大流速渗透地层三管冻结稳态温度场解析解

本文采用“分段等效”的方法对水热耦合作用下三管冻结稳态温度场的冻结锋面进行简化,通过定义“调节系数”,利用势函数叠加原理推导了三管冻结温度场解析解。结合三管冻结大型物理模型试验,将解析解计算结果与试验结果进行比较。结果表明,解析解计算结果与试验结果较为吻合。当渗流速度由0 m/d增加至6 m/d时,渗流场的存在使得三管冻结温度场进入稳定阶段的时间延长了1000分钟,是无渗流速度时的1.57倍;同时,上游区域冻结锋面的扩展范围减小,下游区域的扩展范围增大,两侧区域的扩展范围基本相等。由解析解可以得出,渗流场使得上游/两侧/下游轴线上的平均温度由-9.15℃/-7.76℃/-9.10℃降低为-9.71℃/-10.02℃/-9.10℃,说明渗流场的存在对三管冻结稳态温度场分布规律影响较大,为大流速渗透地层人工冻结设计提供参考。     

高流速卵石地层地铁联络通道人工冻结温度场研究

地铁联络通道的开挖经常受到地下水干扰,人工地层冻结法凭借其优秀的封水性和适应性成为富水地层联络通道施工的首选工法。依托北京地铁12号线苏州桥站~人民大学站区间1#联络通道冻结工程,通过现场实测研究地层温度场和泄压孔压力的发展规律,分析冻结帷幕的交圈特征,确定高流速地层冻结壁薄弱位置。结果表明：盐水去回路温度在冻结初期迅速下降,而后降速减缓并最终稳定在-28℃以下;测温孔中土体与管片交界处的温度高于土体内部,渗流上游冻结壁温度高于下游,这些区域应当重点监测;冻结至59d时,利用基于实际降温速率的分阶段冻结壁厚度计算方法求得不同截面位置处的冻结壁最小厚度为2 495.2mm,同时泄压孔压力已全部释放并保持稳定,冻结壁不再发展,满足联络通道开挖要求。研究成果能为高流速地层的人工冻结参数选取和监测提供理论支持。     

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。     

不同渗流速度对新型管幕冻结法温度场影响

为了探究渗流作用对新型管幕冻结法温度场发展与分布规律的影响，利用有限元软件研究不同渗流速度下冻结施工中冻结帷幕的发展规律，通过分析冻结壁的交圈时间与最终厚度，得出如下结论：渗流对冻结帷幕的影响主要体现在冻结施工前期冻结壁未交圈时，以及渗流作用对上游的冻结帷幕影响较下游更显著，导致冻结帷幕产生向下游的偏移；冻结壁交圈后能发挥较好的止水作用，冻结区域内渗流速度几乎为0；渗流对温度场的影响体现在使冻结壁交圈时间推迟与使冻结壁厚度变薄，随着渗流速度增加，冻结帷幕交圈闭合时间延长呈现非线性，可采用指数函数进行拟合；上游与冻结方向平行处冻结壁最薄，冻结帷幕与渗流方向垂直处几乎不受到渗流影响，在渗流速度过大时，冻结帷幕交圈时间会大幅增加，可采用加密上游冻结管的方式减小渗流对冻结区域的影响，分析结果可为后续类似工程提供参考依据.     

渗流速度对砂土人工冻结壁的影响

运用相似理论设计了不同的渗流速度和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,这种不对称性也越明显,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。     

地下水横向水平流速对人工水平冻结壁形成的影响

基于多孔介质传热和渗流理论,建立渗流场和冻结温度场的耦合数学模型,采用有限元方法模拟了某地铁隧道与车站对接的加固工程中冻结温度场变化和冻结壁形成过程.研究表明,在矩形布孔方式下横向水平流作用的冻结壁呈不均匀对称状,垂直于地下水流向的冻结壁形成慢,平行于流向的冻结壁形成较快,且上游冻结壁厚度薄,下游冻结壁厚度大;在交圈时间上,垂直于流向的冻结壁中部交圈迟缓;流速的改变对上游冻结壁平均厚度影响最为显著.     

