地下工程问题三轴模拟试验台及其应用

用于岩土工程和深部地下工程问题研究的、颇具特色的大型三轴物理模拟试验台于１９８６ 年在中国矿业大学建立并通过技术鉴定。该试验台有效试验净高２ ．４ ｍ ,有效试验直径达１ ．６ ｍ , 试验压力可达１１ ．０ ＭＰａ 。１０ 年来,利用这个试验台先后进行了人工冻结温度场、冻结壁的厚度与变形、冻结管受力与变形、深表土立井井壁受力以及地层加固后围岩与井壁相互作用等诸多课题的研究,累计试验次数超过百次,取得了包括井壁破坏机理的“附加力理论”在内的一系列研究成果。     

隧道冻结壁解冻温度场演化规律研究综述

文中介绍了冻结法在隧道中的应用,阐明了隧道冻结法施工冻结壁温度场的发展情况一直是工程中关注的热点,并分别从现场实测、理论解析法、相似模型试验和数值模拟等方面,对隧道冻结壁解冻温度场演化规律的研究现状进行了综述,指出了当前温度场研究存在的不足对未考虑冻结壁温度梯度的影响,最后提出隧道冻结壁解冻温度场研究中存在的问题和今后研究方向。     

三排管冻结温度场的势函数叠加法解析解

 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,利用水力学中速度势函数叠加原理,验证了现有的单管、单排管及双排管冻结温度场解析解。进而针对三排管冻结,引入“遮挡系数”,类比推导3排管冻结温度场解析解,并用热学数值模拟方法加以验证。研究结果表明,解析解计算结果与数值模拟结果较吻合,证明推导过程正确,为今后多排管冻结温度场解析解的推导提供一定的思路,得到的结果可靠,能为3排冻结管冻结设计施工提供理论指导。     

渗流冻结模型试验相似理论研究

为了开展渗流冻结相似模型试验,通过分析温度场以及渗流场控制方程,得出渗流冻结过程中主要影响因素,采用因次分析法推导了16个相似准则;根据几何缩比以及相似准则得出了模型试验中关键参数的缩比,用于指导试验设计。     

液氮冻结帷幕水热耦合温度场数值分析及应用

液氮冻结温度场是具有相变、水分迁移的瞬态热传导问题。基于水热耦合理论建立了液氮冻结的温度场数学模型,获得了液氮冻结帷幕厚度和平均温度随时间发展均呈对数规律分布;冻结管组内连接方式对冻结效果有较大影响:三管串联形成的冻结帷幕厚度最不均匀、平均温度也最高,单管供回液连接方式冻结效果最好;但从经济效益和冻结效果综合因素考虑,双管串联冻结方式宜优先采用。研究成果完善了盾构进洞液氮冻结温度场理论和工艺。     

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。     

土在冻结过程中的温度场研究

在冻结法施工中,冻土帷幕的三维温度场预测是一个重要内容。首先对土冻结过程中的热传递现象进行了定性分析,然后通过相关资料演绎了冻土温度场的理论计算公式和热物理参数公式,最后应用有限元软件ABAQUS并结合模型槽冻结实验,在考虑相变潜热的基础上,建立了1根水平冻结管、2根水平冻结管、3根冻结管(2根水平冻结管+1根倾斜冻结管)的三维温度场模型。通过对不同模型三维温度场的比较,得到了冻结管数量、布置方式对冻土帷幕的形成速度和范围的影响。通过与相关测点测试数据的比对,建立了土体温度随时间的变化曲线,揭示了土体在人工冻结过程中的三维温度场发展变化规律。     

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。     

冻结管温度场解析解与数值模拟对比分析

人工冻结土层施工方法是保证地下工程施工安全性和稳定性的重要技术,结合冻结法施工中冻结管采用单排直线型布置方式下温度场的变化情况,通过理论计算方式推导了稳态导热条件下,考虑和不考虑土层冻结温度两种情况下的温度场解析解,再通过ANSYS数值模拟分析,将温度场模拟结果与解析解进行对比分析,从而得出理论计算方式在不同情况下运用的合理性和适用性。     

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。     

多年冻土地区路基温度场和水分迁移场耦合问题研究

基于冻土路基特殊的工程性质,对水分迁移结果即含水量变化对温度场的影响特别是对热物理参数的影响进行了研究,考虑温度变化对土体水分迁移机理及计算方法进行了研究,提出了冻土路基水热耦合计算模型,并给出了水热耦合计算的总体流程图,实例计算揭示了冻土路基温度场和含水状态的横向差异。     

钢管相贯K型节点焊接残余应力的数值模拟与试验分析

钢管相贯焊接节点是空间钢管桁架的常见连接方式,为了深入研究钢管相贯节点的极限承载力和疲劳寿命,对K型钢管相贯节点的残余应力进行了分析。针对K型钢管相贯节点焊接时的热应力特征,通过对焊接过程中加热与冷却温度场的正确描述,并采用相应的热传导数学和物理模型,进行温度场和应力场的耦合计算。计算中考虑了钢材热物理参数和力学参数随温度变化的非线性性能,得到的残余应力和残余变形分布规律与K型钢管相贯节点试验的破坏形态吻合较为理想,据此提出焊接热损伤对节点破坏形式有一定影响的观点。     

