冻结加固盾构端头土体温度场数值分析

在人工冻结加固盾构到达端头土体施工过程中,土体温度是关系到冻土帷幕发展情况以及确定盾构机推进时机的重要参数。以南京地铁二号线集庆门车站北端头盾构进洞冻结加固工程为背景,利用大型有限元数值分析软件建立数学模型对冻结和自然解冻温度场进行计算,研究了多圈水平冻结条件下温度空间分布及温度随时间变化规律,并对左线开挖后垂直冻结管停冻和不停冻两种方案对温度场的影响进行对比,研究表明:采用多圈水平冻结并合理布置冻结圈径可以显著加快冻结壁的形成,从而缩短工期;自然解冻时存在两个解冻锋面,其中管片散热对解冻影响较大;自然解冻时温度上升速率先快后慢,而解冻锋面推进速度则越来越快;在左线开挖后可以停止左、右线洞门之间垂直冻结管的冷媒循环,同样能够保证右线冻结壁厚度达到设计要求。     

岭下隧道联络通道冻结法施工力学模拟分析

对淮南高速岭下隧道联络通道进行施工力学模拟分析的基础上对冻土帷幕的变形及应力分布情况进行了详细的分析。采用大型有限差分软件FLAC3D,对联络通道的开挖过程进行了数值模拟,从数值分析的角度对冻土帷幕的应力与变形进行了分析和安全评价,详细研究了冻土帷幕中应力与位移的分布情况,确定了冻土帷幕的厚度设计值,并指出了容易产生应力集中的位置为冻土帷幕与隧道接触部位,由于该部位在冻结过程中散热快、冻结效果差,所以施工中应该值得注意,同时也为今后的联络通道数值模拟与人工冻结法施工提供了参考。     

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。     

海底盾构修复冻结加固技术

在海底故障盾构修复施工中,在盾构切口前方采用双排冻结管和盾构两侧的辅助冻结管进行垂直局部冻结加固土体,使盾构前方形成罩形冻土帷幕,将切口端的漏水通道冻结封闭,为隧道清泥排水和盾构修复提供保障。考虑到海水含盐具有冻土帷幕厚度减小、冻土强度下降等对冻结的不利影响,对冻结方案进行了专门设计与冻结及施工过程的实测研究。通过对冻土温度监测数据的计算和分析,表明罩形冻土帷幕在海底盾构修复中取得了良好效果,验证了该冻结方案在海底盾构隧道修复中的可行性。     

常州砂性地层联络通道解冻规律研究

人工冻结联络通道施工常采用跟踪注浆解决软弱地层工后融沉问题,为此必须掌握解冻温度场的变化规律。以常州市轨道交通1号线某隧道联络通道冻结法施工为背景,将冻结阶段现场实测与温度场数值模拟进行对比,验证数值模拟方法正确性,并通过数值模拟对自然解冻与强制解冻规律进行分析。结果表明,60 ℃~90 ℃循环热水强制解冻周期为33.5~22 d,较自然解冻周期的160 d缩短了5~7倍,不同温度的强制解冻解冻周期大致呈线性变化。强制解冻完成次序依次为上部结构、冻结管内侧土体、冻结管外侧土体、集水井底部。冻结壁厚度不同工程可采用不同温度热水循环进行强制解冻,冻结壁厚度较薄时可适当降低热水温度;强制解冻融沉注浆前期应将重点放在联络通道上部结构侧边及顶部,后期应将重点放在底部。     

