冻结条件下土壤水热耦合迁移数值模拟的改进

根据冻结条件下土壤水分运动和热量迁移的基本方程，推导出了冻土水热耦合方程，并构造了采用变化的空间步长和自动调节时间步长的全隐式有限差分计算格式，使模型求解中的迭代计算过程大为简化，计算速度有很大提高。用本模型对张掖壤土的室内冻结过程进行了模拟，土壤水分、温度的计算值和试验值吻合较好。计算结果表明，该方法不仅能模拟冻结过程中土壤水分、温度的变化，且在计算中土壤含水量较低时不需要在冻结区引入冰的阻抗系数的概念，较好地改进了已有的数值模拟，为模拟各种不同条件下的土壤冻结过程创造了条件。     

冷冻加工过程中食品干耗的数值计算

提出了一元多项式形式的水蒸气饱和压力与饱和温度关系的数学模型,进行了牛肉冻结过程的计算机模拟,在此基础上进行了牛肉冻结过程中干耗量的数值计算。     

饱和砂层渗流冻结水热耦合模型与试验验证

为研究渗流作用下饱和砂层冻结规律,根据冻结过程中土体水分迁移及热量变化、热力学和渗流力学的基本理论,并考虑冻结过程中绝对孔隙率的降低对渗流的影响,基于Harlan水热耦合模型,建立了饱和砂层含相变全参数渗流冻结耦合数学模型,并应用COMSOL有限元软件与MATLAB编程,实现了耦合数学模型的数值求解。设计了相似模型试验验证了该模型及方法的合理性。研究结果表明:数值模拟结果与试验结果较为吻合,数学模型与求解方法合理、有效,为今后渗流地层冻结的拓展研究提供可靠数学与试验基础。     

地下水流对冻结壁形成影响的数学模型建立

采用多孔介质热运移理论建立了考虑地下水流时冻结壁发展的数学模型,可用于数值模拟研究地下水流对冻结壁形成的影响。     

土壤冻结温度测定试验研究

在研究越冬期土壤的水热耦合运移规律时，通常需要同步测定土壤冻结深度，为了分析冻融期土壤剖面的冻结情况，我们在室内对3种土质的土壤进行了土壤冰点测试实验，测定了土壤冻结的时间过程及不同含水率、含盐量条件下的3种土质的冻结温度(冰点)。分析了土壤冻结温度随土壤含水量及含盐量的变化规律，为确定试验区越冬期土壤冻融状况提供了依据。     

深井裂隙岩体冻结温度场数值模拟研究

为顺利通过矿井高承压水地层裂隙岩体地层,采取外圈辅助冻结孔和主圈孔冻结的施工方案,能有效降低成本及防止冻结管断裂;应用有限元方法对河南平顶山某煤矿回风井冻结井筒冻结过程进行了瞬态温度场数值模拟,和现场实测十分接近。数值模拟的系统分析可为深井冻结壁的设计与施工提供科学依据。     

虎豹湾矿井冻结温度场数值模拟与实测对比

内蒙古鄂尔多斯盆地已探明优质煤炭储量巨大,其表面覆盖地层主要包括侏罗系中统和白垩系.为深入研究侏罗系地层冻结规律,现场实测了内蒙古纳林河矿区虎豹湾煤矿主井冻结温度场.结合-330m层位粉砂岩热物理参数,通过ANSYS数值模拟的方法分析冻结壁温度场的发展规律,并得到了冻结壁发展速率等关键技术参数,数值模拟验证了实测的冻结壁发展规律,同时数值模拟应用在侏罗系冻结施工中冻结壁的发展规律的研究的可行性也得到了验证.此次研究对该地区的矿井冻结设计、优化及施工具有指导意义.     

越江隧道联络通道冻结法施工力学模拟

采用大型有限差分软件FLAC^3D,对上海越江隧道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．     

人工冻结中HDPE同轴管换热器的传热研究

为了研究人工冻结过程中HDPE同轴管换热器的传热性能,在建立同轴管换热器物理模型的基础上,选择V.C.Mei传热模型对其进行数值分析,并利用ANSYS fluent模块进行人工冻土中温度场变化情况的数值模拟;同时利用自行设计的人工模拟土体冻结试验装置和HDPE同轴管换热器,对长春地区的原位取样黏土进行236 h的人工冻结试验,得到地下温度场的变化规律,与模拟数据进行分析比较,表明理论分析与实验结果吻合度较好。研究结果表明:人工冻结236 h后,土体以下5,30和55 cm深度处,冻结圈分别扩展到170,200和208 mm,HDPE同轴管换热器传热效率满足土体冻结要求,可以适用于人工冻结土体。     

冷媒温度对联络通道冻结效果影响分析

通过温度场数值分析研究了冷媒温度对联络通道冻结效果的影响.分析结果显示:实测与数值模拟得出的温度曲线走向相同,降温速率相近,数值模拟具有较高的可信性;使用新型冷媒冻结时,各侧冻结壁厚度达到设计要求的时间较使用传统冷媒冻结时缩短了3～20 d,平均温度达到设计要求的时间较使用传统冷媒冻结时缩短了5～13 d.     