南京地铁集庆门盾构隧道进洞端头人工冻结加固温度实测

在人工冻结法施工过程中,及时掌握冻土温度场的发展情况是控制和指导施工的重要手段.以南京地铁集庆门站左线盾构到达冻结工程为依托,运用数字测温系统对人工冻结法加固盾构进洞端头的地层温度进行了原位监测,获得了在地层初始温度高、土层含水量大的情况下进行人工地层冻结施工的温度实测数据.在后期停止冻结后对人工冻土的自然解冻温度进行了监测分析.监测结果表明:土质对冻结温度场的影响胜于含水率对其的影响;地下水流速过快和土体中的空气能够阻碍冻结壁的有效形成;在洞口加固工程中注浆水化热不会对土体的冻结产生明显影响;冻土壁轴面上的自然解冻速率快于其他位置,但轴面处冻土的解冻周期性相对较长.     

中空圆环形冻结管单管冻结温度场数值分析

为了解不同几何尺寸的中空圆环形冻结管在使用相同盐水降温计划时(通入相同体积的盐水)经过40 d积极冻结后其温度场的发展规律,使用有限元软件进行数值分析,采用单因素法进行模拟,数值模型选取瞬态温度场模型,得到最终的温度场发展变化规律.主要结论:在使用相同体积盐水的情况下,中空冻结管的冻结面面积较大,因此冻结效果较实心冻结管好;对空心冻结管来说,不同进水及出水口厚度对中空管的冻结效果有一定的影响,-1℃和-10℃的等温线相比较,几何尺寸对-1℃等温线的影响更大,每减小5mm进水管厚度,-1℃等温线半径增大0.199 mm,-10℃等温线半径增大0.112 mm;以冻结管轴心为中心,半径1.32 m及更远处的冻结效果不明显.     

多圈管冻结模型试验及水热耦合数学模型研究

根据相似理论推导出人工冻结温度场和水分场模型试验相似准则。以淮南某煤矿风井井筒工程条件为背景,进行了人工多圈管冻结模型试验,获得冻结壁形成过程中,温度场和水分场的变化规律;证实了温度梯度是引起人工正冻土中水分迁移的主要原因,推导了水热耦合控制微分方程。研究结果表明:位于冻结锋面处水分迁移最激烈;在冻结区内水分不发生迁移;冻结壁内部含水量为非均匀,靠近冻结管位置含水量增加,两圈冻结管之间水分迁移量最大,达到7%~10%;内圈冻结管和外圈冻结管含水量增加8%~12%。     

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。     

基于温度示踪的地下水流速测量研究

研究地下水的流动特性具有重要的意义,在以往的研究中,分布式温度传感可以用于识别地下水的渗流速度和位置,受此启发,通过建立数学模型和物理模型模拟现场环境及工况,基于点热源主动加热以及对加热阶段和冷却阶段的连续温度监测,推导出温度变化速率与一维地下水渗流速度的函数关系,并通过室内试验予以验证.结果显示,在地下水流速为一维且恒定、流速较大且范围在1×10^-3～1×10^-2cm/s时,可以通过该方法进行流速的计算.在工程实际中可以该方法用于在空间和时间维度上监测温度和渗流情况.     

渗流作用下三亚河口通道管幕冻结法温度场数值模拟分析

为得到在渗流作用下管幕冻结法温度场的变化规律,以三亚河口通道海底隧道工程初步设计为例,运用有限元数值模拟软件建立水热耦合模型,假设模型中渗流流向自左向右,通过改变模型中平均渗流速度的大小对冻结帷幕的发展、封闭性、厚度变化等进行分析.结果表明：在冻结期间,随着平均渗流速度的增大,外圈冻土帷幕的形成时间延迟,其向渗流流向偏移的程度增大,且最终稳定的冻土帷幕平均厚度减小;在冻结约14 d后,不同水头差下的冻土帷幕内部渗流速度均降至0 m/d,冻土帷幕在形成的早期受渗流作用的影响较大.鉴于原冻结方案较为保守,提出优化冻结方案：将原冻结方案外圈冻结管减少一半至48根,且调整盐水降温计划实现二次优化.对二次优化结果分有渗流与无渗流两种情形进行讨论,结果得出：优化后在渗流作用下冻土帷幕厚度约5 m,比原方案减少了2 m,既满足冻结设计要求,又提高了经济性.     

