环形双圈管冻结稳态温度场广义解析解

对于环形布管冻结稳态温度场的解,目前仅有单圈管冻结条件下的解析解,对于双圈管冻结尚无解答。首先建立环形双圈管冻结稳态温度场的模型。然后,应用保角变换将广义环形双圈管(冻结圈内部未冻实)模型变换为直线型排布的模型,依据调和方程边界可分离性,将直线型排布模型分解为2个特殊单排管冻结问题,从而得到广义环形双圈管的温度场解析解。最后,应用ANSYS进行了热力学数值模拟计算和物理模型实验结果以验证解析解。结果表明:在冻土帷幕充分交圈后,数值模拟结果和解析解结果基本一致,与实测温度的吻合度也很高。     

外壁恒温条件下单管冻结温度场解析计算

针对外壁恒温条件下单管冻结相变热传导问题,根据冻结峰面分成冻结区和未冻结区,采用变量替换方法进行了温度场解析分析,获得了冻结峰面半径与冻结时间呈平方根关系,以及采用指数积分函数表示冻结区和未冻结区温度以及相应无量纲温度的计算公式;为数值计算简便,给出了冻结温度场中指数积分函数的高精度低阶多项式表示;获得了冻结管壁热流密度的解析算式。通过算例说明了外壁恒温条件下单管冻结温度场的分布规律,结果显示,冻结温度场呈对数型函数分布,且其曲率随冻结时间的增加而迅速减小,以及未冻区范围约为冻结峰面半径的4倍。     

不同含水率对土体降温速度影响的试验分析

土体含水率的不同会影响人工冻结法施工时的冻结壁交圈时间,而水文条件的不同往往导致现场施工周期预测不准.本文通过配置不同含水率的土体,将其放置在相同的环境温度进行冻结,并布置温度传感器实时采集温度变化数据.结果 表明:1)土体未冻水发生相变的时间会随着含水率的增加而增加;2)饱和、未饱和土的温度下降速度不同,其中未饱和土...     

考虑与周围土体相互作用的非均质冻结壁力学特性分析

为了合理分析复杂地层冻结壁的受力特性,考虑由冻结温度场引起的冻结壁物理力学参数的不均匀性,根据冻结温度场的分布规律,将冻结壁视为材料性质随着半径呈抛物线变化的非均质材料,通过引入应力传递系数ξn来反映开挖卸载作用,建立了冻结壁与周围土体相互作用的力学模型;根据该模型分别推导了冻结壁在弹性状态下、弹塑性状态下的应力解析解及其承受外荷载的计算公式。计算结果表明:考虑与周围土体相互作用的冻结壁比没有考虑相互作用的冻结壁承载力大;而非均质冻结壁的承载力较均质冻结壁偏小。实际上,冻结壁是一个与周围土体相互作用的非均匀体,因此,提出的考虑与周围土体相互作用的非均质冻结壁力学模型,符合实际工况,可为冻结壁设计提供借鉴。     

卸载状态下与周围土体共同作用的冻结壁力模型

基于冻结壁处于卸载状态这一客观事实,提出“卸载状态下冻结壁－周围土体共同作用”的冻结壁力模型。卸载状态用解除应力的等儿应力替代岩土原始应力来表达。在此基础上,导出了周围土体和冻结壁弹塑性区应力、应变状态的解析表达式,并得到冻结壁外载的计算公式和确定塑性区大小的方程。该模型从本质上反映了冻结壁的卸载状态及其对周围土体的共同作用。     

基于CT图像三值分割的冻结岩石水冰含量及损伤特性分析

冻结岩石未冻水和冰含量及损伤特性随温度的变化规律是研究冻结法施工的矿井建设等工程安全稳定的重要问题之一。开展负温下饱水岩石CT扫描实验,获得了0,-2,-5,-10,-20,-30℃下的CT扫描图像。将最大类间方差法与遗传算法相结合,实现了冻结岩石水、冰、岩三相介质的识别及其含量的数字表述。推导出冻结岩石未冻水、冰含量与温度间的理论关系式,并探讨了冰含量和温度梯度对冻结岩石损伤特性的影响规律。结果表明:温度是引起水冰含量及分布状态变化的关键影响因素,岩石的初始损伤和温度的共同作用决定岩石冻结损伤大小。0~-5℃是冻结损伤演化起始和急剧增大阶段,-5~-10℃是冻结损伤发展阶段,-20~-30℃是冻结损伤趋于稳定阶段。将CT图像三值化处理技术与冻结岩石损伤理论相结合的方法,为冻结岩石水冰含量及宏-细观损伤特性的定量研究提供了新的研究思路。     

