發(fā)布時間：2020-12-01 17:46

　　人工凍結(jié)法憑借可控性強、綠色無污染、適用范圍廣等優(yōu)點在市政工程中被廣泛應(yīng)用,在軟黏土區(qū)域已經(jīng)成為成熟的施工方法。隨著人們對地下水資源保護(hù)意識的日益增強,城市施工中對基坑開挖降水的限制越來越嚴(yán)格,國內(nèi)許多粗粒土地層豐富的地區(qū)也開始嘗試使用凍結(jié)法施工。然而,粗粒土滲透系數(shù)較大,往往水量充足,水流速度較大,難以形成連續(xù)的凍結(jié)壁。研究粗粒土地層在人工凍結(jié)過程中的溫度場變化規(guī)律及相關(guān)條件對凍結(jié)壁發(fā)展和周圍土體的影響,對推廣凍結(jié)法施工在粗粒土地區(qū)的應(yīng)用具有重要意義。本文首先在滲流場和溫度場耦合的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,以滲流條件下的飽和砂層凍結(jié)模型試驗為計算原型,選擇適用于多場耦合的有限元軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行模擬計算。將模型試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,以驗證該軟件在粗粒土凍結(jié)過程中計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了彌補試驗條件有限的缺陷,再以數(shù)值模擬為主要研究手段,建立了水熱力耦合作用下的粗粒土地層馬蹄形地鐵聯(lián)絡(luò)通道數(shù)值模型,探究在流速、凍結(jié)管間距和布管方式三個因素影響下地層溫度、地表變形和應(yīng)力發(fā)展規(guī)律。主要研究成果如下:(1)通過對比模型試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)吻合性較好,證明C... 

【文章來源】： 楊笑 北京建筑大學(xué)

【文章頁數(shù)】：60 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

技術(shù)路線

第2章凍結(jié)溫度場和滲流場耦合理論研究8(3)熱輻射是指物體通過電磁波來傳遞熱量。凍結(jié)施工時，令鹽水等冷媒在凍結(jié)管中不斷循環(huán)流動，利用凍結(jié)管中的低溫鹽水與常溫土體之間的溫度差進(jìn)行熱量傳遞。在這個過程中，熱輻射的影響要遠(yuǎn)小于熱傳導(dǎo)及熱對流過程，因此在本文中忽略熱輻射對溫度場的影響，只考慮熱傳導(dǎo)和熱對流過程。2.2.1相變問題當(dāng)物質(zhì)從一個相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋�相態(tài)時，則稱其發(fā)生了相變。對于如純水這樣的純物質(zhì)來說，一定狀態(tài)下，固液相變的溫度是確定的，而對于如合金等混合體來說，固液相變是發(fā)生在某一溫度范圍內(nèi)的[56]。在相變過程中，還往往伴隨著熱量的釋放或吸收，即相變潛熱。在土體凍結(jié)的過程中，土層中的水由于溫度降低而由水結(jié)成冰，在形成連續(xù)凍結(jié)壁的同時也釋放出了大量潛熱，這些熱量會與凍結(jié)管中擴散的冷量發(fā)生中和作用，抑制凍結(jié)壁的增長。并且，在土體由融土轉(zhuǎn)變?yōu)閮鐾吝@一過程中，其各項熱物理參數(shù)也因此發(fā)生了改變。為了描述這些參數(shù)的連續(xù)變化過程，本文引入了二維階躍的平滑函數(shù)海維賽德函數(shù)(Heaviside)，用H(T)來表示，其表達(dá)式如下所示：()2(,)transHTflchsTTdT(2-1)式中，T——土體溫度(℃)；transT——水的相變點溫度(℃)；dT——相變區(qū)間(℃)，本文中取[-1，0]℃。海維賽德函數(shù)的圖像如圖2-1所示。圖2-1海維賽德函數(shù)圖像Fig.2-1TheHeavisidefunctionimage2.2.2數(shù)學(xué)模型基于以上假設(shè)及孔隙介質(zhì)對流換熱原理，滲流條件下的凍結(jié)溫度場方程可表示如下[57]：

