人工冻土冻结过程中热–力耦合的数值模拟方法研究

随着地下工程的发展,人工冻结法已成为地下工程建设中常用的技术。关于人工冻土在冻结过程中温度场的发展规律以及冻结过程中因为冻胀产生的对周边环境的影响有待于进一步深入的研究。通过室内试验得出了热物理参数随温度场的变化规律,结合天津地铁某联络通道的人工冻土工程,提出并建立了人工冻结过程中考虑热物理参数随温度变化的热–力耦合的数值计算方法,利用该方法计算分析了人工冻结过程中土体的温度场和位移场的发展规律,通过与实测数据对比,证明了该方法的可行性,成果可以指导人工冻土工程的设计与施工。     

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。     

软土地层单排管冻土帷幕温度场分析

人工冻结法施工技术是软土地区隧道施工的一种经济可靠的方法,在上海地区得到了多次成功应用。不过,由于计算理论的不完善,也出现过诸如上海地铁四号线透水的重大工程事故。在冻结法施工过程中,冻土帷幕的温度场分析是非常重要的环节。作者对冻土的物理和力学性质作了相关的定性分析。通过相关的研究资料和实验数据总结了具有实用意义的单孔和单排孔温度场温度计算理论公式,并运用Ansys有限元软件,结合上海长江隧道工程冻结法施工的相关施工数据,建立了单排冻结孔数值计算模型。通过理论计算值、数值计算值和实际监测信息的比较,得出了单排孔冻结帷幕温度场发展变化的相关规律。     

渗流对人工冻结的影响作用研究

本文通过已有成果资料，系统综述了渗流对人工冻结施工影响的研究状况。研究人员主要通过数值模拟和模型试验两种方法，研究了渗流对人工冻冻结的影响，希望能对渗流条件下人工冻结过程的研究和冻结工程具有一定的指导意义。     

人工冻土帷幕的冻结过程研究

人工冻土帷幕具有广泛的应用前景。研究表明,冻土的均匀性和冻结状态是影响人工冻土帷幕强度的重要指标。冻结方向、受力方向、冻结时间影响下的冻结锋面发展情况和温度场规律是描述冻土力学性能差异的四个重要特征。该文通过分析这些指标和特征,完善了人工冻土帷幕的分析计算内容,有助于验证冻结时间、冻结位置等重要工程指标的正确性。     

人工冻结技术在地铁施工中的应用

在社会经济快速发展的背景下,逐渐加大了城市建设工程的规模、难度,尤其是对地铁工程的施工来说难度更加大。为促进地铁工程的稳固性的提升,在地铁施工过程中逐渐使用人工冻结技术,虽然人工冻结技术具有一定的优势,但是在地铁施工中应用该技术却出现了许多风险事故,因此需要加大对其重视。通过概述人工冻结技术,探究人工冻结技术的实际应用,研究目前地铁施工中应用人工冻结技术存在的事故风险。     

人工冻土冻结温度影响因素灵敏度分析

确定影响人工冻土冻结温度因素的灵敏度,对冻结法施工中科学掌握冻土温度场的发展有重要意义。本文较全面地考虑了影响人工冻土冻结温度的定量、定性因素,运用人工智能理论,提出一种预测人工冻土冻结温度的新方法,在此基础上,分析了各影响因素的灵敏度,对准确预测人工冻土温度场发展有重要意义。     

渗流地层人工冻结壁交圈时间计算方法

为解决目前相关设计规范中尚无渗流地层人工冻结壁设计及计算方法的问题，利用COMSOL Multiphysics有限元软件实现渗透地层温度–渗流场耦合计算，并通过室内试验对计算结果进行验证。通过数值计算研究温度场随渗流速度、冻结管间距、冷媒温度变化的发展规律。结果表明：当地下水渗流速度大于临界渗流速度时，冻结壁不交圈，临界渗流速度与冻结温度梯度之间存在具有良好的线性关系；通过对二者关系进行拟合，提出临界渗流速度的计算方法。借鉴固结理论的思想，提出无量纲化的交圈因数，利用成长函数曲线较好地拟合不同冻结管间距和冷媒温度条件下的交圈因数–渗流速度曲线。在此基础上，建立渗流条件下人工冻结交圈时间计算方法。研究成果可为渗流地层中人工冻结施工设计及计算提供借鉴和参考。     

人工地层水平冻结冻胀对邻桩的影响

人工地层水平冻结技术在富水的软土地铁区间隧道中得到了一定的应用。但人工冻结过程中土体会产生冻胀,对于邻近的既有建筑物桩基产生不利影响。针对某工程实例,通过有限元计算,分析了某地铁隧道水平冻结引起的冻胀对邻近建筑物桩基础的影响,给出了3种冻土冻胀率下的离隧道不同距离的4根桩的水平冻胀力分布及侧向位移分布。结果表明,水平冻结冻胀对3r(r为冻结壁半径)范围的桩影响较大。     

上海市复兴东路隧道联络通道冻结法施工温度场分析

人工冻结法施工技术是软土地区隧道施工的一种经济可靠的方法,在上海地区得到了多次成功应用。但是,由于计算理论的不完善,也出现过诸如上海地铁四号线透水的重大工程事故。在冻结法施工过程中,冻结壁的厚度控制是非常重要的环节。为此,在考虑冻结管偏斜条件下对上海某隧道联络通道冻结法施工过程中的温度场进行了有限元分析。结果有助于进一步了解冻结施工过程中温度变化和分布的规律,对此工法的安全性和经济性控制亦有裨益。     

