冻结管引起的周围土体温度场演变规律及参数化分析

针对稳定线性冷源热传导问题,为研究人工冻结法冻结管周围土体温度场的瞬态变化,基于冻结锋面将土体分为冻结区及降温区,构建相应人工冻结相变温度场模型,并采用变量替换法得到冻结温度场解析解,利用指数积分函数解析式表达了冻结区和未冻结区的温度场分布。将理论解析计算结果与冻结槽试验结果进行比对,验证了理论封闭解的有效可靠性,并进一步通过参数化分析了与土体传热介质冻结温度场演变规律有关的初始温度、冻结温度、冻结温差、结冰潜热、盐水温度和冻结管吸热系数等影响因素的敏感性。结果表明:冻结锋面半径与冻结时间存在着平方根关系,冻结温度场呈对数型函数分布,且曲线曲率随冻结时间的增加而逐渐减小;土体初始温度、冻结温度、结冰潜能和盐水温度与冻结锋面半径均呈负相关,冻结管吸热系数与冻结锋面半径呈正相关;土体冻结温差、土体结冰潜能和冻结管吸热系数与土体冻结锋面半径的发展均呈现近似线性关系,传热介质初始温度和盐水温度对冻结锋面半径随冻结时间变化的对数型曲线曲率影响最大,结冰潜热和冻结管吸热系数次之,冻结温度最小。研究成果对认识稳定线性冷源作用下冻结管周围不良地基土温度场演变规律和进一步形成规范及指导冻结法施工技术具有重要意义。     

人工冻土多圈管冻融全过程温度场模型试验研究

为掌握多圈管冻结壁温度场形成及融化规律,进行了人工冻土多圈管冻融全过程模型试验研究。试验结果表明：冻结与融化过程中的土体温度快速变化速率相当;融化阶段,土体温度在相变点处需要保持一个相对稳定的长时间过程;融化过程中冻结壁温度沿径向方向整体呈规则的二次抛物曲线分布,冻结壁平均温度随时间变化的关系可以用幂函数来表示;在冻结91.7 h的前提下,得到冻结壁融冻时间比介于1.47~2.04之间。试验结果为井筒冻结设计、壁间注浆最佳时间选取提供了理论依据。     

补水条件下路基土体冻结过程中的温湿度分布研究

季节冻土区路基土中的水热迁移往往导致道路病害。为进一步研究季节冻土区路基土体在冻结过程中温度和水分的变化规律,建立开放系统条件下的土体水－热耦合理论模型,然后利用有限元软件进行求解,并借助补水条件下的单向冻结试验对模型的准确性进行验证。结果表明:土体冻结期间,沿试样高度方向的温度分布呈现由非线性分布向线性分布过渡趋势,未冻区水分在温度梯度作用下向冻结区迁移,并在冻结锋面处含水率发生突变;建立的开放系统条件下的土体水－热耦合理论模型能够较好地预测土体冻结过程中的温度和水分变化。     

单向冻结条件下硫酸钠盐渍土的冻结温度试验研究

硫酸钠盐渍土具有明显的随季节温度变化而发生土体结构改变的特性，给工程造成较大危害。为了研究单向冻结条件下硫酸钠盐渍土的冻结温度特性，在室内配制初始含水率分别为15%、17%、19%、21%,含盐量分别为0%、1%、2%、3%、5%的硫酸盐渍土试样，采用可控温冰柜进行单向冻结试验。结果表明：(1)同一土体，不同位置处冻结温度相同，但达到冻结温度所需时间存在略微差异。(2)初始含水率和含盐量对硫酸钠盐渍土冻结温度有很大的影响，当硫酸钠含盐量为1%和2%时，冻结温度随初始含水率的增加呈“先陡后缓”型变化趋势，并在最优初始含水率时达到最大值，之后冻结温度随初始含水率变化曲线趋于平缓；当含盐量较高(5%)时，冻结温度随初始含水率增加近似呈线性增加趋势。(3)硫酸钠盐渍土冻结温度随含盐量的增加而降低，且盐量为1%～2%时，不同初始含水率土体冻结温度及达到冻结温度所需时间随含盐量均呈“归一性”变化趋势。在计算硫酸钠盐渍土冻结温度时，应将硫酸钠溶液视为非理想稀溶液。在同一初始含水率条件下，对硫酸钠含盐量与冻结温度按三次多项式进行拟合吻合度较高。该研究成果可为硫酸盐渍土地区工程建设提供参考。     

