渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场影响的数值模拟

地下水含盐量不同会影响土体的热力学性质,探究渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场的影响,可为市政地下工程、矿井工程、海底隧道建设等提供科学依据。运用COMSOL水热耦合模块对含盐量不同的地下水基坑坑底冻结温度场发展规律进行研究,通过对比冻结壁的厚度和路径分析得到渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场的影响规律。研究结果表明：当地下水含盐量>3%时,渗流对基坑坑底冻结帷幕的形成影响较大,相较于上游,下游区域受到的影响更明显;随着地下水含盐量的增加,积极冻结40 d后冻结帷幕温度逐渐升高,降温速率逐渐减慢,形成的冻结帷幕厚度也逐渐变薄,含盐量越高,冻结效果越差,降温速率越慢。     

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。     

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。     

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。     

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。     

卸压孔设置对冻结暗挖隧道冻胀卸荷影响研究

冻结法暗挖隧道施工中,冻胀常导致土体和隧道等发生大变形,给地铁隧道和周边环境以及建(构)筑物带来不利影响。以福州市滨海软土地层冻结暗挖隧道工程为例,通过对原型工程建模和非线性分析,综合实测数据及工程情况,分析冻胀变形分布规律和设置卸压孔前后冻结暗挖隧道的位移变化特点。研究结果表明：人工冻结加固技术结合卸压孔应用,对土体冻胀力的释放和冻胀变形的控制效果较好,与没有设置卸压孔时的地层相比,卸压孔在冻土帷幕冻结交圈形成后,为土体冻胀提供自由变形空间,降低了土体的冻胀位移和冻胀应力;冻结期末2个冻结暗挖隧道中心点纵向剖面处冻胀位移最大值由28.88 mm降至16.75 mm,冻胀应力最大值由335 kPa降至265 kPa,卸压作用效果明显。研究结果可为人工冻结暗挖隧道工程提供借鉴和参考。     

深埋水工隧洞水平冻结施工关键技术研究

引洮供水一期工程总干渠7号隧洞中下游两段总长78.65 m、埋深135.0～206.0 m洞段穿越新近系含水疏松粉(细)砂极软岩地层,采用"洞内水平冻结法"掘进。为掌握深埋地层冻结设计与施工技术,结合工程实践,对极软岩工程地质特性,以及"水平冻结法"设计、温度场、制冷系统与施工等关键技术进行了研究。冻结壁厚不小于2.0 m,均温-10℃,冻结孔35～40 d交圈,积极冻结时间40～50 d,循环盐水温度-28℃。圆形断面双圈发散布设冻结孔,类马蹄形断面洞段三循环冻结,掌子面及后方加强2个冻结孔布孔断面,掌子面双圈孔,内圈类马蹄形水平布孔,外圈及单圈加强断面发散布孔,圆形开孔,前方远端类马蹄形,总孔数229个,冻结管总长5.02 km。"水平冻结法"掘进全面成功,安全通过极软岩地层,取得重大技术突破与创新,填补了国内200.0 m以上深埋隧洞(隧道与巷道)洞内"水平冻结"工法技术的空白,开创了国内深埋水工隧洞"冻结法"施工技术的先导开端,标志着我国地下工程建设"冻结法"设计与施工技术全面跃上新台阶。     

深埋水工隧洞垂直冻结施工关键技术研究

引洮供水一期工程总干渠7号隧洞中部长182.6 m、最大埋深242.5 m洞段穿越新近系含水疏松粉(细)砂极软岩地层,采用一次全深冻结竖井工作面,"地面垂直冻结法"掘进。为掌握深埋地层冻结设计与施工技术,结合工程实践,对极软岩工程地质特性,以及"垂直冻结法"设计、温度场、制冷系统与施工等关键技术进行了研究。竖井井底以下封底冻深30.0 m,总冻深242.4 m;隧洞洞底以下封底冻深6.0 m,总冻深212.6～248.5 m。冻结壁厚3.0 m,均温-10℃,循环盐水温度积极冻结期-26～-28℃、维护冻结期不高于-22℃。竖井冻结孔圈径10.8 m,孔数26个,间距1.3 m,冻结管总长6.29 km;隧洞地面纵向布设冻结孔5排,其中洞身3排,横向排距2.4 m,纵向间距内三排3.0 m、外两排2.3 m,总孔数328个,冻结管总长75.02 km。"垂直冻结法"掘进全面成功,安全通过极软岩地层,取得重大技术突破与创新,填补了国内200.0 m以上深埋水工隧洞"垂直冻结"工法技术的空白,开创了国内深埋水工隧洞"冻结法"施工技术的先河,标志着我国地下工程建设"冻结法"设计与施工技术全面跃上新台阶。     

