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.     

联络通道BIM 4D施工模拟与冻结温度场数值分析

为进一步加快冻结施工信息化应用,以北京地铁17号线区间联络通道冻结工程为背景,通过建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）技术对联络通道进行三维可视化设计,建立4D施工进度模型进行实时模拟施工与输出工艺动画;利用有限元软件ABAQUS对冻结温度场进行数值模拟,与现场实测温度对比分析温度场变化规律。结果表明：BIM 4D模拟可以对施工全过程进行动态控制,实现进度计划三维可视化;冻结壁厚度达到设计值以上,验证BIM技术冻结质量控制的可靠性;数值模拟计算温度结果与现场实测温度数据值基于一致,证明数值模拟分析冻结温度场的可行性。     

水泥改良对地层冻结温度场影响分析

针对目前对于水泥改良土地层冻结温度场研究较少的问题,基于福州地铁二号线某联络通道冻结工程,对该工程积极冻结期土体冻结温度场进行数值模拟,得到了水泥改良土地层在冻结过程中的温度分布规律与冻结壁发展规律,分析了不同截面和不同温度路径处的冻结效果差异;并通过改变土体参数,得到了土体冻结效果随水泥掺量变化规律。研究成果将为今后水泥改良土地层冻结工程提供参考和借鉴。     

双排管冻结稳态温度场广义解析解

人工地层冻结法施工中,对于双排的布管形式,巴霍尔金给出了双排管冻结稳态温度场解析解.但巴霍尔金解析解只针对对齐和标准错位这两种情况,不能完全满足现实的要求.针对工程中的不规则布管问题,利用调和方程边界条件可分离性,通过叠加单排冻结巴霍尔金问题解和线性温度场问题解,获得了特殊单排冻结问题的解析解;借鉴特殊单排温度场问题,完成布管形式复杂的双排管冻结温度场问题的广义解析解,并利用ANSYS数值模拟和物理模型实验结果验证了解析解的正确性.     

水平冻结法施工超大断面隧道的技术研究与应用

人工冻结法施工技术在一些困难地层、复杂地下结构施工中得到了广泛的应用,与其他工法相比,具有很多独特优点和可靠性。以广州地铁六号线大坦沙站方向与车站对接段隧道加固为工程背景,针对超大断面和复杂的条件,提出采用人工冻结法施工。首先基于热力学原理,推导了岩土冻结过程的水热力耦合控制微分方程组,并采用有限元软件对水平冻结过程进行了数值模拟,优化了设计参数。结果表明:积极冻结45天时有效冻结壁平均温度、有效冻结壁厚度、开挖产生最大变形均满足设计要求,最大变形位于冻土底板中间位置;表明采用的人工冻土双屈服面本构模型及水热力耦合控制方程是可行的。同时根据本工程特点,提出了施工技术难点与控制要点,保证了工程顺利实施,研究结果具有一定的实用价值。     

软土地层大直径盾构出洞段加固土体的数值分析

软土地层中盾构法施工的盾构出洞段土体需要选择合适的加固技术进行处理,以满足施工稳定性的要求。采用三维数值计算方法,分别对冻结法、搅拌桩、搅拌桩+SMW工法加固条件下出洞段的加固土体进行分析,并对地层位移和应力进行比较,为施工时地层加固方法的选择提供理论依据。     

盾构出洞冻结法加固土体的稳定性分析

运用三维有限差分软件FLAC3D对上海轨道交通某区间隧道盾构出洞冻结法施工过程进行了模拟,对盾构出洞过程中施工稳定性进行评价。施工竖井为地下四层结构,围护结构采用地下连续墙。数值模拟冻结壁水平应力、最大主应力、沿隧道开挖方向位移的变化,将模拟得到的应力与冻结壁强度设计值进行对比,并对隧道轴线方向地表沉降位移进行预测,同时采用安全系数法对施工的安全性进行了评价。安全系数满足设计要求,进一步说明了冻结法在软土地区地下工程施工中的优越性。     

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．     

兰州地铁联络通道疏松砂岩地层工程地质特性及冻结法施工浅析

复杂的地质条件尤其是特殊的疏松砂岩地层是兰州地铁最主要施工难题之一。为进一步研究兰州地铁联络通道疏松砂岩地层冻结法施工的适用性及可行性，在已有文献及工程试验基础上，通过对兰州疏松砂岩地层分布情况梳理、工程地质特性及冻结特性对比，分析疏松砂岩联络通道冻结法施工风险及方法，并对不同工程、地铁不同类型施工点疏松砂岩冻结工程情景及特色等方面进行比较研究。结果显示，兰州地铁疏松砂岩地层分布范围大、是一套或多套富水且工程地质性质极差的弱胶结岩层；联络通道施工风险较大，但冻结法施工适应性强，加固效果良好。结果表明，冻结法施工可在兰州市区含水疏松砂岩等地层联络通道建设中优先推广应用，可为兰州其他复杂地层地下工程施工提供有益的参考。     

