冻结壁温度场模型试验及其导热系数反分析

冻土导热系数是计算冻结壁温度场的重要参数，本文根据冻结壁温度场物理模型试验的结果，建立非线性多维导热系数反分析的数学模型，采用选择法和有限元法，反分析冻结壁整体导热系数，为冻结壁温度场数值分析和冻结壁厚度的设计计算提供参考。     

人工冻土温度场模型试验及冻土导热系数反分析

掌握人工冻土温度场的相关物理力学性质对冻结法施工意义重大,导热系数是计算人工冻土温度场的关键参数。采用人工冻土冻结试验平台进行人工冻土温度场试验,在模型土体的不同深度、不同平面位置布置热电耦测量温度的实时发展规律。通过数值法模拟人工冻土冻结温度场模型试验,对比分析不同点温度监测值和模拟值的关系,再以反分析方法为基础,利用最小二乘法准则将数值计算得到的测温点计算温度与实测温度进行对比分析,然后在准则函数计算范围内,用数值逼近原理,得到最优导热系数。最后,将最优导热系数的模拟温度和实测温度进行对比,验证得到的等效导热系数具有准确性。     

外壁恒温条件下单管冻结温度场发展规律

为了获得各影响因素对单管冻结温度场的综合影响规律,采用将相似理论与数值计算、物理试验相结合的研究方法,全面研究了冻结管外表面恒温情况下的单管冻结问题,分析了冻土半径与各影响因素间的关系。获得了冻土区温度分布规律、冻结壁厚度与平均温度的计算公式,所得公式具有较高计算精度,为工程技术人员较精确地估算实际冻结工程中外排冻结管布置圈外侧的冻结壁厚度和平均温度、冻结壁交圈时间提供了方便条件。     

水-热耦合作用下严寒地区高速铁路隧道温度场分布规律

为研究严寒地区高速铁路隧道修筑后,衬砌背后围岩冻结引发的隧道冻胀病害问题,以吉图珲客运专线榆树川隧道为例,综合考虑水分迁移和冰-水相变潜热对衬砌-围岩热传导的影响,建立了围岩冻结过程中的水-热耦合模型,结合现场实测大气温度,利用有限元法对榆树川隧道温度场进行了计算,得到了严寒地区隧道温度场的分布规律,确定了隧道发生冻结的最不利位置和最不利时间,并建立了隧道最大冻结深度与大气年平均温度之间的关系,分析了保温层对隧道防冻的作用,给出了保温层厚度和导热系数与隧道冻结深度的关系,提出了防止榆树川隧道发生冻结的保温层导热系数和厚度的建议值.     

导热三维温度场的科学计算可视化研究

将实体造型理论与导热理论有机结合，根据导热三维温度场数值计算与构型数据分布的特点，采用了颜色纹理法的可视化方案，建立温－色表；用空间二进制矩阵最小单元的灰暗度来产生无级的浓缩阴影变化，描绘出导热三维温度场的色温图，将每一瞬态的色温图顺序播放出来，从而实现导热三维温度场的可视化。该研究为热力传导问题的仿真提供了一条有效的途径。     

不同因素影响下联络通道温度场的规律

以内蒙古呼和浩特市地铁2号线1号联络通道为工程背景,利用有限元软件建立三维瞬态温度场模型,对联络通道的温度场变化进行了数值模拟分析,并对比了实际测量温度,分析了不同因素对冻结温度场的影响规律.结果显示:实际测量温度与数值模拟温度的变化趋势一致,数值模拟得到的瞬态温度场可以较为真实地反映工程实际情况;冻结管排布越密集,形成冻结壁的时间就越短,冻结壁的厚度也就越大;在冻结40 d时,联络通道两侧为危险部位,故在开挖时要注意联络通道两侧的土体温度;导热系数和盐水流量的变化对冻结温度场的变化有较大的影响,且两者越大,形成冻结帷幕的速度就越快;比热容和潜热对温度场的影响较小,在实际工程中应主要考虑导热系数和盐水流量对温度场的影响.     