聚氨酯在浅部地层冻结管保温中的节能研究

针对冻结施工中浅部地层冷量散失,产生的冻胀危害永久井架安全的情况,将单管稳态导热温度分布曲线用于冻结管保温层及周围土体的温度分布,得出土体显热散冷量公式,然后结合相变换热公式分析冻结管在保温前后周围土体的相变换热量,最后给出工程实例测温数据及数值拟合曲线,验证单管稳态温度分布曲线的适用性。数据分析表明:159 mm冻结管经50 mm聚氨酯保温后,壁外降温幅度约为保温前的50%,冻结管外3 m范围内温度降幅明显;未保温冻结管管外1m处温度降至0℃需60 d,而保温后则需210 d以上,同样冻结期内产生相变土体体积远小于未保温情况,从而节省大量潜热耗冷量。     

井架基础稳定受厚表土冻胀控制的影响

煤矿建井过程中,采用永久井架凿井,具有投资省、工期短等优点,但对于深厚表土冻结凿井时常因冻胀、融沉影响井架基础稳定性,研究控制冻胀、融沉控制对利用永久井架凿井具有现实意义。采用水动力模型进行土体冻胀及控制过程的数值模拟,较好地模拟了连续-间歇冻结模式下的土体冻结过程。采用控制容积法,按有限差分方程讨论离散方程的稳定性和精度,探讨提出基于间歇冻胀可以有效控制土体冻胀的机理,在安居煤矿副井表土段冻结凿井期间开展间歇冻结的工程实施方案,并进行了现场实测,取得了较好的结果。     

卸载状态下深埋黏土层冻结壁与周围土体共同作用理论研究

根据Mises屈服准则、冻土的流变理论及偏张量虎克定律,推导出了卸载状态下考虑冻结壁-周围土体共同作用的非线性黏弹塑性冻结壁的应力场和位移场的解析表达式,并得到了冻结壁外载和接触应力的计算公式以及确定黏塑性区大小的方程。结合工程实例,分析了冻结壁外荷载、接触应力、黏塑区、径向位移的发展规律,得到：① 冻结壁承受的土体压力小于土体的原始水平应力;② 地压较大时冻结壁开始产生黏塑区和黏塑区扩展到外部边界的时间极短;③ 黏塑区范围越大,径向位移随时间的变化越剧烈,黏塑性变形是导致冻结管断裂的主要原因。该模型能更好地反映冻结壁力学性质的本质。     

某类粉质粘土冻胀与水分变化的试验研究

利用取自祁连山区的某类粉质粘土,分别在塑限和液限两种含水量条件下以封闭和开放两种补水条件开展冻胀试验,以便于了解不同水分条件下这类粉质粘土的冻胀量变化和冻胀发展过程中土样水分变化。试验结果表明,这类土在塑限封闭条件下冻胀量很小,几乎可以忽略;在液限封闭条件下,土样冻胀率可达3.4%;只有在开放补水条件下,土样的冻胀率可达15%。试验结束后,分层测量土样含水量结果表明,冻结锋面以上部分土样含水量增加,其增加量和冻胀量一致;冻结锋面以下部分土样含水量减小,冻结过程中水分迁移是土体强烈冻胀的根本原因。     

柱坐标系下冻土内部热流侵蚀相变问题的求解

针对冻结工程灾变过程中渗水孔隙等灾害源在地下水热流侵蚀作用下逐渐扩展的过程进行了研究,在一定假设条件下建立了柱坐标系下基于对流换热边界条件(第三类边界条件)的相变传热数学模型。在对原偏微分方程无量纲化处理后,采用了对数形式分布的热积分平衡方法(HBIM)求解;对于同一问题,在变量代换的基础上采用了基于乘方定律格式的有限差分数值方法进行了求解。对于侵蚀相变位置的求解,两种方法的计算结果吻合良好,在计算的时间范围内,两者最大偏差不超过1%。研究结果表明:史蒂芬数St、毕渥数Bi、以及过冷系数φ为侵蚀相变界面位置随时间变化规律的主要影响因素;在不同参数组合情况下,侵蚀相变位置随时间均呈现出近似线性变化规律;在其他参数不变的条件下,St,Bi增大一倍时,侵蚀相变速率均增加一倍左右,而φ增加一倍时,侵蚀相变速率仅减小了5%。进而说明在实际工程中,降低冻土的平均温度能够减缓侵蚀相变速率,但作用十分有限;相反,降低水流温度或者减缓水流的流速等措施则能够有效减缓水流侵蚀速率。利用本文结果预测实际冻结工程灾变过程时,需考虑土壤性质的不同以及地下水温度、对流换热系数等随孔径变化带来的影响,可将由本文方法得到的侵蚀相变速率视为冻结工程灾害发生时孔隙发展速度的上限值。     