单向冻结作用下非饱和土水分迁移对变化控制条件的响应

应用室内土柱试验装置，开展非饱和土室内单向冻结试验，研究土样水分迁移对不同冻结温度、初始含水率、土密度、冻结时间、溶质浓度以及溶质种类条件的响应。结果表明：(1)土样的温度场分为3个阶段：急剧降温阶段、缓慢降温阶段和稳定阶段，土样在冻结100h后，土样温度场处于稳定；(2)土样中，水分迁移量随着冻结温度的降低而减小，随着冻结深度的增加，土样含水量呈先增加后减小的趋势；初始含水量对冻结土样含水量的变化有影响，但对冻结位置变化不明显；在冻结深度30cm前，土密度越大，含水量越高，此后土密度越大，土颗粒间越密实，水分迁移能力减弱，水分迁移量减少；冻结时间越长，土样水分迁移曲线越平缓，随着冻结速率的增大，水分迁移出现先增大后减小的趋势；(3)溶质浓度越大，土样渗透系数越大，土粒孔隙越大，水分迁移量越大；NaCl比CaCl₂的水分运移能力强，CaCl₂对水分运移起阻滞作用，水分堆积在土样中最多，含水量要高。     

冻结工法在富集海水地层下地铁联络通道施工中的应用研究

海水成分复杂致使海域地层冻土力学特性及温度变化规律不同于淡水地层。基于海下隧道的修建逐渐增多且冻结法在海域环境中的应用少，开展了海域复杂环境下联络通道冻结施工温度场变化规律研究。依托国内首条海底地铁隧道———厦门轨道交通２号线，研究富集海水地层下地铁联络通道施工技术，通过对比分析了不同位置、不同深度测温孔温度分布特征，确定了“喇叭口”位置受隧道内部环境影响的范围，冻结帷幕内、外侧边缘冻结发展特点；对比深、浅测温孔数据表明泵站处冻结帷幕边缘温度沿冻结管轴向呈“Ｗ”形状分布，指出了可能存在包括两侧“喇叭口”和泵站位置中部在内的３处主要冻结薄弱区；对比分析了积极冻结期间３次不同时段、不同持续时间长度盐水温度回升对冻结加固效果的影响情况。研究成果揭示了海底隧道联络通道冻结温度场变化规律，对今后海底冻结施工具有重要的借鉴意义。     

寒区引水隧洞低温相变温度场-渗流场耦合模型及其数值模拟研究

针对寒区引水隧洞围岩冻胀的多场耦合问题,考虑低温相变对岩体温度场和渗流场的影响,结合低温冻结条件下围岩的温度场-渗流场耦合模型,采用有限元法对新疆某电站引水隧洞工程围岩的冻结过程进行分析,研究低温相变条件下隧洞围岩温度场和渗流特性的变化规律。研究结果表明:在长期的冻结过程中,围岩内部形成了冻结区与未冻结区;随着冻结时间的持续,冻结锋面向围岩内部推移,岩体冻结深度和冻结范围不断增大。含水岩体在冻结过程中,水分由未冻结区向冻结区迁移,其渗流速度在冻结缘处达到最大,为1.359×10~(-4)m/s,在未冻结区渗流速度较小,为4.1×10~(-6)m/s。     

引洮7~#隧洞TBM卡机脱困冻结施工热固耦合分析

基于考虑相变的热固耦合理论,以引洮7#隧洞TBM卡机脱困施工为背景,运用大型有限元分析软件ANSYS14.0对该TBM脱困过程的冻结施工进行模拟,研究了先竖直冻结、后水平冻结条件下温度场的形成过程,以及在温度应力和重力共同作用下实施脱困后关键点的位移变化。结合现场监测数据,分析了冻土帷幕形成过程中关键点处温度变化规律。结果表明:冻结锋面在水平冻结进行约35 d首次相交,再经过30 d积极冻结后,冻结帷幕达到2.7 m的设计厚度。在冷媒温度保持-21℃左右的条件下,进行65 d的维护冻结后即可进行脱困作业。开挖后55 d,洞身断面顶拱、底拱、侧拱均发生不同程度的变形,变形量在10-4m数量级,属极小变形,说明冻结施工有效地抑制了地层变形,但要使冻结强度达到设计标准,必须严格控制冻结时间和冷媒温度。本工程的工程实践为类似工程提供借鉴。     

冻结黄土三轴蠕变特性

通过不同温度作用下冻结黄土的蠕变试验,得到了轴向应变、体应变随时间的变化关系。结果表明:当应力水平较低时,冻结黄土发生衰减型蠕变,轴向应变速率随时间延长逐渐降低,体积表现为体缩,体应变与时间大致呈线性关系,径向应变速率在零附近波动,最终趋于零;当应力水平较高时,冻结黄土发生非衰减型蠕变,轴向应变速率随时间延长呈U形曲线变化。各个蠕变阶段轴向应变速率的大小和所占时间的长短与应力水平相关,体积表现为体胀,在蠕变非稳定和稳定阶段,体积随时间延长呈线性膨胀,进入加速阶段后,体积随时间延长加速膨胀,体应变随轴向应变线性增大;径向应变速率在蠕变前两个阶段数值较小,数值在负值处动态波动,进入加速蠕变阶段后,径向应变速率加速增大,试样鼓曲破坏。最后,从蠕变速率的角度提出用蠕变速率法确定长期强度。     

