟现状及冻胀抑制等方面总结归纳了国内外在冻胀及其抑制上的研究成果。     

冻融循环作用下倾倒式危岩体稳定性劣化模型

为了探究冻融作用对倾倒式危岩体稳定的作用机理及长期劣化规律, 基于极限平衡理论,考虑结构面冻胀力、未贯通段抗拉强度劣化及冻结深度演化对倾覆点力矩的影响,构建倾倒式危岩体稳定性分析方法. 基于岩石冻胀理论,考虑岩石碎屑流失、微裂隙倾角、温度等参数对孔隙半径冻胀破坏的影响,建立岩石抗拉强度劣化模型并验证其合理性. 利用裂隙分布不均性修正Stephan冻结深度经验公式,得到冻融循环作用下岩石冻结深度计算方法. 结合工程算例,讨论不同敏感参数对倾倒式危岩体稳定性的影响. 结果表明：初始抗拉强度越低、孔隙率越大,危岩体稳定性劣化效果越显著;当环境温度高于263.15 K (?10 ℃)时,危岩体稳定性对温度的变化敏感,危岩体保温措施的效果显著;当碎屑流失比超过0.8时,冻融循环作用对危岩体的劣化速率明显加快,倾倒式危岩体的长期冻融劣化效应明显,控制冻胀破坏产生的碎屑流失有利于寒区危岩体保持长期稳定.     

正冻土中的水热耦合模型

根据温度梯度诱导薄膜水迁移的冻胀机理,建立了模拟标准样品无盐土冻胀过程的水热耦合模型。模型需要输入的参数包括：干密度、含水量、孔隙度、未冻水含量（－1℃)、导 热系数、渗透系数及边界温度条件、冻结周期和时间步长等。计算结果包括：冻胀量、冻结深度、冰分凝温度、冻结缘厚度。通过与实际冻胀实验结果比较,模型所预测的冻胀量和浆深与实测值相差分别为1.12%-15.77%和5.38%-10.35%,冻结缘的厚度变化在时间上有三种方式：即持续增大、 增大后逐渐减小、增大后相对稳定。     

人工冻结过程中温度场的试验研究

为了研究人工冻结过程中温度场的变化规律，利用自行研制的人工冻结冻胀融沉模型试验装置，对徐州地区常见的粘土进行了12次大规模的冻融试验，分别模拟了封闭系统和开敞系统下人工冻土中温度场的变化情况，并与现场实测数据进行了分析比较，提出了在冻土体和受冻结影响的土体中的温度与距离分别近似成线性，已冻土体中的温度梯度比未受冻结影响土体中的大等几点结论．     

冻融循环作用下危岩体滑移破坏数值优化分析

冻融循环作用是寒区危岩体崩塌失稳的主要诱因,对寒区危岩体滑移破坏的孕灾因素进行数值优化分析尤为重要。首先,基于极限平衡理论,考虑危岩体贯通段结构面冻胀力、未贯通段岩石黏聚力劣化及冻结深度演化,建立冻融循环作用下滑移式危岩体稳定性分析模型;其次,基于岩石冻胀理论,考虑冻结过程中水分迁移推导得到贯通段冻胀力计算方法;再次,将岩石细观孔隙抽象为无数圆形孔洞,根据圆孔扩张理论和莫尔-库伦屈服准则分析孔隙冻胀破坏过程,构建冻融循环作用下未贯通段岩石黏聚力细观劣化模型;最后,通过改进Stephan经验公式得到未贯通段岩石冻结深度随冻融循环次数演化的计算方法。结合工程算例分析各敏感参数对危岩体稳定性的影响发现：滑移式危岩体稳定性随冻融循环次数的增加呈先快后缓的下降趋势;危岩体稳定性系数与冻结温度呈正相关,相同冻结温度下,危岩体稳定性系数的下降随冻融循环次数增加出现明显的边际递减效应;危岩体稳定性与岩屑流失比呈负相关,且岩屑流失比会同时改变稳定性劣化趋势和劣化程度,控制岩屑流失比有利于寒区危岩体的长期稳定性。     

多年冻土区铁路拼装式涵洞基础稳定性研究

根据青藏铁路清水河试验段两座拼装式涵洞工程近3年的监测结果,研究多年冻土区铁路涵洞下地基温度变化与涵洞基础沉降变形之间的关系.研究表明,多年冻土区涵洞工程在路基修筑的整个期间内,其基础会发生较大变形,且冻胀抬升变形量总值小于融化下沉变形量总值;涵洞建成初期,中部基础下沉速率较大,但2个冻一融循环后,涵洞中部的总下沉量较出入口过渡段的总下沉量小;涵洞出入口多渡段基础下地温差异与阳光照射有关,但这种地温差异对基础沉降变形的影响并不显著;路基和涵洞施工完成后对涵洞下地基冻土层具有明显的保护作用.