基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

深基坑冻结止水帷幕冻胀变形模拟分析与试验测试

 通过对深基坑冻结止水帷幕工程冻胀特性的模拟分析,考虑初始应力场平衡及其与温度场、应变场等的耦合分析,结合试验与测试分析成果验证,系统研究冻结止水帷幕的冻胀变形特征、冻胀特性与冻土性质和约束条件的关系以及卸压槽的卸荷作用机制与变形控制效果等,为今后深基坑围护冻结止水技术的合理设计、安全施工和推广应用提供理论基础。     

梯形波纹钢明渠抗冻胀性能有限元模拟

为研究冻土环境中的梯形波纹钢明渠抗冻胀性能,建立了可精细模拟土-渠相互作用的实体-壳体三维空间有限元分析模型,提出了同时考虑含水率与温度的冻土弹性模量计算公式。通过考虑土体在不同月份的温度场变化,采用瞬态热传导模拟了实际升温、降温过程中的土-渠相互作用。合理考虑了含水率与温度对冻土弹性模量、冻胀系数、内摩擦角、黏聚力等本构参数的影响,研究了波纹钢明渠变形与应力的变化规律,分析对比了不同的土体类型与初始含水率、地下水埋深、横撑间距与截面尺寸、波纹钢壁厚与卷边宽度对变形和应力的影响。结果表明：波纹钢明渠可承受一定的水平冻胀作用;渠周土体初始含水率及地下水埋深对波纹钢明渠变形与应力的影响显著,当地下水位在波纹钢侧壁埋深的下半部分时尤为明显;为减小渠体变形,可采取在渠顶设置横向支撑、减小侧壁坡度、增大波纹钢壁厚或加宽卷边的措施,相比之下,前两种更为经济且有效,不过横撑规格需满足受压稳定性要求;设置横撑后,卷边可提供一定的侧向刚度;虽然加宽渠顶卷边对减小渠顶的横向变形有一定贡献,但在10～100 mm宽度范围内贡献不大;未设支撑的波纹钢明渠Mises应力整体低于钢材屈服强度,应力较大的部位多见于...     

基于未冻水膜压力判据的冻土水热力耦合冻胀模型研究

冻胀融沉是多年冻土区的主要病害,其受水分场、温度场、应力场的复杂耦合作用影响。基于水膜理论提出了冻土未冻水膜压力作为冰透镜体生成的判据,并重新对水分迁移驱动作用进行描述,建立了以温度、土体孔隙比为变量的全耦合模型。通过考虑已冻区冰基质的影响,推导了涵盖原位冻胀与冰分凝两部分的冻胀量计算公式。基于Matlab和COMSOL Multiphysics的联立平台,提出了模型冰透镜体实时分布的数值求解方法,实现了冻土温度、水分、应力、冰透镜体分布的全耦合数值求解。通过与室内土柱冻结试验及现有水热力模型（Thermal-Hydraulic-Mechanical,又称THM模型）冻胀量结果进行对比分析,证明了温度、含水率与冻胀计算上的可靠稳定。最后通过探讨温度梯度、上覆压力、渗透系数与压缩模量对土柱冻结的影响发现,温度梯度能显著增加土体冻胀量,上覆压力会导致更多水分向冻结锋面迁移,但对冻胀量起着抑制作用,渗透系数与压缩模量均对冻胀量产生正影响。为冻胀理论研究与数值实现提供了新思路。     

寒区土壤源热泵换热埋管的水热力耦合分析

为解决寒区土壤源热泵地下埋管冻胀安全性问题,根据传热学、渗流和冻土力学理论建立寒区土壤源热泵水热力耦合的数学力学模型及其控制方程.利用FEPG有限元自动生成软件,对大庆油田某土壤源热泵地下埋管所在土体内温度场分布、冻胀位移及应力作用进行仿真计算,并对不同深度、不同回填区土壤导热系数、不同管脚间距情况进行了对比分析.结果...     

低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

冻土对独立基础抗震性能的影响研究

在我国东北地区分布着大面积的多年冻土和季节性冻土,建筑基础冻胀现像普遍存在.本文利用ANSYS有限元软件建立了基础和土层模型,分别研究基础埋在不冻土、弱冻胀土和冻胀土三种不同冻胀性的土层中时,在地震作用下的的应力应变响应,通过对三者结果的比较来分析土的冻胀性对基础的危害.     

寒区路基工程与多年冻土间相互作用问题研究进展

多年冻土地区兴建的道路、工业设施以及大型土木工程建筑工程等,都会受到多年冻土稳定性问题的影响。土壤中的热状况、水分状况及其变化是引发冻害及严重程度的主要因素。基于工程稳定性、耐久性及积极性考虑,建立可靠的路基工程冻土热环境评价方法和合理准确的路基温度场计算模型对指导寒区工程建设有重要意义。本文从冻土介质热质耦合输运过程的机理及理论模型、温度场相关问题的计算方法及工程应用等几个方面简要综述了近年来国内外有关多年冻土地区路基工程与冻土间相互作用问题的研究现状和进展。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验及THM耦合冻胀模型

为研究寒区岩石在梯度温度场中补水条件下的冻胀变形规律,进行了单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验。试验结果表明,单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀过程中,沿冻结方向的冻胀位移变化过程可分为冷缩阶段、原位冻胀阶段、分凝冻胀阶段3个阶段。分凝冻胀阶段冻结锋面趋于稳定,冻胀变形持续增长,与时间基本呈线性关系。此外,分凝冻胀阶段补水量换算的迁移水分凝冻胀位移与冻结方向冻胀位移比较接近。随着平均温度梯度增大,分凝冻胀变形速率增大,且分凝冰位置与平均温度梯度线性相关。然后,建立了考虑孔隙水原位冻胀与迁移水分凝冻胀的THM耦合冻胀模型。模型中,孔隙水原位冻胀计算基于未冻水含量,并引入约束系数表征岩石骨架对孔隙水冻胀约束程度;迁移水分凝冻胀计算基于分凝势理论,水分迁移速率与冻结缘处的温度梯度成正比。模型计算结果与试验结果对比表明,建立的THM耦合冻胀模型能够比较准确地计算单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀位移,并能够模拟出分凝冻胀时分凝冰层引起的位移突变及分凝冰位置,可用于寒区冻胀敏感性岩石开放条件下冻胀变形计算。     