圆形深基坑中人工冻土帷幕力学性能研究

采用理论分析、数值模拟和物理模拟试验相结合的综合研究方法,对圆形深基坑中人工冻土帷幕的力学性能进行研究和探讨,为冻结法应用于深基坑支护工程提供理论依据。通过理论分析,证实圆形冻土帷幕嵌固深度和帷幕厚度的综合确定方法在大直径深基坑工程力学设计中是适用的。 首先通过基坑抗隆起稳定计算确定冻土帷幕最小嵌固深度;然后通过抗滑动稳定、整体稳定和管涌等稳定性验算,作为帷幕嵌固深度的最终设计值;最后考虑冻土帷幕受均匀外载和不均匀外载,经过基坑整体稳定性验算,根据强度条件计算出的帷幕厚度作为帷幕厚度的最终设计值。利用理论分析和数值模拟计算,对深大圆形基坑非嵌岩条件下的冻土帷幕水平变形、坑底隆起变形和基坑周围地表沉降等基坑变形问题进行研究,提出了帷幕水平位移、坑底隆起变形和地表沉降的计算方法和计算公式,获得坑底最大隆起量、地表最大沉降量与冻土帷幕水平位移极值之间的近似比例关系,并且分析基坑周围各种建（构）筑物的安全范围,提出控制坑底隆起和周围地表沉降的安全技术措施。 研究结果表明： （1）基坑底部土体的隆起变形特征受冻土帷幕强度、厚度、基坑开挖半径和开挖深度的影响不明显,只是在量值上有所变化,在相同条件下,帷幕最大隆起量约为帷幕最大水平位移的5.2～7.8倍。 （2）基坑周围地表沉降量随基坑开挖半径和开挖深度的增大而增大,随冻土帷幕平均温度的降低而减小。 （3）基坑周围地表最大沉降量约在相同条件下冻土帷幕最大水平位移量24%～30%。利用自行设计加工的大型深基坑冻结模拟试验台,进行大直径圆形冻土帷幕受力与变形的物理模拟试验,获得深基坑开挖过程中圆形冻土帷幕水平位移随基坑开挖深度、开挖半径和冻土平均温度等影响因素的变化规律和冻土的蠕变规律。 试验结果同时表明： （1）冻土帷幕水平位移随基坑开挖深度和开挖半径的增大而增大,随冻土的平均温度降低而减小; （2）冻土帷幕最大水平位移位置均出现在开挖面以下,一般出现在帷幕全深的0.7～0.8倍深度范围内; （3）基坑开挖结束时,冻土帷幕内靠近冻结管断面的水平位移与内侧面水平位移之差仅有10.6%,明显不同于矿山凿井工程中的冻结壁变形规律。     

盾构尾刷冻结法更换的温度场数值分析

 对上海长江隧道长距离盾构掘进中盾尾刷更换预案的冻结法施工温度场进行三维有限元数值分析,对此特殊冻结法的可行性和可靠性进行论证。根据冻结法盾尾刷更换方案,依照实际工程的地质条件、盾构和管片结构以及密封油脂等相关介质的热物理性质,考虑盾尾刷更换的具体工艺,采用ANSYS软件对盾尾刷更换施工过程进行温度场数值计算,在此基础上对冻土帷幕的发展、厚度变化和封闭性进行分析。结果表明,开始冻结后在盾尾可以很快形成封闭的环形冻土帷幕并稳定发展,拆卸临时管片进行盾尾刷更换过程中,冻土帷幕略有弱化但很快转入继续增长并进入稳定的安全状态,论证设计的冻结法盾尾刷更换方法的可行性和可靠性。     

地铁联络通道软土地层冻结法施工的FLAC三维数值模拟

通过数值分析对上海轨道交通13号线世博园站至长清路站专用交通联络线工程盾构井与13号线右线区间之间进行联络通道的开挖进行模拟.联络线盾构井为明挖法施工法施工,采用地下连续墙为围护结构;联络通道开挖采用水平冻结法加固地层,为确保开挖过程冻结壁的安全性,采用三维有限差分法FLAC3D,对整个施工过程进行了数值模拟.分析冻土壁的开挖过程中应力变化和土体位移,并对冻结施工的安全性进行了分析,提出了相应的施工指导建议.     

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。     

水平冻土帷幕中隧道对接开挖数值模拟研究

针对上海市轨道交通4号线隧道修复工程实例,在土体二次冻结的试验数据基础上,建立了水平冻土帷幕保护下隧道开挖施工的三维数值模型,模拟了不同工况下修复好隧道与完好隧道对接隧道开挖施工过程,对水平冻土帷幕保护下隧道开挖施工进行了数值分析,其结果有助于了解隧道开挖施工过程中冻土帷幕的变形与应力分布规律。     

