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。     

冻土导热系数试验方法对比研究

采用热线法和热流计法分别对粉质黏土的冻土试样和融土试样进行了导热系数的测定。两种试验结果均反映出导热系数随含水率增大而增大,随干密度增大而增大的变化规律。通过回归分析得出导热系数受含水率的影响明显大于干密度的影响。将两种试验方法所得结果进行比较,并进行差异显著性检验。两种试验方法中,热线法所得导热系数更大,而试验方法的不同对导热系数的数值影响十分显著。在实际工程中进行温度场模拟和热工计算时,需要选择适当的试验方法获取数据,以避免分析结果严重偏离实际。     

冻土导热系数试验方法对比研究

采用热线法和热流计法分别对粉质黏土的冻土试样和融土试样进行了导热系数的测定.两种试验结果均反映出导热系数随含水率增大而增大,随干密度增大而增大的变化规律.通过回归分析得出导热系数受含水率的影响明显大于干密度的影响.将两种试验方法所得结果进行比较,并进行差异显著性检验.两种试验方法中,热线法所得导热系数更大,而试验方法的不同对导热系数的数值影响十分显著.在实际工程中进行温度场模拟和热工计算时,需要选择适当的试验方法获取数据,以避免分析结果严重偏离实际.     

基于MATLAB PDE工具箱的土体冻结温度场模拟

为提高冻土温度场的计算效率,实现土体冻结过程中温度场的快捷求解,基于MATLAB PDE工具箱进行了土体冻结瞬态温度场的模拟。通过对模型边界及热传导条件的合理假设,基于模型槽中冻结管的法平面建立平面坐标系,在平面均匀传热的基础上实现了将三维的热源导问题转化为依据冻结管法平面建立的二维平面问题。对比分析了模型槽中各测温点的实测值与模拟值,结果表明:测温点的模拟温度曲线与实测温度曲线变化趋势基本一致,模拟降温速度大于实测降温速度,且靠近模型槽边界的测温点模拟值与实测值误差较大。研究结果可为人工冻结法施工过程中土体冻结瞬态温度场的预测提供参考。     

中俄原油管道沿线冻土热学性质试验研究

导热系数是冻土热学性质中一项重要物理指标,它反映了土体传递温度的能力,是管道温度场以及下覆冻土融化圈的重要影响因素。导热系数的测量方法有很多,但不同试验方法对同一种土所测得的结果却存在较大差异。本文分别采用热线法、热流计法和比较法对中俄原油管道沿线的冻土原状样与扰动样进行了导热系数的测定,并对试验结果进行了回归分析。通过对比不同试验方法、不同土质类别等因素对导热系数的影响,分析对中俄原油管道工程沿线不同类型的管道地基土所采用的每种测量方法的适用范围。试验结果表明：对于同一种土,热线法的导热系数试验结果最大,热流计法的试验结果最小,而原状土样的试验结果则大于扰动土样的试验结果。可见,对细粒土扰动样的导热系数测量宜采用热线法,对细粒土原状样的导热系数测量宜采用比较法;而粗粒土由于受含泥量的影响,对扰动样的导热系数测量宜采用热流计法,对原状样的导热系数测量宜采用比较法。     

盾构出洞水平冻结加固杯型冻土壁温度场数值分析

利用冻土热传导理论建立数值模型,对南京地铁2号线逸仙桥站水平冻结加固杯型冻土壁温度场进行三维数值模拟,经与实测数据对比分析,验证了计算方法、计算模型的正确性。计算表明:逸仙桥站冻结40d后,冻土壁杯底厚度至少可达3.1m,杯体厚度最小为1.3m,而短管底部冻土发展厚度不均,中圈管底部厚度最大,中心管最小,为0.3m。利用经验证的模型和计算方法,可为预测洞门开凿时机提供参考依据。     

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.     