超长联络通道冻结温度场发展规律及其对隧道变形的影响

为获得超长联络通道冻结过程对盾构隧道及周边地层的影响,以福州地铁2号线紫阳站—五里亭站区间冻结联络通道为工程背景,采用ANSYS有限元软件对长65.8 m的超长联络通道、盾构隧道及周边土层在双侧冻结过程中的温度场及位移场进行分析。结果表明:在积极冻结期前21 d,冻结管交叉区域的冻结壁扩散平均速率快,达到57 mm/d,后29 d平均速率只有27.6 mm/d;积极冻结期喇叭口附近区域存在宽10 m、高2.5 m的变形集中区,对地面产生变形影响最大;冻结对盾构隧道拱肩水平位移和拱脚竖向变形具有显著的影响,积极冻结期结束,拱肩的水平位移比盾构隧道右侧墙大85%,拱脚竖向位移比拱顶大45%。同时,结构变形及变形增长速率随冻结时间增加而增加。因此,建议应合理控制积极冻结时间及冻结方式,以确保建(构)筑物的安全。     

盐渍土和混凝土的衬砌冻结强度直剪试验分析

盐渍土和冻土属于特殊土,为岩土工程相关领域研究的重要内容,针对盐渍化冻土和结构间的相互作用研究较少。为了加强对季冻区与盐碱地渠系破坏问题研究,展开了氯盐和硫酸盐渍土处于不同含盐量以及法向应力状态下和混凝土衬砌冻结接触面相关的直剪试验分析。结果显示冻结接触面产生剪切破坏的具体性状和含盐类型以及含盐量相关,在氯化钠含量逐渐增加情况下,破坏性状由原本脆性破坏向塑性破坏转变,当氯化钠含量达到为2%时属于破坏性状发生改变的转折点,在硫酸钠含量逐渐增加情况下,接触面脆性不会破坏性状;实际上初始冻结强度主要受接触面中冰晶发生胶结作用影响,含盐量如果增大,冻结强度则会降低,同时含盐类型不同对冻结强度产生的影响也会有所不同,氯化钠和硫酸钠相比,在初始冻结强度中的降低作用比较显著,在氯化钠实际含量趋于2%,且硫酸钠实际含量高于4%,接触面会失去初始冻结强度。在含盐量不断增大过程中,内摩擦角从原本不变到逐渐减小,病情黏聚力从开始降低向趋于稳定发展。     

季节冻土区含砂低液限黏土冻融过程试验研究

为研究季节冻土区含砂低液限黏土在不同埋深地下水补给时的单向冻融过程,采用由箱体、制冷/热系统和地下水补给系统等构成的冻融系统装置,对大尺寸土体模型进行单向冻融试验。试验结果表明:在冻融过程中,各土层平面的温度、含水率与冻融量均分布不均匀,且三者之间相互影响;在地下水补给下,土体的冻胀量大于融沉量,且融沉时长小于冻胀时长;不同埋深地下水对冻融的影响主要表现在对土体冻前初始含水率的影响,进而影响温度梯度和冻结锋面的变化,进一步影响未冻水的迁移、冻胀量和融沉量等发展,因此,冻融作用为温度场、水分场和位移场等复杂的多场耦合作用的结果。     

水盐运移对硫酸盐渍土盐-冻胀规律的影响

为研究水盐运移情况下硫酸盐渍土盐-冻胀规律,采用室内土柱冻融试验,利用teros-12传感器及位移计测定冻融循环过程中土体含水率、电导率、温度和位移的变化,分析了水盐运移规律及其对土体盐-冻胀变形的影响.试验结果表明:在自上而下的冻结方式中,土体底部水分向冻结锋面移动,带动盐分向上聚积,同时土体体积含水率和电导率随温度...     

渠道下卧土-混凝土衬砌冻结接触面直剪试验研究

为研究渠道下卧土-混凝土衬砌冻结接触面抗剪强度及其随主要影响因素的变化规律,采用直剪仪开展了不同含水率、冻结温度、法向应力及冻结时间条件下渠道下卧土-混凝土衬砌冻结接触面直剪试验研究。结果表明:剪切的初始阶段,接触面存在局部剪应力释放现象,释放量大小受土体含水率、法向应力、冻结时间因素影响,但不受冻结温度的影响;在本试验参数范围内,接触面峰值抗剪强度随着土体含水率、法向应力、冻结时间的增加而增大,随冻结温度的降低而增大;接触面的抗剪强度实质上是冻土中的冰晶与混凝土衬砌接触面之间的胶结力,以及土体与混凝土衬砌接触面之间的黏聚力与摩擦力;峰值抗剪强度大小主要受胶结力影响;黏聚力和摩擦力主要受法向应力、冻结时间的影响。     