PCM水泥胶囊相变储能控温防冻害研究

基于相变储能理论和传热学知识,将吸附石蜡的炉渣颗粒经水泥砂浆封装后制备成PCM水泥胶囊,铺设于基础回填土中进行相变控温。通过数值模拟方法,得到基础附近土体温度场,并提出外温传播梯度、温度等值线斜率和伞式控温半径3项控温评价指标。结果表明,铺设有PCM水泥胶囊层的回填土冷、热温的第1、第2传播梯度均大于原有土壤,温度传播衰减幅度较大;冷温温度等值线第2陡降段斜率远大于原有土壤,对冷温的伞式撑起效应显著,对热温不明显;冷、热温的伞式控温半径均大于原有土壤。综合3项指标可见,PCM水泥胶囊的相变控温作用对基础附近土体温度场产生了显著影响,可作为防止基础发生冻害的一种有效手段。     

冻结管差异温度强化冻结试验与数值分析

针对立井冻结工程中存在的局部难冻结地层,为对其强化冻结,提出了冻结管差异温度强化冻结方案。为验证差异温度的强化冻结效果,进行了单管冻结试验,同时基于有限体积法(FVM)原理,进行了强化冻结段-35℃、-40℃和-45℃三种条件下的单排管三维数值分析,并研究了冻结管上、下不同温度段的冻结温度场分布规律及冻结壁特征。结果表明:冻结管内可实现差异温度冻结,冻结管强化冻结段可显著增加冻结壁厚度、降低冻结壁平均温度并强化地层的冷能耗散,使局部地层受到强化冻结。     

水下冻结工程温度场物理模拟研究

推导了水下地层冻结温度场物理模拟的相似准则,然后进行了模型设计并进行了模拟试验,得到了静水和不同水流速度条件下冻结温度场的分布规律。     

直线双排管冻结壁平均温度的等效抛物弓形模型

在双排管冻结壁温度场的巴霍尔金（Бахолдин）解析解和考虑地层实际冻结温度时该解的修正解的基础上,建立了一种双排管冻结壁的平均温度解析计算模型--等效抛物弓形模型。该模型以冻结壁某一横截面厚度上的等效抛物弓形法计算的平均温度来等效整体冻结壁的平均温度。在实际工程中可能出现的冻结管平面布置参数变化范围内全面考察了冻结壁平均温度等效抛物弓形计算结果与依据巴霍尔金解析解数值积分计算结果的误差以及误差规律。结果表明,等效抛物弓形计算的冻结壁平均温度误差较小,具有足够的工程精度。     

神木输水工程竖井冻结监测分析

神木县输水工程竖井冻结法施工中,对冻结盐水温度、冻土温度、水文孔水位等方面进行了跟踪监测;通过对监测结果进行分析研究,获得了冻结盐水温度、冻土温度、水文孔水位等变化规律,在此基础上提出了竖井冻结施工的建议。研究成果可供其它工程参考。     

管壁温度非恒定条件下单管冻结温度场解析计算

With the combination with the similar theory and analytic calculation, the single tube freezing problem under the surface temperature non-constant condition of the freezing tube was fully studied. The ...     

人工冻结黏土经验模型参数确定及蠕变规律验证

人工冻结法不仅常用于软土、砂层中地铁旁通道开挖及基坑围护等工程,在富水、深厚岩土层矿山井筒建设中也常采用此方法。掌握人工冻土物理力学性质及蠕变规律对安全、快速施工至关重要。对采用冻结法施工的某矿立井深部地层黏土进行-5、-8、-10、-15℃下单轴抗压强度试验及不同应力水平的蠕变特性试验。试验结果表明:抗压强度与冻结温度呈线性相关;在同一试验温度下,随着应力等级升高,轴向变形呈上升趋势;在同一应力水平下,随着试验环境温度下降,轴向变形呈下降趋势。引入考虑温度效应的经验蠕变模型,在各负温及不同应力水平下的应变与时间取对数具有线性关系的基础上,将线性表达式代入对应公式中联立方程组进行求解确定模型参数。将模型计算值与试验数据进行对比,反映出该模型能够较好地模拟人工冻结黏土蠕变初始变形阶段和稳定变形阶段。所建立的模型具有参数较少、易于确定、参数物理意义明确等优点,为冻结壁设计提供了一种有效的计算方法。     

低温条件下含水率对岩石力学特性的影响分析

在冻土地区,当岩石孔隙度较高时,冻结引起的岩石强度明显增加,因此有必要对其机理进行深入研究。本文研究了孔隙水对低温条件下饱水岩石力学性质的影响,在-170°C至室温范围内,对凝灰岩和砂岩进行了单轴压缩试验和间接拉伸试验,并结合扫描电子显微镜试验观察岩石的微观结构。研究发现并总结了孔隙水对岩石低温强化机理的影响规律。岩石强度的强化被认为是由孔隙水冻结引起的荷载分布效应和孔隙水冻结后引起的冰强度增加之间的相互作用引起的。本研究将宏观岩石力学与微观岩体结构相结合,为冻土地区岩石力学研究提供了一定的参考。