钢管冻土协同结构冻结壁边界发展过程的模型试验

钢管冻土协同结构是有效控制冻胀融沉影响的新冻结模式,冻结过程中控制冻结壁边界的发展是抑制冻胀融沉环境影响的关键。以上海地铁18号线江浦路站冻结加固工程为背景,基于相似理论设计进行了钢管冻土协同结构冻结壁边界发展过程的模型试验,分析钢管和循环水对协同结构冻结壁边界发展过程的影响规律,获得以下结论：冻结壁边界位置的钢管不仅可以抑制冻土向外发展,而且会明显增大冻结壁边界位置的温度梯度,使形成的冻结壁更均匀,冻结32d时单排和双排钢管内、外侧温差分别可达到11.2℃和7.6℃,而钢管外侧冻土的温度较冻结管下部对应位置偏高6.7℃和10.7℃。冻土边界位置4℃的循环水可有效控制冻土边界向外扩展,进一步提升冻结壁的均匀性,冻结32d时冻土边界位置钢管内外侧温差达到18.3℃,钢管外侧冻土的温度较冻结管下部对应位置偏高16.9℃。研究结果表明,冻结壁边界位置布设的钢管或4℃的循环水均可有效控制冻土边界的扩展,提高形成冻结壁的均匀性,显著削弱冻结过程中冻胀对周围环境的影响,而边界位置4℃循环水的控制效果更好。     

外壁恒温条件下单排冻结管温度场数值模拟

采用数值计算的方法对单排冻结管冻土壁温度场进行分析,研究界面的温度分布规律以建立冻土壁厚度、平均温度与岩土体的导热系数、岩土体的比热和含水量、岩土体的结冰温度和原始温度、盐水温度、冻结管外直径、间距及冻结时间等因素间的关系,为冻土壁设计和冻结施工提供参考。     

不同材料内管的圆中空夹层钢管混凝土构件轴压性能研究

为了研究不同材料内管对圆中空夹层钢管混凝土构件力学性能的影响,设计了内管为钢管、PVC管和PPR管的3种、共5根圆中空夹层钢管混凝土试件。对所有试件进行轴压试验并对其整体和内部的破坏形态、荷载-纵向应变关系曲线、平均应力-应变关系曲线及横向应变发展规律进行分析,运用有限元分析软件ABAQUS对试件进行了轴压全过程模拟。结果表明:PVC内管和PPR内管试件破坏时的斜向鼓曲更为明显,其极限承载力、组合弹性模量和延性均逊于钢内管试件;PVC内管试件的横向应变发展最快;提出的有限元模型能够较好地模拟所有试件的前期刚度和钢内管试件的极限承载力;与钢内管相比,PVC管和PPR管在轴压全过程中仅承担微小的轴向荷载,且其与夹层混凝土的相互作用几乎为零;PVC内管的圆中空夹层钢管混凝土构件不可用于承重结构中,而PPR内管的圆中空夹层钢管混凝土构件可用于工程中。     

盾构进洞加固PVC冻结管力学性能试验研究

基于盾构进洞地基冻结法加固免拔管的需要,选取PVC塑料管作为盐水冻结管,开展了PVC管(接头)在冻结过程中的抗弯强度和挠度、拉伸剪切强度、水密耐压、温度应力试验研究,得出PVC管(接头)抗弯强度随冻结温度降低而增大,挠度随冻结温度降低而减小的结论。-30 ℃低温冻结比常温下抗弯强度平均增加了9.4%,挠度平均减小了74%;PVC管接头拉伸抗剪强度大于2.48 MPa。运用数值模拟方法,分析得出盾构进洞水平冻结加固工况下PVC冻结管最大弯曲应力、剪应力和位移值,与试验得出的PVC管强度和挠度值进行了安全度校核,现场试验也验证了PVC冻结管的水密性和可切割性。因此,PVC冻结管在盾构进洞盐水水平冻结工程中应用具有可行性。     

盾构出洞PVC免拔管法水平冻结施工工法研究

近些年,随着城市轨道交通建设的飞速发展,地下车站结构(盾构工作井)越来越深度化。如何确保盾构始发时盾构前方土体的强度及自立性,成为轨道交通建设者必须要处理好的问题之一。在盾构始发施工过程中,地基加固采用水泥系和冻结系相结合的方式,而冻结系地基加固采用水平冻结法且首次采用高分子材料PVC冻结管,经过水平冻结孔施工、管路连接,羊角安装、测斜打压试验、冻结站安装及调试、积极冻结及维护冻结等一系列施工工艺,来保证盾构出洞口地基冻土的加固效果,确保盾构顺利出洞。通过研究PVC冻结工艺的加固效果,并与传统采用碳素钢管工艺进行比较,分析碳素钢管与PVC管对冻结法施工工艺的利弊影响,得出了一些可靠的试验结果,可以为后续冻结法施工工艺深入研究提供宝贵经验。     

