隧道围岩管幕冻结组合预加固中的冻胀量模拟计算分析

发布时间：2017-09-26 23:36

  本文关键词：隧道围岩管幕冻结组合预加固中的冻胀量模拟计算分析

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【摘要】：二十一世纪是地下空间的世纪,随着国家将基础设施建设战略逐步转为地下,各省市掀起了建设地下隧道的浪潮,其中沿海发达城市尤为突出。然而,沿海城市地区多为工程性质极差的土质,含水量高,承载能力差。为了应对此类土层的隧道施工项目,人工水平冻结技术正越来越多被人们所重视。人工水平冻结法是指在隧道开挖前,将冻结管沿着隧道开挖面外围预定位置顶进土层中并通入低温盐水,与土体进行热交换,使冻结管周围土体孔隙水冻结成冰,形成冻土柱,最后冻土柱交圈形成冻结壁。人工冻结法作为隧道施工预加固技术具有明显优势：封水可靠、适用性强以及无害环境。但人工冻结法也有其局限性,即冻结过程中的伴随有冻胀现象,危害周边已埋管线与地表建筑。本文以港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道暗挖段为工程背景进行人工冻结法研究。首先,本文进行了相关课题的调查研究,查阅大量资料,掌握了冻结工程中冻土的形成规律与冻胀现象的形成机理；接着采用理论分析与ABAQUS数值模拟的方法研究了人工冻结法与管幕法组合的情况下,积极冻结过程中土层温度场的变化规律,并且通过三种冻结方案(单管冻结方案、双管冻结方案、异形冻结管延迟开启冻结方案)的数值模拟结果对比分析,得出最佳冻结方案；最后对实际工程施工的关键技术提出相关建议。通过研究表明,单根冻结管冻结时冻结区域基本是以冻结管横截面为圆心的圆形区域；多根冻结管冻结是,各冻结管形成的圆形冻土柱会逐渐融合并逐渐形成具有止水效果的冻结壁；在多种冻结方案中,同时开启圆形冻结管与异形冻结管有利于提高冻结效率,缩短冻结时间并且产生的地表冻胀位移量更小。
【关键词】：人工地层冻结 温度场 ABAQUS 数值模拟 冻胀
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.49
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 课题来源及研究意义13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 人工冻结法的研究现状13-15
• 1.2.2 管幕预加固法的研究现状15-16
• 1.2.3 管幕冻结组合预加固法的研究现状16-18
• 1.3 工程概况18-20
• 1.3.1 地质条件与水文条件19-20
• 1.3.2 周边建筑及地下管道20
• 1.4 课题研究内容与方法20-22
• 1.4.1 研究内容20-21
• 1.4.2 研究技术路线21-22
• 第二章 冻土的组成与物理力学特性22-35
• 2.1 冻土的物质组成22-26
• 2.1.1 冻土中的土颗粒22-23
• 2.1.2 冻土中的冰23-24
• 2.1.3 冻土中的未冻水24-26
• 2.1.4 冻土中的气体26
• 2.2 冻土的热物理特性26-31
• 2.2.1 土体的结冰温度26-27
• 2.2.2 冻土的导热系数27-28
• 2.2.3 冻土的热容量与比热28-30
• 2.2.4 冻土的导温系数30-31
• 2.2.5 冻土的相变潜热31
• 2.3 冻土的力学特性31-33
• 2.3.1 冻土的抗压强度31-32
• 2.3.2 冻土的抗拉强度32
• 2.3.3 冻土的抗剪强度32-33
• 2.4 冻土的蠕变性33-35
• 2.4.1 冻土蠕变的类型33-34
• 2.4.2 冻土蠕变的影响因素34-35
• 第三章 水平地层冻结温度场与数值模拟分析35-57
• 3.1 冻土与温度场的形成35-40
• 3.1.1 冻土形成的基本过程35-36
• 3.1.2 冻结过程中的水分迁移36-38
• 3.1.3 土中水冻结成冰机制38-39
• 3.1.4 冻结工程冻结壁的形成过程39-40
• 3.2 单管冻结温度场的解析分析40-44
• 3.2.1 温度场计算模型的建立40-41
• 3.2.2 模型求解条件41-42
• 3.2.3 计算模型的求解42-44
• 3.3 冻结温度场的数值模拟44-56
• 3.3.1 ABAQUS软件简介44-45
• 3.3.2 ABAQUS中热传递的有限元方法理论45-47
• 3.3.3 温度场的数值模拟47-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第四章 地表冻胀量与数值模拟计算分析57-84
• 4.1 地层冻胀概述57-62
• 4.1.1 冻胀的形成机理57
• 4.1.2 土体冻胀的影响因素57-59
• 4.1.3 冻胀计算模型59-62
• 4.2 冻胀量计算的热力耦合模型62-64
• 4.3 冻胀位移场的数值模拟分析64-83
• 4.3.1 ABAQUS在热力耦合问题中的应用64
• 4.3.2 模型的建立64-67
• 4.3.3 冻胀位移的用户子程序67-68
• 4.3.4 冻结方案设计68
• 4.3.5 冻胀位移模拟结果及对比分析68-81
• 4.3.6 冻胀率影响因素分析81-83
• 4.4 本章小结83-84
• 第五章 拱北隧道暗挖段冻结法施工关键技术分析84-90
• 5.1 拱北隧道暗挖段冻结施工概述84-86
• 5.1.1 冻结整体设计84
• 5.1.2 冻结工程工作原理84-85
• 5.1.3 盐水循环模式85-86
• 5.2 冻结施工关键技术86-89
• 5.2.1 盐水管保温86-87
• 5.2.2 冻结管铺设87
• 5.2.3 冻结监测87-88
• 5.2.4 冻胀控制88
• 5.2.5 地表变形监测88-89
• 5.3 本章小结89-90
• 结论与展望90-92
• 参考文献92-97
• 致谢97

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本文编号：926418