盾构始发端垂直冻结温度场数值分析与现场实测

太原地铁双塔西街站-大南门站区间盾构始发端采用垂直冻结法加固技术。由于盾构始发的特殊性,冻结帷幕的有效厚度能不能保证,是关系到土体加固是否安全的前提。通过建立三维数值模型对该工程冻结帷幕温度场随时间的发展规律展开研究,动态模拟冻结帷幕的演化过程,并且现场实时监测记录了冻结帷幕的温度变化和盐水温度随时间的变化情况,分析了在同一深度处各测温孔测点温度随时间的变化规律,计算了冻结帷幕厚度与冻结帷幕平均温度,验证了盾构是否具备始发的条件。结果表明:实测温度值和数值计算温度值总体趋势基本一致;采用垂直冻结方式、三排冻结管冻结施工的方案是合理的;用数值模型来模拟冻结帷幕温度场的变化过程是可行的。     

盾构出洞水平冻结解冻温度场三维有限元分析

为揭示人工冻土解冻规律,对某地铁区间隧道盾构出洞水平冻结工程融化温度场进行了三维数值模拟分析,并研究了土体导热系数、比热容、含水率和环境温度等因素变化对人工冻土融化温度场的影响.计算结果表明:冻结帷幕解冻所需热量主要来自于与隧道管片和混凝土槽壁接触的大气;解冻过程可为负温阶段、相变阶段和正温阶段,土体温度在负温阶段上升较快,相变阶段上升速度明显变缓,进入正温区后土体温度回升速度再次增大;负温阶段受比热容的影响比较显著,含水率增大引起相变阶段明显延长,导热系数和环境温度变化对三个阶段都有显著影响.为跟踪注浆控制融沉提供了理论依据.     

土体冻结过程中相变导热的光滑粒子法分析

相变导热在矿山工程、城市地铁、河底隧道等领域有着广泛的应用.由于该问题模型方程独特的数学性质及网格背景数值方法的局限性,引入光滑粒子算法求解相变导热问题.给出基于Fortran语言开发的数值分析程序,并通过推导得到的半无限域凝固问题的解析解验证了其精度和可靠性.最后针对低温冻结管作用下土体冻结过程进行了分析,计算结果表明:土体冻结过程中冻结锋面的移动速度随时间逐渐减小,温度场曲线上的"折线"变化是相变时潜热释放引起的;冻结温度对土层冻结的发展影响显著,冻结管的温度越低冻结锋面的移动速度越快;冻土导热系数k_s的取值大小对冻结锋面的移动速度没有显著影响;然而未冻土导热系数k_l取值越大,土层中冻结锋面的移动速度越快.     

导热三维温度场的科学计算可视化研究

将实体造型理论与导热理论有机结合，根据导热三维温度场数值计算与构型数据分布的特点，采用了颜色纹理法的可视化方案：建立温－色表；用空间二进制矩阵最小单元的灰暗度来产生无级的浓淡阴影变化；描绘出导热三维温度场的色温图；将每一瞬态的色温图顺序播放出来，从而实现导热三维温度场的可视化．该研究为热力传导问题的仿真提供了一条有效的途径．     

变管径冻结管对地铁联络通道冻结温度场的影响分析

在地铁联络通道的冻结法的设计与施工中,冻结管通常为倾斜放射布置。这导致联络通道不同横截面冻结管间距不同,最终引起冻结温度场的不均匀发展。以郑州地铁5号线联络通道为背景,在冻结管内盐水流量不变的情况下,对现行冻结管的尺寸做出调整,通过改变冻结管尺寸来改变管内的盐水在不同位置的流速,从而改变冻结管不同截面的对流换热系数,使联络通道的冻结温度场得到均匀发展。利用ADINA数值分析软件对联络通道冻结法设计建立三维模型,分析改变管径后,整个冻结过程中联络通道各个截面温度场的发展情况。结果表明,在同一冻结工程中,联络通道各个截面的冻结壁厚度及冻结平均温度趋于一致,且冻土交圈完成的时间得到了缩短,这表明通过改变冻结管的尺寸能够显著改善冻结温度场的不均匀发展问题。     