寒区隧道地源热泵型供热系统取热段温度场解析

为解决寒区隧道冻害问题,将地源热泵型供热系统应用于内蒙古博牙高速林场隧道中。供热系统由取热段、加热段、热泵和分、集水管路组成,可用于隧道洞口段衬砌和排水系统加热。取热段位于隧道中部,获取围岩中的地热能。隧道取热段温度场由热交换管外围岩温度场和热交换管内流体温度场两部分组成。建立考虑衬砌结构和热源的隧道取热段热交换管外围岩传热模型,利用叠加原理、拉普拉斯变换和积分变换相结合的方法获得取热段温度场解析解。基于能量守恒原理建立热交换管内流体传热模型,根据热交换管外围岩温度场,利用迭代法计算热交换管的出口温度。采用反分析的方法确定试验段围岩的综合热物性参数,将理论解与现场试验数据对比分析,其精度满足工程要求。取热段温度场理论解为系统的设计提供理论指导。     

三河尖矿深井高温体特征及其热害控制方法

 地热异常矿井进入深部开采后热害现象严重。通过对三河尖矿地温场、地温梯度变化规律及岩石热物理性质的分析,揭示三河尖矿深部地温随深度的增大变化异常,大地热流值偏高,为典型地热异常矿井。总结分析得出三河尖模式高温热害特征,即冷源短缺地热异常。针对三河尖模式热害治理,结合三河尖矿地面供热现状,提出三河尖模式热害治理HEMS降温技术,该技术利用井下热水实现井上供热,将产生冷能储存于第四系储能层用于井下制冷,解决热害的同时实现地面供热。三河尖矿成功的实现一期井下热害治理工程,通过对72201工作面降温效果分析,该系统大大改善工作面长期以来高温高湿的工作环境,值得在深部开采及相关领域推广应用。     

露天日照条件下钢结构构件的温度场分析

在钢结构设计中,分析结构温度效应、确定施工合拢温度的难点在于确定温度场分布。为了提出一种计算露天日照条件下钢结构构件温度场分布的方法,采用CFD数值模拟,运用Gambit软件进行建模,Fluent软件进行有限元求解,计算出工字型、箱形构件在北京2009年5月12日各个测温时刻的温度场。通过数值模拟计算结果与相应试验测温数据的对比,验证了所提分析方法的有效性。通过算例,分析讨论了影响钢结构构件温度场的各个因素,为工程设计提供参考。     

多年冻土路基热稳定性的有限元分析

利用ANSYS有限元软件,引入附面层原理,对高纬度多年冻土区沥青路面下路基温度场进行模拟。研究结果表明:运营30年,各深度处的年平均地温发生着具有一定规律的升高,且变化的幅度也随着深度的增加而衰减;路表下浅层温度场变化幅度最大,深层温度场变化幅度越来越小;随时间和气温的逐年增长,冻土人为上限逐年下移,将严重影响路基的热稳定性。     

考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场及防寒保温材料敷设长度研究

 基于流体力学、传热学和空气动力学的基本原理与方法,推导出考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场模型,该模型包括：围岩温度场控制方程、隧道内风温场控制方程以及风流场湍流控制方程。在此基础上,采用数值分析方法探讨西藏嘎隆拉隧道通风条件下围岩温度场的变化规律及其防寒保温措施。研究结果表明：隧道未开挖前,随着季节的变化,山体浅部温度出现明显变化,该变化较明显的深度为18 m,当岩体埋深大于18 m后,岩体温度随季节的变化幅值小于0.5 ℃;隧道贯通后,由于通风影响,在环境温度最冷月(1月),隧道进出口段一定范围内的围岩温度出现了0 ℃以下的不利工况,进一步研究显示：在嘎隆拉隧道进口端600 m和出口端400 m范围内,二衬表面敷设6 cm厚的聚酚醛保温材料,可以有效地防止嘎隆拉隧道衬砌和围岩发生冻融破坏。     

软岩冻融损伤的水-热-力耦合研究初探

冻融力学研究正温、负温环境交替变化对材料的物理力学性质的影响。由于软岩为强度低、孔隙度大、胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的松散、软弱岩层。因此,软岩的水-热-力耦合不是一个简单的过程。初步提出了软岩的水-热迁移机理,进而提出了软岩水-热-力耦合的基本数学模型。最后用ANSYS软件模拟了隧道围岩温度场与应力场,得到了隧道围岩冻胀力的分布趋势。     

埋地钢管气密性试验过程温度场的数值模拟

建立埋地钢质管道气密性试验过程温度场模拟的物理模型,确定温度场水平方向与垂直方向的边界条件。采用有限元分析软件,对埋地钢质管道气密性试验过程的温度场分布进行瞬态数值模拟。气密性试验开始阶段,管内气体温度下降较快,埋地管道对土壤温度场的影响范围逐渐增大,1．5h后管内外温度场基本达到稳定,根据数值模拟的结果,拟合得到了温度场达到稳定后管内外温度的关系式,数值模拟结果与试验结果基本吻合。