地铁双线隧道水平冻结位移场的模型试验

 针对地铁双线隧道水平冻结工程,基于相似理论,建立一套完整的物理模型试验系统。在保证冻结壁强度相似前提下,重点对双线隧道冻结暗挖过程中的冻胀和融沉位移场进行试验研究。试验结果表明,冻结壁的交圈时间与土层冻胀位移规律有着密切联系,先行冻结的上行线隧道由于水分迁移现象较强,使得土层冻胀位移相对较大。试验对比分析冻结壁2种不同解冻方式,发现冻结壁强制解冻条件下土层融沉现象较弱,强制解冻条件下近地表土层融沉位移仅为自然解冻条件下近地表土层融沉位移的47%,说明采用强制解冻方式可减小土层融沉。     

冻融环境中饱和岩石的热量传递与温度平衡规律

 冻融环境中温度是岩石性态变化的关键影响指标之一,而冻融试验中岩石的热量传递和温度变化规律国内和国际都未形成统一认识。为探究岩石在冻融环境中的热量传递和温度变化规律,利用室内试验和数值计算方法分别研究冻结和融化过程中试样温度平衡的过程和时程规律。利用3种岩石进行饱和态的冻融循环试验,试样中心温度监测表明,冻结和融化过程的试样温度均存在显著的3段式变化特征,其中相变过程是一个较为特殊和重要的阶段,相变温度均在0 ℃～－1 ℃范围。随着试验温度区间增大,冻结和融化各阶段时长显现出不同规律,冻结过程总时间逐渐降低,而融化过程总时间先降低后升高。基于第3类热传导边界条件,利用Comsol Multiphysics有限元数值计算平台,分析考虑相变阶段的冻结和融化过程,数值计算结果与试验结果吻合较好。数值计算结果显示,试样不同位置的冻结与融化特征主要体现在相变阶段差异,而试样孔隙率对该阶段的影响最大,剩余温度势造成对称温度区间和非对称温度区间的冻结、融化特征的显著差异。     

基于地质雷达法探测冻结帷幕研究

人工冻结法的冻结帷幕直接关系到地下施工的环境安全,现阶段对于冻结帷幕形成与否的判定仅仅通过有限的测温孔和压力孔数据,常造成判定不准、开挖后透水无法施工、需二次冻结的情况发生.为了高效准确地探测冻结帷幕的性态,本文通过地质雷达法进行冻结帷幕的探测试验.在实际物理探测前,采用数值模拟进行可行性分析,数值模拟结果表明,地质雷...     

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。     

水泥改良土地层联络通道冻结温度场分析

地铁工程联络通道施工中,人工冻结加固土层的温度场研究目前大部分还是集中在天然土层方面,对水泥改良土地层中冻结温度场的发展与特性研究较少。文章系统研究水泥改良对联络通道地层冻结温度场的影响,建立联络通道冻结开挖三维数值模型,考虑导热系数、比热容、相变潜热等影响因素,综合实测数据以及试验,对天然土层以及水泥改良土层中冻结温度场的发展和分布规律进行分析,研究结果表明:相比于天然淤泥质土地层,水泥改良土冻结温度场发展速度更快,但冻结效应稍差,积极冻结期的前33d,冻结温度场发展较为迅速,相邻冻结锋面相交后,温度场发展速度开始下降。水泥改良后,土层冻结温度场的发展对导热系数的变化最为敏感,比热容的变化次之,相变潜热变化的影响十分微小。研究成果表明:人工冻结配合水泥改良对淤泥质土地层具有显著的加固效果。     

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。     

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。     

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.     

多年冻土区管桩基础抗拔承载性能试验研究

以青藏直流联网工程为背景,进行上拔和水平力组合荷载作用下管桩基础抗拔承载性能真型载荷试验。结果表明:冻结期冻土地基整体处于冻结状态,地基回冻情况良好;融化期最大融化深度与地基多年冻土上限较吻合,多年冻土层无明显退化迹象。上拔加载过程桩底接触土压力减小,冻结期活动层范围内桩侧土压力明显增大,融化期活动层范围内桩侧土压力大大减小,其余位置土压力变化不明显。冻结期基础位移量显著低于融化期,冻结期抗拔及水平承载力高于融化期,上拔承载力高于水平承载力;上拔荷载与位移关系可采用幂函数模型进行预测。试验所得基础抗拔承载力与规范法计算结果比较吻合,表明冻土地区桩基础抗拔承载力规范计算方法是可靠的。