第3章滲流條件下飽和砂層凍結(jié)模型試驗和數(shù)值模擬12置了緩沖室及儲水室，寬度均為100mm，由700mm高的砂礫石混合物填充，對水流起到一定緩沖作用。試樣室中試樣高度為400mm，下部用300mm壓實粘土填充，上部依次用厚度為250mm的壓實粘土和50mm的瀝青填充，具有一定隔絕外部和阻水的作用。試樣室與兩側(cè)用中間開洞的鋼板隔開，開洞部分安裝了100目篩網(wǎng)，保證起到過濾作用的同時不帶走試樣中的細(xì)粒。(a)試驗箱正面(b)試驗箱側(cè)面圖3-1試驗箱體內(nèi)部示意圖Fig.3-1Schematicdiagramoftheinsideofthetestbox滲流模擬系統(tǒng)由清水控溫系統(tǒng)和清水流通系統(tǒng)組成。控溫系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制流入試驗箱中的水流能保持恒定溫度，主要由控溫器、加熱棒等組成。清水流通系統(tǒng)主要確保水流的流動和循環(huán)過程的通暢，主要由清水泵、水箱、閥門、壓力表、流量計等組成。凍結(jié)制冷系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制凍結(jié)管中冷媒的溫度及循環(huán)流動，使冷量能夠擴散至周圍土層中，主要由制冷機組、水泵、凍結(jié)管等組成。由于使用安全、性質(zhì)穩(wěn)定、價格低廉且容易獲取的優(yōu)點，本次試驗選擇鹽水作為液體冷媒。制冷機組功率可滿足試驗需要，能使鹽水溫度穩(wěn)定降至-40℃。凍結(jié)管的凍結(jié)部分選擇金屬材料，導(dǎo)熱性能較好，其他鹽水流通的部分則選擇橡膠材料，具有耐腐蝕、低溫的優(yōu)勢。凍結(jié)管與試驗箱體通過螺栓連接，可以根據(jù)不同間距進(jìn)行調(diào)整布置，如圖3-2所示。其出土部分均由保溫材料包裹，確保鹽水在流動過程中的熱量損失降至最低。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Research on the temperature field of a partially freezing sand barrier with groundwater seepage[J]. Li Yan Lao,Zhi Qiang Ji,Liang Liang Huang,Shang Jing Li.  Sciences in Cold and Arid Regions. 2017(03)
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[8]滲流作用下地層凍結(jié)壁形成的模型試驗研究[J]. 周曉敏,王夢恕,張緒忠.  煤炭學(xué)報. 2005(02)
[9]凍結(jié)溫度場的疊加計算與計算機方法[J]. 汪仁和,李曉軍.  安徽理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2003(01)
[10]城市地下工程凍結(jié)法施工技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 蕭巖,程工.  市政技術(shù). 2002(03)
[1]寒區(qū)巖體低溫、凍融損傷力學(xué)特性及多場耦合研究[D]. 徐光苗.中國科學(xué)院研究生院（武漢巖土力學(xué)研究所） 2006

博士論文
[1]Research on the temperature field of a partially freezing sand barrier with groundwater seepage[J]. Li Yan Lao,Zhi Qiang Ji,Liang Liang Huang,Shang Jing Li.  Sciences in Cold and Arid Regions. 2017(03)
[2]地下水橫向水平流速對人工水平凍結(jié)壁形成的影響[J]. 劉建剛,劉泉,周冬冬,朱旭芬.  應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報. 2017(02)
[3]煤礦立井凍結(jié)壁溫度場演化規(guī)律數(shù)值模擬分析[J]. 楊更社,榮騰龍,奚家米,申艷軍,李博融.  地下空間與工程學(xué)報. 2016(02)
[4]直線排管凍結(jié)凍土帷幕平均溫度通用公式[J]. 胡向東,郭曉東.  煤炭學(xué)報. 2016(04)
[5]復(fù)雜條件下地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁不交圈原因的分析及治理[J]. 李方政,羅富榮,韓玉福,劉俊洋.  工業(yè)建筑. 2015(11)
[6]伊犁礦區(qū)某礦副井凍結(jié)壁不交圈原因分析及處置[J]. 葉玉西,石紅偉,楊明紅.  礦業(yè)工程. 2013(06)
[7]多排管局部凍結(jié)凍土壁溫度場特性[J]. 肖朝昀,胡向東,張慶賀.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2007(S1)
[8]滲流作用下地層凍結(jié)壁形成的模型試驗研究[J]. 周曉敏,王夢恕,張緒忠.  煤炭學(xué)報. 2005(02)
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[10]城市地下工程凍結(jié)法施工技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 蕭巖,程工.  市政技術(shù). 2002(03)
[1]寒區(qū)巖體低溫、凍融損傷力學(xué)特性及多場耦合研究[D]. 徐光苗.中國科學(xué)院研究生院（武漢巖土力學(xué)研究所） 2006

碩士論文
[1]地下水滲流條件下深立井多圈管凍結(jié)方案優(yōu)化研究[D]. 曾昆.安徽理工大學(xué) 2018
[2]濱海地層人工凍結(jié)法溫度場形成機理研究[D]. 劉娟.安徽理工大學(xué) 2018
[3]滲流作用下富水砂層凍結(jié)壁形成機理研究[D]. 丁航.煤炭科學(xué)研究總院 2018
[4]富水卵礫石地層地鐵聯(lián)絡(luò)通道人工凍結(jié)法施工模型試驗研究[D]. 姬文軒.西安科技大學(xué) 2017
[5]富水卵石地層中凍結(jié)法施工溫度場的研究[D]. 李天東.石家莊鐵道大學(xué) 2017
[6]滲流作用下飽和砂層多排孔凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律研究[D]. 于友斌.中國礦業(yè)大學(xué) 2017
[7]斜井軸向凍結(jié)交圈過程中溫度場和凍脹應(yīng)力變化規(guī)律及判定技術(shù)研究[D]. 張文博.中國礦業(yè)大學(xué) 2016
[8]地下水滲流作用下飽和砂層凍結(jié)壁形成的模型試驗研究[D]. 張緒忠.煤炭科學(xué)研究總院 2004



本文編號：2894957