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。     

主隧道结构散热对联络通道冻结效果的影响

 在采用人工冻结法施工的联络通道中,主隧道管片的散热对管片附近土体的冻结效果有很大的削弱作用。通过施工现场的温度监测数据,研究管片散热对联络通道中土体温度场发展状态的影响,发现管片外侧喇叭口部位土体无论在冻土温度还是在冻土帷幕的厚度上都较未受影响区相差很大,受影响区冻土帷幕厚度最小处仅为未受影响区厚度的一半,且随着冻结的持续进行,喇叭口部位土体的温度场在一定时期达到热交换的平衡状态,持续冻结对此区域的冻结效果增强不明显,只会降低未受管片散热影响区域的土体温度。绘出冻土帷幕的发展变化过程。最后在影响分析的基础上对联络通道的安全施工提出了建议。     

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。     

多排管局部冻结冻土壁温度场特性

上海地铁一区间隧道因施工联络通道发生工程事故导致隧道坍塌,修复工程中部分采用四排局部垂直冻结形成冻土墙,用于抵挡水土压力和嵌固完好隧道。针对冻结深度深以及冻结土层为扰动的粉质黏土、砂质粉土并承受较高承压水头这些特点,工程中对冻结壁温度场发展进行实时监测。从冻结深度、厚度方向上分析多排局部冻结排内和排外温度发展特征,并分析计算出积极冻结期排内冻土壁交圈时间、发展速度。鉴于目前计算冻土帷幕厚度公式并不适用于计算多排管冻结,引入双排管计算公式,并利用作图法推导出平均温度计算公式。利用这2个公式,分析多排局部冻结冻土壁特征,计算出积极冻结期结束时冻土壁厚度和平均温度,以及整个冻结期排外冻土壁单侧发展厚度和发展速度。     

Coupled thermo-hydro-mechanical modeling of frost heave and water migration during artificial freezing of soils for mineshaft sinking

Artificial freezing of water-bearing soil layers composing a sedimentary deposit can induce frost heave and water migration that affect the natural stress–strain state of the soil layers and freezing process. In the present paper, a thermo-hydro-mechanical (THM) model for freezing of water-saturated soil is proposed to study the effects of frost heave and water migration in frozen soils on the formation of a frozen wall and subsequent excavation activity for sinking a vertical shaft. The governing equations of the model are formulated relative to porosity, temperature, and displacement which are considered as primary variables. The relationship between temperature, pore water, and ice pressure in frozen soil is established by the Clausius–Clapeyron equation, whereas the interaction between the stress–strain behavior and changes in porosity and pore pressure is described with the poromechanics theory. Moreover, constitutive relations for additional mechanical deformation are incorporated to describe volumetric expansion of soil during freezing as well as creep strain of soil in the frozen state. The ability of the proposed model to capture the frost heave of frozen soil is demonstrated by a comparison between numerical results and experimental data given by a one-sided freezing test. Also to validate the model in other freezing conditions, a radial freezing experiment is performed. After the validation procedure, the model is applied to numerical simulation of artificial freezing of silt and sand layers for shaft sinking at Petrikov potash mine in Belarus. Comparison of calculated temperature with thermal monitoring data during active freezing stage is presented. Numerical analysis of deformation of unsupported sidewall of a shaft inside the frozen wall is conducted to account for the change in natural stress–strain state of soil layers induced by artificial freezing.     

液氮冻结技术在地铁泵房排水管修复工程中的应用

以上海运营地铁某区间泵房排水管液氮修复工程为背景,详细介绍了液氮封水冻结帷幕形式和冻结孔布置参数的设计、液氮消耗量估计、施工流程、操作方法和测温系统布置。通过温度监测数据和工程实践,验证了开挖条件分析方法。由隧道沉降监测结果可知,小体积液氮局部冻结土体的融沉对隧道变形稳定性影响较小。     

液氮冻结在隧道工作井二次封堵水中的应用

介绍了为封堵工作井异常涌水涌砂缝隙,以某隧道新工作井液氮二次冻结封堵水工程为背景,基于液氮气化时剧烈吸热的原理,提出采用液氮土层冻结技术快速冻结封堵涌水的解决思路。初期盐水冻结壁有缺陷情况下运用原有冻结管和新增冻结管液氮封水冻结,以及冻结帷幕的形成和冻结孔布置参数的设计、施工流程与冻结效果。     

多排管冻土帷幕平均温度特征与计算方法

通过数值模拟方法分别研究三、四排管直线冻土帷幕平均温度与冻土帷幕厚度、管排间距、冻结管排列形式以及冻结管排数之间的关系。并且通过分析多排管直线冻土帷幕温度场特征,运用温度场拼接和等效方法提出了一种多排管直线冻土帷幕平均温度的计算方法。通过公式计算结果与数值模拟结果的比较发现,该计算方法具有较好的适用性和较高的准确性。     

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。     

平面冻土墙围护深基坑的时空效应数值模拟

对深基坑平面冻土墙围护结构及周围地层的应力和位移进行了三维有限元数值模拟，其中冻土墙为符合Mlses屈服准则的非均质粘弹塑性介质，地层为符合Drucker-Prager屈服准则的弹塑性介质，同时考虑了基坑分步开挖及时间的影响。分析了冻土墙厚度、深基坑跨度及冻结盐水温度与基坑稳定性的关系并得到了回归关系式。最后，采用本程序对一试验模型进行了计算，其结果令人满意。