地铁隧道局部冻结方案设计及参数分析

为了研究地铁隧道冻结工程中的冻结管形式选择和地表冻胀量控制问题,依托广州市轨道交通13号线北延线机场区间隧道冻结工程,采用了室内试验、现场实测、数值计算的方法,对保温工艺、形式和冻结孔间距、保温段长度、冻结时间对地表冻胀量的影响进行了研究。研究结果表明:冻结管采用保温材料隔热方式可有效实现局部冻结,但施工时保温材料需进行防水处理,防止因地下水进入保温材料造成导热系数增加;地表冻胀量与保温长度呈线性反比关系,且随孔间距的增大比例系数逐步减小,随冻结时间延长增大。根据实测数据、计算得到了适用于本工程工况的冻胀量预测公式;结合工程现场条件,分析了制冷能耗和冻胀量与孔间距的关系,提出了在保证地表冻胀量的前提下,尽量减少冻结孔间距达到缩减工期、能耗的目的。     

地下水含盐量对人工冻结效果影响分析

目前对于人工冻结法的研究主要集中在地下水渗流对冻结效果的影响,未考虑地下水含盐量的影响,对地下水含盐量对冻结效果的影响机制认识不深入。含盐量将会影响地下水的热力学性质,在近海地层和海底进行临时地层冻结加固时,高含盐量地下水将会影响地层冻结效果。基于热流耦合模型,采用COMSOL多场耦合分析软件对双管冻结条件下高含盐量地下水冻结机理展开研究,重点分析冻结温度场、冻结交圈、冻结管间距对冻结效果的影响。研究表明:当地下水含盐量高于4%时,下游的冻结范围受地下水含盐量增加的影响较大。随着地下水含盐量的增加,冻结前期用时较长,积极冻结阶段用时逐渐缩短;当冻结壁完全交圈并冻结完全时,冻结壁中心位置处温度随地下水含盐量的提高而有所升高;冻结管间距的增加将会放大地下水含盐量对冻结的影响。     

季节冻结深度自动监测技术试验

通过测试土样初始冻结温度,建立野外现场温度自动化远程实时监测系统,利用初始冻结温度等温线深度代替冻结锋面,计算季节冻土层厚度,为冻土学冻结深度观测自动化提供依据。试验结果表明:冻结过程相关系数为0.97,融化过程相关系数为0.98,整个冻融过程相关系数为0.98;用温度场冻结点等温线观测冻深的方案是可行的,可以实现冻融过程自动化实时监测,且观测精度较高。     

早期受冻对混凝土耐久性劣化的影响研究

在寒冷地区的混凝土建筑物常常因早期受冻导致耐久性的劣化,且劣化程度难以测定,故通过实验探究不同受冻温度和不同养护龄期对早期受冻混凝土耐久性劣化的影响。从受冻温度和养护龄期两个角度进行分组试验。通过测量质量损失率、动弹性模量和抗压强度来反映耐久性劣化程度。结果表明:养护龄期是混凝土耐久性的主要影响因素,终凝前受冻的混凝土耐久性劣化程度高于终凝后受冻的混凝土。受冻温度的影响较小,总体呈现温度越低劣化程度越高。建立了函数模型并用试验数据进行验证,证明相对动弹性模量与抗压强度损失率相关,可通过测量相对动弹性模量来推测抗压强度损失情况。相关研究可为寒冷地区混凝土建筑物更新维护与改造工程提供理论依据。     

盐冻作用下水工混凝土强度演化模型

寒区盐湖、盐渍土地区水工混凝土结构强度劣化问题突出。基于各向同性连续损伤力学理论,建立了混凝土相对动弹性模量与相对抗压强度的定量关系,提出了硫酸盐侵蚀和冻融协同作用下水工混凝土强度演化模型,并进行模型验证,最后将模型应用于引大入秦庄浪河渡槽结构性能评估。结果表明：该模型能较好地反映受盐冻侵蚀作用下混凝土强度的变化规律;渡槽数值计算结果与运行状况相符,随盐冻侵蚀劣化时间增长,槽身最大压应力和最大位移增加,最大拉应力减小;盐冻协同作用会加快渡槽劣化速率,渡槽运行59.1 a后会发生破坏。研究结果可为寒旱地区受盐冻侵蚀水工混凝土性能评估和运行维护提供理论依据。     