交叠车站下穿段MJS+水平冻结冻胀位移场研究

交叠车站下穿段隧道进行开挖前首先要进行加固处理,以南京新建地铁7号线下穿既有10号线中胜站工程项目为背景,为控制施工引起既有运营车站的变形,采用MJS+水平冻结法联合加固方案。为掌握MJS+水平冻结联合加固的冻胀变形、冻胀位移场发展规律及其影响因素,进行冻胀位移场数值模拟。研究结果表明：在积极冻结过程中,“山”字形水泥土加固区内部及其左右两侧产生向上的变形,底部则产生向下的变形;水泥土加固区变形相比内外侧砂土变形较小,水泥土对抑制冻胀作用效果明显;地层初始温度越低,冻胀变形影响范围越广,变形值越大,在冻结40 d、地层初始温度为18℃时,既有车站底板在距中轴线水平距离12 m处产生最大冻胀变形,为6.97 mm,小于允许冻胀变形10 mm;在相同地层初始温度下,盐水温度越低,隧道埋深越浅,冻土帷幕越厚,冻胀产生的变形越大,实际工程中可通过优化盐水降温计划抑制冻胀变形以减小对周边环境的影响。研究结果可为相似工程提供设计参考理论依据。     

土体冻胀敏感性评价

 假定冻胀是由冻土内冰透镜体的生长引起的;冰透镜体的生长由热力学Clapeyron方程控制,并且依赖于已冻结区与未冻结区之间冻结缘是否存在。未冻水和冰共存于冻结缘的孔隙中;冰水交界面处的吸力使水产生流动,并为冰透镜体的生长补给水分。同时,通过定义1个新的简单的“有效应力”的概念,来判断是否会萌生新的冰透镜体,并提出1个简单的冻胀模型。该模型仅通过几个简单的土的参数,就可以计算土体冻胀量及冻结深度。在此基础上,利用所建立的模型对不同土的冻胀敏感性进行分析。土的冻胀敏感性必须结合环境条件来评估,如上覆压力、温度梯度、降温速率及地下水位埋深等;而某些土在传统的分类中属于弱冻胀土,但在一定环境条件下,仍会产生显著的冻胀量或冻胀压力。     

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.     

多年冻土区斜坡地带锥柱基础初始回冻过程模型试验

青海—西藏±400 kV直流联网工程沿线穿越多年冻土区565 km,其塔基将不可避免地遇到大量的冻土工程地质问题。锥柱型基础具有承载能力强并可消减切向冻胀力的特点,因而成为该条线路多年冻土区杆塔基础的主要形式。本文以青藏±400 kV直流联网工程为背景,对多年冻土地区斜坡地带锥柱型基础在回冻过程中的稳定性开展研究。主要通过相似比为1∶10的室内模型试验,监测地基土回冻过程中基础所受的冻胀应力,以及基础位移在水平与垂直方向的变化规律,并基于试验结果和研究现状对工程设计、施工与维护提出建议。试验结果显示：在冻结过程中随着地基土温度的降低冻胀力逐渐增大,基础顶部的水平冻胀力最大达到130 kPa,基础底部的法向冻胀力最大可达80 kPa。冻结过程中基础有冻拔现象,最大为5.5 mm。试验中基础顶部的水平位移最大达到3.8 mm。     

深基坑支护体系冻胀变形及控制三维数值分析

针对季节冻土区越冬深基坑工程,着重分析由于土体冻胀而导致的支护结构异常变形问题,基于哈尔滨地铁3号线某车站深基坑工程实例,利用ABAQUS有限元分析软件建立基坑的三维有限元模型,模拟其开挖施工的全过程,并将分析结果与实际监测数据进行对比,验证了模型的合理性;使用FORTRAN语言对ABAQUS软件进行二次开发,建立土体的冻胀与温度场之间的函数关系,模拟了深基坑越冬过程中由于外界温度改变而导致的基坑土体冻胀变形、围护结构位移及内支撑轴力变化。提出了在基坑侧壁贴设保温板以控制土体冻胀的防护措施,并以墙身位移和内支撑轴力为指标分析不同厚度的防火型XPS板对基坑保温效果的影响,最后给出了贴设保温板的经济厚度,为今后类似工程提供了参考。     

季节冻土区路基冻胀分析及防治措施

针对季节性冻土区路基工程冻胀使路基产生不均匀变形,影响客运专线正常运营的情况,通过对影响路基冻胀性主要因素的分析,提出了防治冻胀的具体工程措施,取得了较好的防冻胀效果。     

隧道冻结法施工引起地表冻胀预测模型的参数敏感性分析

隧道水平冻结施工过程中,土层冻结体积膨胀,引起地面上升和变形,过量的变形会对周围地表建筑物产生危害。本文结合工程实例,验证了冻结壁交圈后隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型的可靠性。通过参数敏感性分析得到了反映冻结温度场发展速度的常数A对地表冻胀位移的敏感性最强,而冻结管布圈半径Rd对地表冻胀位移的敏感性最弱,土体冻胀率的变化率可近似反映地表垂直冻胀位移的变化率。本文的研究成果可为今后水平冻结法的设计和施工提供参考依据。