冻土单轴抗压试验研究及盾构始发冻结优化设计

为保证浅埋深富水软弱地层的盾构隧道安全始发,采用人工冻结法进行端头加固。通过在室内进行冻土单轴抗压试验,得到可靠的冻土力学参数,并采用正交试验的方法分析冻结深度、冻结宽度和冻结温度对地表沉降和管片拱顶沉降的影响规律和影响程度,选取确定最优冻结加固方案。结果表明：土体冻结温度越低,抗压强度越大;对地表沉降和管片拱顶沉降的影响排序为冻结深度>冻结宽度>冻结温度;最优冻结方案为冻结宽度6m,冻结深度15m,冻结温度-20℃。     

人工水平冻结冻土帷幕强制解冻温度场数值分析

结合某车站北端头盾构到达人工水平冻结加固工程,运用数值计算软件ADINA建立了人工强制解冻模型,研究了水平冻土帷幕在人工强制解冻条件下温度场的分布规律,分别对强制解冻过程中热水循环温度、热水循环时间,以及解冻管间距的敏感性进行了分析。结果表明：提高循环热水温度、延长热水循环时间以及尽量利用原有水平冻结管的最短间距均能够缩短冻土帷幕人工强制解冻的完成时间,进而提出了盾构到达水平冻结冻土帷幕人工强制解冻施工技术参数指标。     

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。     

人工冻结土污染物隔离屏障应用现状及研究展望

土体冻结后渗透系数显著降低,能够减缓其中污染物的迁移速度,因此冻土屏障已经被应用于污染物处置领域。通过介绍国内外有关研究现状,总结近年来污染物在工程屏障中的扩散与吸附特性、天然冻土中污染物的运移特性、利用人工冻土处置污染物等方面的研究成果,对该领域常用研究方法、思路和技术进行了介绍,总结污染物常见工程屏障材料以及天然冻土中的迁移特征,指出现有研究的成果与不足,对人工形成冻土屏障处置污染物的技术发展前景进行了展望,提出了更深入的研究人工冻土阻滞机理的设想。     

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。     

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。     

人工冻土单轴抗压强度GA-SVM预测模型

为了预计冻结法凿井中井壁结构设计中的人工冻土单轴抗压强度,利用支持向量机在处理小样本分类学习的独到优越性及遗传算法全局并行搜索优化的特点,结合影响人工冻土单轴抗压强度因素,提出了人工冻土单轴抗压强度不同核函数的遗传支持向量机计算模型,并运用该模型预计了两淮地区第四系人工冻土单轴抗压强度。结果表明,多项式核函数的遗传支持向量机模型较高斯径向基核函数及Sigmoid核函数的遗传支持向量机模型较准确地预计人工冻土单轴抗压强度。该模型为人工冻土单轴抗压强度的预计提供了一条新途径。     

基于Monte-Carlo法的冻土路基随机温度场分析

对青藏铁路沿线岩土热学参数进行统计分析,得出岩土的基本统计值及概率分布模式,采用基于Monte-Carlo法的随机有限元方法计算冻土区的路基随机温度场,得出随机温度场的均值和标准差.结果表明：路基的温度场均值和标准差分布趋势基本相似,且在路基上部和路基边坡面附近,其绝对值较大;温度的标准差在边界附近出现最大值,且沿边界向内而逐渐减小;在边界浅层区域,温度的标准差出现局部变化,到达一定深度后趋于稳定,并随着时间增加而增大,路基标准差区域从边界向内而逐渐扩大.     

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．     

天津滨海新区人工冻结粉质黏土强度特性试验研究

天津滨海新区地铁规划区域内粉质黏土分布广泛,此前缺少冻土物理力学参数的相关试验研究资料,对现场取得的大量原状土,在3种负温度下人工冻结48 h后,进行单轴抗压、抗折的室内试验研究。试验分析研究了在不同的冻结温度下人工冻土的受力变形特性,以及强度与冻结温度之间的关系,研究结果表明:在不同的冻结温度下,单轴抗压较抗折表现出很好的规律性。同时,试验的研究结果可供天津滨海新区其他软土地区的人工冻土强度取值参考。