南京地铁旁通道冻结实测分析研究

南京地铁一期工程旁通道采用了冻结法施工，施工中对冻结盐水温度、冻土温度、地表变形以及隧道变形等方面进行了监测。对监测成果进行分析研究，指出依据某些监测成果可对冻土墙是否达到设计要求进行判别，以此决定旁通道土体最佳开挖的时间：并且获得了冻结盐水温度、冻土温度、地表变形以及隧道变形的变化规律，在此基础上提出了旁通道冻结施工的建议。     

复杂条件下隧道联络通道冻结施工设计与实践

介绍了我国首个江底隧道联络通道冻结工程的设计、施工监测等情况。对冻结系统盐水温度、冻结帷幕土体温度、冻胀压力、隧道变形等方面的监测结果进行分析研究,获得了冻结盐水温度、冻土温度、冻胀压力、隧道变形的变化规律,保证了工程的信息化施工。冻结法在该类工程中应用效果良好。     

液氮超低温局部冻结技术在顶管始发工程中的应用

以绍兴滨海新城供水管顶管工作井始发部位采用液氮超低温局部冻结技术为工程背景,经过实践探索得出:采用的液氮超低温冻结冻土扩展速度为常规盐水冻结的8~10倍;供液管采用长短腿局部冻结技术,冻结效果良好,可节约冷量约2/3;液氮冻结降温梯度大,冻胀融沉小。因此,对于工期要求紧、周边环境控制要求高的地下顶管工程,液氮冻结可优先考虑。     

地铁隧道联络通道冻结监测分析

上海市轨道交通7号线云台路站一高科西路站区间隧道联络通道冻结法施工中,对冻结盐水温度、冻土温度、隧道沉降等方面进行了跟踪监测.通过对监测结果进行分析研究,获得了冻结盐水温度、冻土温度、隧道沉降的变化规律,在此基础上提出了联络通道冻结施工的建议.研究成果可供类似工程参考.     

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。     

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。     

严寒地区地埋管换热器周围土壤冻结区域分布特征实验研究

建立了模拟严寒地区土壤热失衡状态下地源热泵冬季运行情况的实验装置,实验研究了地埋管周围土壤冻结区域的分布特征,给出了冻结相变锋面的平均移动速度。结果表明,土壤冻结区域呈不对称性分布,流体进口温度为-15℃时,埋深为350、700、1 050mm,热响应区在40~60mm段,冻结锋面的平均移动速率分别为5、5、6.67mm/h,热响应区在60~80mm段,冻结锋面的平均移动速率分别为1.54、1.82、1.82mm/h;土壤冻结在一定程度上有利于地埋管与周围土壤之间的换热,在严寒地区地源热泵的设计中应考虑土壤冻结现象。     

斜井液氮补强冻结温度场分布特征

 针对地下有流水时盐水帷幕冻结方法无法形成封闭冻结壁的情况,采用液氮低温快速冻结的方式对未封闭区域进行补强冻结,对施工过程中土体的温度场分布进行监测和分析,得出以下基本结论：冻结管出口氮气温度低于－100 ℃时,冻结管内处于氮气和液氮的混合状态,可以有效发挥液氮快速冻结的优势,而供液管上开孔的结构,会影响冻结管内不同位置液氮量的分布,从而影响冻结效果。由于地下水流动会带走部分冷量,冻结区域封闭前后,土体降温速度差别较大,并且地下水的流动会影响冻结壁温度场的分布规律。由于液氮气化温度低,所以冻结形成的冻结壁温度梯度大,均匀性较差;停止冻结后,冻结孔位置土体温度升高迅速,而远离冻结孔的土体升温缓慢,这样缩小了冻结壁内的温度梯度。研究结果表明,利用液氮快速冻结的特点,进行盐水帷幕冻结下的补强冻结,可以有效封堵地下流水,解决盐水冻结不能形成封闭冻结帷幕的难题。     

竖井冻结壁形成过程的光滑粒子法模拟

土体在冻结管作用下的冻结过程会涉及到相变潜热释放问题,准确描述冻结管周边的温度分布特征及冻结锋面移动规律对确定冻结壁的厚度和安全合理设计有重要意义。光滑粒子算法作为一种拉格朗日型无网格粒子方法以其独特的优势,已成功地应用于多种类型工程科学问题的求解。基于光滑粒子法编写了相应的计算程序并尝试着求解相变导热问题,通过一个简单的具有解析解的算例验证了其实用性和可靠性,从而给出求解此类问题的一种新的求解思路,并拓展了光滑粒子法的应用范围。最后针对煤矿井筒建设中冻结壁成形过程进行数值分析,计算了单圈等间距设置冻结管时的温度场的分布演化特征,比较了热物理性质不同的两种土体介质在相同冻结条件下的冻结效果,重点分析了采用不同交错布孔方案对冻结壁成形过程的影响,从而为工程设计提供一定的依据。     