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。     

单管冻结温度场演变规律分析及试验验证

为了研究土中水相变（潜热）热传导过程中冻结温度场演变规律，构建了稳定线性冷源作用下单管冻结相变温度场模型，由变量替换法求得冻结温度场随冻结时间演变规律近似解析解，同时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，并将理论解析解与冻结槽试验结果进行比对。研究表明：理论与试验结果误差在合理范围内，验证了瞬态冻结温度场分布近似解析解的有效可靠性；单管冻结锋面半径和冻结时间有着平方根关系；冻结温度场在时空维度上服从对数分布，且曲线曲率随冻结时间的增加而逐渐减小。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指导冻结法施工技术有重要意义。     

冻土水文地质学研究进展

冻土水文地质学主要研究冻土区水分要素的时空分布和运动规律及其与冻土间的相互作用。在微观上,冻结温度、未冻水含量以及孔隙水压力等冻土层独有的水热参数决定了冻土的结构和物理力学性质,同时影响了冻土层的冻融过程。而宏观上,冻土层的存在改变了常规的地表径流和水系模式,地下水的循环系统也由于冻土层的季节性冻融发生了根本变化,形成了冻土区独特的水文地质条件。从微观和宏观两种角度系统归纳与总结国内外冻土水文地质学研究进展,并分析包括地球物理技术、水化学、冻土水文模型在内的技术方法,同时对高寒区特有的地下水溢流冰、融雪入渗和冻土保墒现象的研究成果进行总结与分析。冻土水文的发展趋势应在积累研究数据和技术方法的基础上进一步探索产汇流过程机理,并建立更完善的冻土水文物理模型,定量分析冻土与水资源之间的相互作用。     

冻土理论研究进展

为梳理冻土理论在工程领域的研究进展,在总结前人研究成果的基础上,系统地总结了冻土理论下的冻土力学研究进展,冻土在动力作用下性状的研究进展,冻土的冻融研究进展,冻土水、热、力耦合机理研究;其中冻土的冻融研究进展中着重总结梳理了土体冻胀、融沉以及冻融循环对土体物理力学性质影响的研究思路。针对冻土水、热、力耦合机理研究,深入探讨了冻土水迁移理论、冻土温度场以及冻土三场耦合研究现状。最后,结合前人的研究成果,给出了进一步研究的方向:将理论研究和试验研究相结合,反复模拟出最贴近真实情况的冻土破坏机理;研究冻融或反复冻融条件下工程地质灾害情况,考虑运用三场或多场耦合原理模拟地质灾害最不利工况,用以指导实践。研究所得结果为冻土理论的继续研究提供思路,为寒区工程设计和施工提供参考经验。     

冻融条件下苏打盐渍土的水盐变化规律研究

冻融作用是导致我国北方半干旱地区土地盐渍化的主要原因之一。以吉林西部大安市为研究区域,通过野外调查和样品采集,开展了盐渍土的室内试验,研究了冻融过程中土壤水盐的运移规律。研究结果表明：该地区土壤中的水盐在冻融过程中经历了两次迁移过程,不同阶段具有各自的特点。冻结过程中,未冻层的水不断向冻层迁移并随之冻结,盐分亦随水分迁移;融化过程中,未融化的冰层阻碍水盐下渗,上层滞水向表层运移并蒸发,使表层盐分急剧增加。在水盐运移过程中,电导率与总盐的变化具有良好的相关关系。室内模拟试验为进一步阐明该区盐渍土的形成机理与影响因素提供了科学依据。     

热参数对冻土温度场的影响及敏感性分析

为评估热参数取值对冻土温度场的影响,将导热系数、比热、潜热作为冻土温度场的影响因素进行试验设计。通过室内试验测定了饱和粉质粘土在不同负温下的导热系数、比热及潜热值,并基于Johansen法提出了考虑冻土未冻水含量的热参数修正算法,按照变参数和常参数形式代入数值分析软件ABAQUS,获取了不同的温度场计算值。将不同负温下的热参数和某负温阶段的平均热参数代入数值分析软件,分析热参数变化对冻土温度场的影响。依据冻结试验获取了冻结150 h的模型箱温度场实测值,并将计算值与实测值进行了比较。结果表明:不同的热参数对冻结初期影响较大,随着冻结的深入各计算值间的差值逐渐缩小。采用一定负温阶段的平均热参数作为恒定热参数进行数值计算,从微观上不能满足精度要求。潜热是影响冻结温度场计算精度的主要因素,考虑不同负温土体导热系数、比热、潜热的计算更接近于实测值。研究成果为寒区水利工程设计和施工提供参考。