地铁隧道水平冻结法施工冻结壁温度场影响参数分析

以地铁隧道水平冻结法施工中最常见的粉质粘土为例,应用大型数值分析软件ANSYS系统研究冻结管直径、冻结管间距、盐水温度、土层含水量4大因素对冻结法施工中温度场的影响,提出各因素对冻结壁厚度和冻结时间的灵敏度公式;在各影响因素下通过灵敏度对比分析,得出各因素对冻结壁厚度灵敏度影响规律,该影响规律由大到小依次为:盐水温度、冻结管间距、冻结管直径、土层含水量.     

龙固矿副井冻结壁温度场有限元数值模拟

冻结时间、冻结壁厚度和冻结壁温度场的性状是冻结法施工的关键参数。对实际工程主圈加双圈辅助孔冻结管下冻结壁的形成及其变化规律进行了数值计算。利用ANSYS大型有限元计算程序，得出了冻结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结时间等参数，为冻结井的施工提供了必要的依据。     

张集矿北区地层冻结温度场的实测与分析

为了解人工冻结过程中冻结壁温度场的发展规律,现场实测了淮南矿业集团公司张集矿北区地层风井的温度变化,详细分析了不同地层冻结壁温度场的发展特性,和冻结壁内部外圈冻结管以外、内圈冻结管以内和两圈冻结管之间冻土区的发展规律,得出冻结壁发展速度等关键技术参数。对冻结凿井的设计和施工有着重要的指导意义。     

渗流条件下人工冻结模型试验研究

运用相似理论设计了不同的渗流速度,冻结管间距下冻结物理模拟试验,研究不同试验条件下渗流方向温度分布规律、冻结过程中温度场分布特征及冻结壁厚度的变化。研究表明：无渗流时,主面及界面的上下游温度分布具有明显的对称性;而在渗流作用的影响下,上游温度明显高于下游,随着渗流速度增加及冻结管间距变大,这种不对称性也愈加明显,不对称性大大增加;冻结壁交圈时间随渗流速度的增加而增加,但渗流速度过大时冻结壁无法交圈;在渗流条件下,冻结间距增大会导致冻结壁厚度大幅度减小,交圈时间大大延长。     

无限大区域内四管冻结的稳态温度场解析解

采用势函数叠加理论推导了4根冻结管以任意形式排列冻结时的稳态温度场解析解,得出了4根冻结管以等间距直线、矩形和菱形等排列时的稳态温度场特定解,并用热学数值模拟方法对解析解进行验证.结果表明,解析解的计算结果与数值模拟结果较吻合.
     

地铁隧道联络通道冻结法施工三维温度场及性状分析

人工冻结施工技术是软土中地铁隧道开挖的一种经济可靠的方法,在上海地区得到了多次成功应用.然而,由于计算理论的不完善,也出现过诸如“上海地铁四号线透水”的重大工程事故.在冻结法施工过程中,如何控制冻结壁的厚度是一个非常重要的环节.考虑了冻结管偏斜布置的情况,利用有限元方法对上海市复兴东路隧道联络通道进行了三维温度场模拟.此外,还分析了冷媒温度、冻结时间和冻结壁厚度的关系.论文的成果可供同类工程参考.     

多圈管冻结凿井冻结壁形成特性

采用数值分析方法,研究了2圈和3圈冻结管方案下冻结壁厚度及温度变化规律,着重分析了辅圈对冻结壁形成特性的影响。结果表明,冻结早期,3圈中辅圈能显著提高冻结壁厚度增长速率和降低冻结壁平均温度;辅圈对冻结壁最终厚度和平均温度影响较小;辅圈可加快井帮冻结,对井心温度影响较小。