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.     

多圈管冻结壁温度场发展及冻结管偏斜影响

人工多圈管冻结是深厚地层井筒掘砌的最有效方法,为进一步了解冻结壁温度场发展特性,以某冻结井筒为原型,开展了室内多圈管冻结模型试验,同时借助有限元软件对冻结管无偏斜以及随机偏斜两种条件下冻结壁温度场发展特性进行了分析比较。得出冻结管布置圈径对冻结壁环向扩展速率影响较小;冻结管偏斜对井帮温度、冻结壁有效厚度影响较小,但对不同位置冻结壁交圈时间及对径向方向冻结壁平均温度影响较大;同时冻结管偏斜会使冻结壁内部产生更多的密闭未冻承压水仓,引起冻结壁内部冻胀力增大,对冻结壁整体稳定性产生不良影响。在冻结造孔时,要严格控制冻结管偏斜。     

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。     

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.     

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。     

合理冻结温度的探讨

在井巷工程中,当采用冻结法施工穿过松散的不稳定表土层时,随着表土层厚度的增加和冻结温度的降低,在井筒施工过程中不断发生井壁压裂,冻结管断裂等事故。因而大大影响了井筒的施工速度和安全。为了解决以上问题,本文从冻结壁的强度和厚度的要求、冻结管受力分析、管材在低温条件下力学性能的变化及井壁受力情况分析,並提出合理的冻结温度范围。     

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。     

类比法分析预测井筒冻结效果实例应用

张集煤矿先后施工中央区第二副井、东区进风井2个井筒,本文通过分析第二副井相关冻结参数及井筒开挖实际情况来计算不同层位冻土发展速度,进而类比预测东进风井井筒冻结交圈和控制层位有效冻结壁厚度、井帮温度,为下一步工作提供依据。     

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.     

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。     

地下水流速对冻结温度场影响的试验研究

人工冻结地层(砂层)中,地下水流速对冻结温度场分布规律的影响非常大,为此,自行研制了一套监测地下水不同流速对冻结温度场影响的试验装置系统,该系统由地下水渗流系统、冻结系统和温度监测系统三大子系统组成。单管冻结的试验结果表明:在地下水(流速为5 m/d)作用下,上游距离冻结中心越近位置,温度梯度越大,下游的温度梯度较平缓;与冻结中心等距位置,下游的温度明显低于上游,表明上游的冷量被水带到下游。冻结15 d时,无流速情况下,冻结发展速度较快,形成一个半径约580 mm的冻结圆柱,而5 m/d的流速时,冻结发展速度较慢,并且下游的冻结发展速度比上游的快,与无流速时相比,上游形成的冻结厚度减少了22.4%,下游减少了5.2%。三管冻结的试验结果表明:当流速由5 m/d增大10 m/d时,冻结15 d时,冻结区域的面积仅减少了7.1%,由此可见,冻结管的"群管效应"可以有效减小水流对冻结区域的不利影响,可为大流速的地下水作用下的冻结管布置方案的优化设计提供参考。     

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。     

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。     

单排管冻结温度场ТРУПАК和БАХОЛДИН公式的适用性

采用Ansys有限元分析软件模拟单排管冻结壁温度场的分布情况,将得到的数据与Трупак单排管公式和r2flx03i,K14H单排管冻结温度场公式作比较,分析Трупак公式与Бахолдин公式,找出公式的不足,同时验证工程中还在应用的Трупак公式与Бахолдин公式根据测温值反算冻土壁厚度公式的适用性.结果表明,冻土柱交圈前,Трупак单管公式能比较真实地反映单根管情况下冻土温度场的情况;交圈后Трупак公式的应用是极不合适的,而Бахолдин公式得到了满意的结果.     

高承压水地层冻结温度场形成特性现场实测研究

现场实测高承压水地层冻结温度场,获得冻结温度随时间和空间的发展变化规律,基于试验和现场实测获得高承压水地层冻结壁交圈预报方法,对深厚裂隙岩体高承压水地层人工冻结法凿井具有重要的指导意义。     

潘集矿区冻结壁平均温度及冻结孔布置圈径的探讨

潘集矿区的冲积层厚、含水的砂性土层埋藏深、膨胀性粘土层厚、地压及水压大、地温高。在如此复杂的地质条件下,如何正确计算冻结壁厚度和冻结孔布置圈径,具有特别重要的意义本文在潘集冻结试验井、潘一东风井和潘二南风井的冻结壁温度场试验实测和理论计算的基础上,对冻结壁的平均温度特性和内外侧厚度比值等进行了分析研究,提出了有效厚度的冻结壁平均温度和冻结孔布置圈径的计算公式,并在潘集等矿区的深井冻结设计中应用,取得了良好的效果。     

高炉镶砖冷却壁温度场研究

开发了一个三维柱坐标系下冷却壁传热计算的计算机软件。应用该软件在给定的假设条件下研究了高炉镶砖冷却壁的温度分布情况，同时研究了炉内对流换热系数、冷却水速度、水管间距及砖衬厚度对冷却壁及耐火材料温度分布的影响。     

隧道联络通道冻结法施工三维有限元温度场分析

人工冻结法是一种经济可靠的隧道联络通道开挖方法.在冻结法施工过程中,冻结壁厚度是否达到设计要求是安全施工的重要保证.该文考虑了实际施工过程中冻结管偏斜布置的情况,利用三维有限元方法对上海复兴东路越江隧道联络通道进行温度场模拟.针对单排冻结管和双排冻结管,分别在冻结壁底部、中部和顶部建立路径,绘制每条路径的温度分布曲线,查看不同路径处冻结壁厚度及其随时间发展变化情况,得出有意义的结论,对联络通道安全施工有重要参考价值.     

富水砂卵石地层地铁联络通道冻结试验研究

联络通道是地铁区间的重要结构,冻结法凭借封水性好和适应性强等优势成为复杂环境条件下建造联络通道的核心工法。依托北京地铁19号线草桥站~右安门站区间3#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情况,以保证联络通道冻结施工顺利推进。结果表明,盐水去回路温度和测温孔温度均经历快速降温、缓慢降温和持续降温三个阶段,冻结壁外侧温度高于内侧,迎水面侧温度高于背水面侧,应重点关注迎水面冻结壁外侧的交圈情况。泄压孔压力经历保持平稳、压力增长和压力释放三个阶段,冻结28d后,泄压孔压力增长趋缓,冻结壁交圈良好。冻结37d后,测温孔的平均温度均低于-10℃,泄压孔压力降为0MPa,冻结壁已基本不再发展。