琼州海峡隧道盾构对接冻土帷幕温度场数值分析

盾构对接冻结法加固时,确定冻结方案、掌握冻土帷幕温度场发展与分布规律等是需要解决的关键问题。依托琼州海峡隧道盾构对接工程,运用有限元软件建立直管冻结和半圆环形冻结两种数值模型,对冻土帷幕温度场的发展规律进行研究,主要得出:两种模型冻土帷幕在各个切片上都能满足设计要求,故在琼州海峡隧道盾构对接时采用冻结法加固是可行的;随冻结时间的增加,两种模型的冻结壁都是以冻结管为中心开始生成并慢慢相交,最后形成封闭的冻土帷幕以达到止水支护效果;直管冻结的冻土帷幕生成时间更短且最终生成的冻土帷幕厚度更厚。所得结果可为今后类似工程设计提供了参考依据。     

冻结器传热的冷源相似准则

为解决冻结法模型试验中冻结管作为冷源的相似转换问题,将管内流动盐水和管壁的换热过程按对流边界条件处理,根据相似模拟理论推导出原型和模型之间的相似判据。理论分析结果表明:要满足冻结器原型与模型传热过程的相似性,模型中对流换热系数相似比与几何相似比的乘积应等于冻土的导热系数相似比。试验测试-30℃盐水(雷诺数为533~2 143)强迫对流换热的特征关联式系数。相似模型试验结果表明:当冻结管内盐水为层流状态时,在进行冻结法相似模型试验时除了要对盐水的温度进行设定外,还应按照冷源相似准则对模型冻结器中盐水的流量进行设定。如果盐水流量高于(或低于)该设定值,则模型的温度场将产生偏差。     

交叠车站下穿段MJS+水平冻结温度场分析

以南京地铁7号线中胜站下穿既有10号线中胜站工程项目为研究背景,提出了富水承压含水砂层交叠车站下穿施工MJS+水平冻结新工法,通过ADINA有限元软件进行水平冻结温度场数值模拟,获得了富水砂层交叠车站下穿段人工水平冻结的冻结温度场变化规律,并对比分析了MJS加固端部采取保温措施与否的冻结温度场发展规律,研究了因MJS水化热产生的不同地层初始温度和不同季节施工对冻结温度场的影响。结果表明:随冻结时间增加,冻结锋面发展速度先快后慢,冻结40 d时,冻结区内土体温度维持在-13 ℃以下;无论是在MJS加固区的顶部、中部还是底部,距离冻结管越近,其温度下降速度越快,最终土体温度也越低;MJS加固区中地层初始温度平均每升高4.54 ℃,内部土体达到设计厚度所需时间延长1 d;夏季必须对端部采取保温措施,否则无法形成所需厚度,对端部采取保温措施后,端部冻结交圈时间减少2 d,冻结40 d时端部冻结壁厚度增加了2.6倍。相同地层初始温度和冻结设计方案下,冬季施工能有效增强端部位置的冻结效果。研究成果可指导实际工程施工,同时为国内相似地层类似工程设计、施工提供技术支撑。     

管幕冻结暗挖工法冻结止水效果分析

管幕冻结法是利用管幕配合冻结止水措施解决复杂建设条件下暗挖施工的一种创新性工法,该工法利用管幕顶管内冻结管路对管间土体进行冻结止水,在顶管管幕和冻结土体的超前支护下实施隧道暗挖施工。文章以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道冻结方案为例,利用数值模拟手段对积极冻结期不同土层的冻结效果及圆形冻结管、异形冻结管开启时间进行了研究,结果表明圆形冻结管和异形冻结管宜同步开启。对维护冻结期开挖断面温度、风速进行模拟分析,结果表明开挖断面内空气温度宜控制在25 ℃,风速对冻结效果影响不大。     

冻结土壤、水水平换热管耦合传热分析

以冻结土壤、水-水平换热管之间耦合传热作用为研究对象,对冻结条件下非饱和土壤连续性方程和热量迁移方程,采用有限容积数值方法进行离散求解,给出了部分温度场、冻结率分布图,并分析了耦合传热原因。分析结果表明：冻结土壤温度场是大致与地表平行的水平线,固液相变区高峰值发生在有回水管的上部,低值发生在无水平换热管的地方,水平换热管使冻结锋面向地表方向偏移,水平换热管进回水位置布置方式不同影响冻结土壤相变区域的大小与位置,回水管在单侧和中间布置是较优的布置方式。