海相人工冻土热物理特性试验研究

【目的】沿海城市轨道交通主要穿越海相深厚软土,需要大量使用冻结法施工,而该地区典型土层热物理特性是冻结法设计的关键依据。研究土质、冻融条件等因素对海相人工冻土冻结温度、热物理性质和冻融性质的影响可为该地质条件下的隧道施工提供基础资料。【方法】选取宁波地区3种典型土层,即淤泥质黏土、粉质黏土和砂质粉土,开展冻结温度和热物理参数测定,以及封闭与开放系统下冻胀融沉试验。【结果】3种土层冻结温度为-0.43～-0.23 ℃,且以砂质粉土的较高,粉质黏土的次之,淤泥质黏土的较低; 不同土层热物理性质不同,但其常温土的导热系数和容积热容量大小呈现一致性,表现为砂质粉土最大,粉质黏土次之,淤泥质黏土最小; 冻土的导热系数、容积热容量和导温系数均大于常温土,冻土导热系数为常温土导热系数的1.37～1.77倍,且颗粒越粗差异越大; 各土层冻胀率和融沉系数相差较大,冻胀率较大的土层其融沉系数也较大,表现为淤泥质黏土＞粉质黏土＞砂质粉土; 开放系统补水冻结过程下各土层冻胀率和融沉系数分别为封闭系统冻结过程不补水工况下冻胀率和融沉系数的1.23～1.88倍和1.21～1.84倍。不论是开放系统还是封闭系统,海相土体各土层的融沉过程相似,可分为缓慢融沉、快速融沉和稳定融沉3个阶段。【结论】海相土体的冻结温度、热物理性质和冻融性质与其土质、状态和冻融条件等因素密切相关,在进行海相土体冻结法设计与施工时,应充分考虑其物理特性的差异性。     

地铁软土层冻融特性试验分析及模糊随机预测

针对南通地铁软土层三类土样进行冻胀和融沉试验,发现冻胀力、冻胀率和融沉系数随着冻结温度降低而增大;在相同的温度条件下,黏土冻融特性最显著,粉质黏土中等,而粉土最弱.受土性、温度、含水率和干密度等因素的综合影响,三类土样的冻融变化规律表现出明显的不确定性.利用两类不同的权值对小波神经网络的激励和输出函数进行修正,利用梯度下降的方法对伸缩和平移参数进行优化.在此基础上,以土性、温度、含水率和干密度为输入量,冻胀率和融沉系数为输出量建立模糊随机小波网络冻融特性预测模型.工程算例表明,模型冻胀和融沉的预测值与具体工程实测值基本吻合,可作为南通地铁及周边地区地下冻结法施工冻融特性预测的有效工具.     

东北地区季冻土含水率分形研究

应用分形几何理论对东北地区季冻土在一个冻融周期下的特定时间、特定深度范围内冻土的含水率进行研究,发现两种条件下含水率皆具有多层次的分形几何特征;同时建立了分维数与时间以及分维数与冻深的相关关系曲线,得出相关关系方程,据此可为东北地区土的冻结程度预报提供一定的理论依据．     

水泥预加固-人工冻结联合工法加固地层冻胀特性

为研究采用联合工法施工,能够有效控制土体冻胀位移的施工参数,本文以广州地铁十四号线某联络通道冻结工程为背景,通过有限元软件建立联络通道冻胀位移场三维数值模型,研究了盐水温度和水泥掺量对土体冻胀位移的影响,并计算不同冻结壁厚度下地表冻胀位移量以及联络通道开挖土体的塑性区域,在满足施工安全的前提下,进一步对冻结壁设计参数进行优化,以减小土体冻胀位移。结果表明：采用水泥预加固-人工冻结联合工法施工,当水泥掺量设定为12%,盐水温度控制在-25℃~-31 ℃时,积极冻结末期,地表冻胀位移能够满足工程监测要求;水泥掺量设定为12%,冻结壁厚度设定在1.8m,盐水温度控制在-31 ℃。可见相对于原施工方案,采用联合工法施工,积极冻结末期地表冻胀量减小了73%。     

井筒冻结法施工的常见问题及防治措施

在不稳定表土层中施工井筒时,冻结法具有大量的优点,主要包括：适应性强;支护结构灵活、易控制;膈水性好;对环境影响小等。Ⅲ因此,冻结法在井筒的特殊施工中被大量应用。我国煤矿于1955年在开滦林西风井首次使用冻结法凿井,此后,冻结法凿井技术逐渐推广。现在,我国已是世界上用冻结法凿井穿过表土层最厚的国家之一。但是井筒在冻结法施工中,仍然存在很多的问题,这些问题必须引起我们的高度重视。本文主要介绍了冻结法施工的原理及其存在的主要问题,并提出了相关的防治措施。     

地铁联络通道冻结法施工研究现状

人工冻结法因其安全可靠性好、能够隔绝地下水、适用范围广等特点被应用于地下空间的施工之中。结合冻结法的特点,对目前冻结法在地铁联络通道中的应用与研究现状,施工对土体力学性质、周围环境的影响,以及近年来冻结法的优化设计几个方面展开介绍。总结了目前人工冻结法在研究中的不足与施工过程中出现的问题,并给出了自己的观点看法。     

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。