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.     

呼和浩特市地铁联络通道冻结施工监测与分析

内蒙古呼和浩特市地铁2号线1号联络通道采用冻结法施工,冻土帷幕的发展情况是确保联络通道顺利开挖的关键.基于现场监测数据,对该地区的温度场、泄压孔压力进行数据分析研究,研究表明：冻结场的温度在冻结前期变化较大,在冻结后期逐渐平缓,且温度均低于-10℃;通过对比,C2测温孔的降温速度大于C1测温孔的降温速度,因此土体所在位置冻结管排布密度越大且越靠近冻土帷幕内侧,土体温度降温速率越快;泄压孔可以及时监测土体内冻土帷幕是否交圈,泄压孔压力在冻结16 d后恒定在0.23 MPa,此时冻土帷幕开始交圈;通过公式计算得到冻土帷幕最小厚度2.358 m,平均温度-11.04℃,均符合设计开挖要求.通过分析得出该地区的冻结管设计方案安全可靠,以期对往后类似工程提供参考依据.     

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。     

标准火灾下配筋圆钢管混凝土柱温度场试验研究

为研究ISO 834标准火灾升降温作用下配筋圆钢管混凝土柱的温度场分布规律,首先进行了2根配筋圆钢管混凝土柱的温度场试验,升温时间分别为30 min和60 min,进而在确定材料参数,分析传热方程的基础上,利用有限元软件ABAQUS建立模型,模型结果与试验结果吻合较好.结果表明:沿柱纵向位置不同的测点温度发展规律一致,试件轴向温度场均匀分布;试件内部不同位置存在温度梯度,越靠近截面中心处,所能达到的最高温度越低,达到最高温度的时间越迟缓,降温也越缓慢;在升温过程中,混凝土材料温度达100℃时,形成一个温度平台,配筋对混凝土温度分布影响可以忽略.     

联络通道富水卵砾石层冻结施工冻结壁温度及变形的模型试验

应用室内强度试验确定富水卵砾石层相似材料配合比,并进行冻结温度场、水分场与应力场的相似准则推导,设计研发出以物理模型箱,包括加载、制冷、监测系统为一体的多功能物理模型试验平台,根据等散热能量原则设计冻结管布置方案,研究了富水卵砾石层冻结过程中冻结壁温度及变形规律。通过模型试验监测模拟富水卵砾石地层冻结壁形成、地层冻胀及开挖过程中温度场与位移场变化,发现距离冻结管近端温度下降比远端快,随着时间的不断增加,冻结壁冻胀位移一直增大,最后达到峰值,不同位置由于冻胀引起的位移还是存在稍许差异,具体表现在拱顶冻胀位移最大,拱角次之,拱底最小。结果表明:冻结壁内侧温度下降比外侧下降快,离冻结管越远的测点差异性也越大,距离冻结管近端温度下降比远端快;冻胀阶段位移拱顶处最大,其次为拱角,拱底最小,而开挖阶段拱底处位移变化最大,其次为拱角,拱顶最小。两阶段位移都是先增大而后趋于平缓,但开挖位移开挖断面处有突变。     

盾构隧道接收端冻结温度场的演化规律

为了研究哈尔滨地铁大有坊街站~太平桥站区间左线盾构接收端水平冻结温度场的演化规律,本文通过开展接收端土层热物理试验,建立ABAQUS三维数值模型,研究了杯型冻结壁有效厚度、平均温度及温度场发展与分布规律,并结合现场监测验证了接收端冻结工程方案的可靠性。结果表明：冻结过程中,杯型冻结壁的外圈管、内圈管和中圈管依次完成交圈;积极冻结25 d,杯型冻结壁有效厚度和平均温度均已满足方案要求,继续积极冻结至30 d,杯底厚度发展至3.74 m,平均温度可达–18.99 ℃;杯身厚度发展至1.81 m,平均温度可达–14.12 ℃。可见,该加固方案安全可行,研究结果可为相同地层环境下盾构接收端冻结工程提供参考。     

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.     

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。