滨海地铁隧道人工冻结围岩热力耦合分析

发布时间：2017-04-03 15:09

  本文关键词：滨海地铁隧道人工冻结围岩热力耦合分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在地下工程建设向更深更难条件下发展的形势下,冻结法技术将是在深厚表土层、含水地层中施工的有效方法。人工冻结法的本质是为了加强土体的稳定性、减少施工时土层的变形以及阻断地下水的流动。但是,冻结法在施工过程中所产生的冻胀、融沉现象会对城市地面和建筑产生不利影响。因此,通过对地铁隧道冻土帷幕的温度场和位移场进行数值模拟可以控制冻结时间和土层的冻胀融沉等问题。本文结合滨海地铁隧道工程实例,用有限元ANSYS软件建立了隧道水平冻结施工的模型,对积极冻结后的冻结帷幕温度场和冻结条件下隧道开挖进行了数值模拟,研究了隧道在积极冻结结束后的温度场情况和冻结过程中的冻胀应力场分布,研究了冻胀引起的地表竖向位移和土层位移随时间变化规律,研究了隧道开挖后的应力重分布情况和开挖引起的位移场分布。通过对积极冻结后的土体温度场进行数值分析,可以得到不同位置的冻结帷幕厚度和平均温度。将计算结果与实测值进行比较,调整参数重新计算,预测隧道一区的交圈时间为60-80天,此时冻土帷幕的平均温度均不高于-10℃,冻土帷幕厚度将达到2m。通过冻结帷幕温度场与应力场耦合分析可知,除冻结帷幕附近外,越靠近模型底面,竖向应力越大。上表面的水平应力方向与负温区相反,且在地面位置有最小应力值,此后应力随着深度的增加而逐渐增大。初始应力场和位移场都呈水平均匀分布,土层由上到下应力值逐渐增加,位移值逐渐减小。应力最大值为0.96MPa,位移最大值为16.7mm。通过对维护冻结期隧道开挖过程的分析,表明第一主应力最大值出现在隧道底部两脚附近,约为0.3MPa,第三主应力最大值出现在隧道底部衬砌与临时支架连接处,最大值约为0.5MPa。在隧道开挖完后,应力关于隧道中心线呈对称分布。剪应力最大值出现在隧道两侧底角附近,最大值约为0.15MPa,这是由于隧道两侧底角曲率半径小,导致此处应力集中。最大弯矩位于衬砌和临时支架连接处,约为152KN.m。通过对隧道在分区开挖时的应力场、位移场和支护结构的受力情况进行分析,验证冻结帷幕设计参数的正确性和安全性。这对今后的冻结法施工设计有借鉴意义。
【关键词】：人工冻土 水平冻结法 温度场 冻结帷幕 数值分析
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.49;U231.3
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 1 绪论14-21
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 国内外应用及研究现状15-20
• 1.2.1 人工地层冻结法国内外应用现状15-16
• 1.2.2 人工地层冻结法研究现状及发展趋势16-20
• 1.3 研究内容20-21
• 2 冻结帷幕温度场基本理论21-36
• 2.1 冻土的组成成分21
• 2.2 冻土的物理力学特性21-27
• 2.2.1 热物理性质21-23
• 2.2.2 冻土的力学性质23-27
• 2.3 冻结帷幕的温度场27-36
• 2.3.1 人工冻土的形成过程27-28
• 2.3.2 冻结温度场形成28-29
• 2.3.3 冻结温度场的数学模型29-31
• 2.3.4 冻结温度场温度分布规律31-34
• 2.3.5 冻结帷幕内平均温度34-36
• 3 人工冻结法施工原理36-43
• 3.1 人工冻结法原理36
• 3.2 人工冻结法的优缺点36-37
• 3.3 人工冻结法施工工艺37-39
• 3.4 冻结帷幕方案设计39-43
• 3.4.1 冻结帷幕的结构形式39
• 3.4.2 冻土壁厚度计算39-41
• 3.4.3 冻结时间计算41
• 3.4.4 冻结孔布置41-43
• 4 有限单元法的理论基础及热应力分析基本原理43-49
• 4.1 有限元法的理论基础43-45
• 4.1.1 有限元法分析的基本原理43
• 4.1.2 有限元法解析步骤43-45
• 4.2 热力学分析计算理论45-49
• 4.2.1 ANSYS热分析的特点45-46
• 4.2.2 热应力分析46-49
• 5 人工冻结法在滨海某地铁施工中的应用49-59
• 5.1 工程概况49-51
• 5.2 施工条件51-52
• 5.2.1 地面及地下管线情况51
• 5.2.2 地质条件51-52
• 5.2.3 水文地质条件52
• 5.3 冻结制冷施工52-53
• 5.4 主要施工技术要点53-54
• 5.5 冻结施工设计参数54-59
• 5.5.1 冻结孔设计54-55
• 5.5.2 冻结帷幕设计55-59
• 6 冻结帷幕温度场及热应力有限元分析59-69
• 6.1 冻结帷幕荷载概述59-60
• 6.2 本构模型的选择60
• 6.3 计算模型与参数的确定60-62
• 6.3.1 计算模型建立60-61
• 6.3.2 荷载及边界条件61
• 6.3.3 计算参数确定61-62
• 6.4 ANSYS热应力数值模拟计算62-64
• 6.4.1 有限元模型及网格划分62-64
• 6.4.2 计算假定64
• 6.5 结果计算与分析64-69
• 6.5.1 冻结温度场模拟64-66
• 6.5.2 冻胀应力场66-69
• 7 ANSYS隧道开挖过程数值模拟分析69-86
• 7.1 隧道开挖有限元分析概述69
• 7.2 开挖方式及参数输入69-71
• 7.2.1 开挖方式69-70
• 7.2.2 计算模型70
• 7.2.3 结构参数输入70-71
• 7.3 应力场与位移场分析71-81
• 7.3.1 初始应力场分布71-73
• 7.3.2 最大主应力分布73-77
• 7.3.3 剪应力分布77-79
• 7.3.4 位移场分布79-81
• 7.4 支撑内力分析81-85
• 7.4.1 轴力81-82
• 7.4.2 剪力82-84
• 7.4.3 弯矩84-85
• 7.5 本章小结85-86
• 8 结论与展望86-88
• 8.1 结论86-87
• 8.2 展望87-88
• 参考文献88-91
• 致谢91-92
• 作者简介及读研期间主要科研成果92

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