基于广义开尔文模型的冻结壁和井壁共同作用下冻结压力解析解

冻结压力大小是深厚冲积层冻结法凿井外层井壁结构设计计算的重要依据。在冻土单轴蠕变试验基础上,采用广义开尔文流变模型,以及弹性-黏弹性对应原理,建立冻结壁位移场黏弹性方程;然后考虑冻结壁与外层井壁及外围未冻土体的相互作用,推导出了作用于外层井壁上的冻结压力的数学表达式。计算结果表明:在外层井壁砌筑后的前10 d,冻结压力的理论公式计算值与实测结果平均值相差较大,约0.5 MPa;在20 d后,冻结压力趋于稳定,两者差值的绝对值在0.2 MPa以内。总之,冻结压力的理论计算值与实测结果的偏差绝对值在10%以内。因此冻结压力的理论计算公式是比较符合实际的,此公式可为冻结井的外层井壁结构设计提供依据。     

冻融作用下粉煤灰引气混凝土动弹性模量的衰减规律研究

针对我国西北寒旱区水工混凝土结构长期遭受冻融循环作用导致耐久性能衰减的问题,以研究冻融作用下混凝土力学性能变化规律为目标,依据实际工程,采用室内加速试验与理论分析方法,以试块相对动弹性模量为评价指标,研究了混凝土水胶比、粉煤灰掺量、引气剂掺量及冻融循环次数对混凝土耐久性衰减的影响规律,采用回归分析法建立了混凝土动弹性模量损失的衰减模型,并基于该模型构建冻融循环作用下混凝土的寿命预测模型。结果表明:以初始动弹性模量的60%(2.424×10~4MPa)为破坏条件,甘肃省景泰川提灌工程二期总干渠5#渡槽的混凝土能经历1 502次快速冻融循环,渡槽材料耐久性安全运行年限为153年。研究成果为冻融环境下混凝土结构的寿命预测提供了参考和依据。     

考虑多地层相变的地铁联络通道三维冻结温度场数值模拟

地铁联络通道冻结法施工地层一般为多地层,各地层相变潜热具有差异性,尤其是富水卵砾石层差异较大,目前分析普遍考虑单一地层或极少数地层相变潜热,难以反映真实情况。依托南宁地铁联络通道冻结法施工工程,建立三维瞬态导热模型,并考虑多地层相变潜热,对联络通道的冻结温度场进行探究。结果表明,积极冻结约20 d,冻结圆柱逐渐增加并开始交圈;冻结43.22 d后,冻结帷幕的平均温度下降至-10℃以下。现场温度实测值与数值模拟结果温降趋势基本一致,与模型试验相差较远。     

齐齐哈尔地区粉质黏土冻胀特性试验研究

黑龙江省受寒冬负温影响,容易引起渠道渗漏、地基下陷、轨道不顺等问题,这增加了工程建设难度。为解决实际问题,以齐齐哈尔地区粉质黏土为研究对象,进行封闭系统下的人工冻结试验,对冻胀试验数据进行分析,研究不同含水率、干密度、冷端温度及冻结速率条件下土体的冻结过程及冻胀率的变化规律。试验结果表明:冻胀率在含水率高、干密度大、冷端温度低、冻结速率低的条件下,土体冻胀现象更为显著,且冻胀率与4个因素相关性较好。冻胀正交分析结果表明:冷端温度对冻胀率的影响程度最弱,干密度较强,含水率的影响最为剧烈。采用SPSS统计分析软件,建立含水率、干密度和冷端温度三因素综合影响下的冻胀率多元线性回归模型,模型拟合效果好、可信度高、精度高,满足实际需求,操作简便,可用于粉质黏土的相关计算和预测。     

基于温度场分析的新型水下清淤装置数值研究

为了解新型水下清淤取样冻结装置在施工过程中的温度场发展变化规律,以及最终冻结效果的可靠性,采用有限元分析软件建立温度场数值模型,模拟水下清淤装置在冻结过程中的温度场发展动态变化过程,得到最终数值计算的温度场云图及等温线图。主要得到以下结论:积极冻结10 d可使-1℃等温线基本完成交圈,积极冻结20 d可使-10℃等温线完成交圈,此后冻土帷幕的发展速度减缓,冻土区域趋于平滑。通过分析设置在冻结装置上的5条观测路径及测温点,得到结论如下:积极冻结30 d后即可达到清淤所需强度,此时,各路径上的观测点温度均已达到-10℃以下,可以保证冻结效果的可靠性。清淤装置的冻结管排布方式对温度场发展会有较大的影响,顶部冻结板会影响温度场垂直方向的发展,其影响范围约为1.5 m。以上研究结果有助于对日后的工程实践提供相应的指导和帮助。