砂卵石地层“盆形”冻结温度场扩展规律数值分析

"盆形"冻结技术能有效解决高富水地层大断面地铁车站基坑的地下水问题,冻结工程的可行性和经济性取决于温度场的发展规律,课题以北京典型卵石7地层为依托,通过Ansys软件建立三维模型,模拟北京某地铁车站冻结施工方案,重点分析"盆底"温度场的扩展规律,确定冻土柱的交圈时间及积极冻结期.模拟结果表明:帷幕冻土柱早于底板交圈,75 d后冻结体形成连续封水结构,100 d后底板冻结壁达到设计要求;冻结管管间土体温度下降最慢,控制底板冻结壁发展规模;开挖区域内冻土量较少,但边墙和底板交界处温度小于5℃,建议增大冻结底板埋深、缩小帷幕冻结器尺寸或延迟帷幕冻结开始时间,抑制开挖区内冻土的产生。研究成果为"盆形"冻结方案的工程化应用提供理论依据。     

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。     

水-热-力耦合的单管冻结理论及其数值模拟

为研究考虑水-热-力耦合的人工冻结的环境效应,保证冻结施工安全,推导了水-热-力耦合的单管冻结理论公式,并将推导公式基于ANASYS软件进行了数值实现,对数值模拟成果进行了对比分析.结果表明:数值模拟冻结壁厚度达1.5 m,径向最大拉应力为0.39 MPa,最大压应力为0.2 MPa,与同条件下实际工程监测结果较为一致;冻结壁最大剪应力为0.36 MPa,最小剪应力为-0.27 MPa;冻胀最大位移达4.15 cm,比同条件下实际工程的监测结果大.数值模型验证了理论公式的有效性,相关结果可为类似工程参考.     

液氮冻结盾尾密封加固温度场的数值分析

为解决在含水层跨江跨海盾构隧道施工中盾尾刷破坏后如何更换封水、更换盾尾刷等问题,结合杭州庆春路过江隧道盾尾刷更换工程,利用ADINA大型有限元软件建立三维数值模型,对液氮冻结盾尾密封加固温度场进行数值模拟,研究了温度空间分布及温度随时间变化规律,并对影响冻结温度场的因素进行敏感性分析。通过数值模拟和现场原位实测的对比分析,得出了液氮冻结温度场的变化规律:液氮冻结的时间随着土体导热系数的增大而呈衰减性缩短,随土体容积热容量的增大而呈线性减缓;到达冻结工作面的液氮温度越低,冻结完成的时间越呈衰减性缩短。     

地铁车站PBA洞桩法施工数值模拟研究

以沈阳地铁一车站PBA洞桩法施工为背景,采用MIDAS-GTS岩土数值分析软件模拟PBA洞桩法的施工工艺;通过数值模拟结果的数据分析,研究PBA洞桩法施工时地表沉降、地层位移和地层应力的规律和特点;提出了PBA洞桩法的施工建议,为沈阳地区PBA洞桩法施工提供参考.     

砂卵石地层冻结施工冻胀效应及其对既有隧道的影响分析

人工地层冻结法的实施会引起地层的冻胀,为了探究富水砂卵石地层冻胀特性及其对既有结构的扰动,本文首先阐述了土体冻胀的本质和温度与结构应力应变之间的关系,并依托洛阳轨道交通1号线塔湾站~史家湾站区间联络通道工程建立三维热力耦合数值模型,对砂卵石地层冻结期间的地层冻胀变化和既有隧道变形受力进行了数值计算分析。计算结果表明：(1)冻结管降温使得冻结管周围地层中的水分冻结,土体体积膨胀,进而使联络通道设计位置上方地表出现隆起,且距联络通道中心的水平距离越近,隆起变形值就越大;(2)地层的冻胀对既有双线隧道造成扰动,隧道结构变形主要表现为拱顶隆起、拱底下沉、靠近联络通道一侧的拱腰向隧道内侧产生横向变形,同时联络通道设计开口位置附近的管片结构出现应力集中现象;(3)在整个冻结过程中,冻结前期设计加固区域地层的降温速率和低温扩散速率较快,地层冻胀效应变化显著,而到冻结后期受冻结范围影响地层冻胀变形和既有隧道变形的增幅均有所减小。     

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。     

特大基坑工程冻结法施工力学数值模拟

某跨江大桥北锚碇圆柱形基坑工程规模为迄今中国最大的,直径65 m,深47 m.开挖初步设计方案之一为地层冻结帷幕法.在已有工作的基础上对冻结法施工力学进行了三维非线性大变形有限元模拟,介绍了模拟方法和结果.采用了"预应力方法"、"生死单元方法"计算了基坑冻结开挖和衬砌的分步应力场和变形场.弹塑性有限元模拟和及其分析表明,某大桥北锚碇特大基坑工程冻结法施工开挖的初步设计方案是可行的.冻结壁厚度5.5 m、平均温度-12℃、砼衬砌厚度2 m、短段开挖步长高度2～3 m等主要设计参数能满足基坑工程安全稳定和变形控制要求.     

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。     

浅埋暗挖隧道管幕冻结法温度场数值模拟

随着城市隧道和地下工程建设环境的日趋复杂,为了不影响城市地面交通正常运行秩序,地下隧道多采用暗挖工法。以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段为工程背景,根据现场冻结实测数据,通过有限元软件对积极冻结期隧道全断面进行冻结壁温度场数值模拟。结果表明:数值模拟温度变化结果与实测温度数据基本一致,冻结壁在50d时形成交圈,冻结90d时冻土帷幕平均厚度达到2.32m,交圈前20d积极冻结期,冻结管之间土体温度变化速率为-0.58℃/d,交圈后维护冻结期,该点温度变化速率为-0.22℃/d,说明冻结壁交圈前土体变化速率更快,研究结果可为类似的采用管幕冻结法施工隧道提供了参考依据。     

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。