粗粒土地层人工冻结过程中的温度场研究
发布时间：2020-12-01 17:46
人工冻结法凭借可控性强、绿色无污染、适用范围广等优点在市政工程中被广泛应用,在软黏土区域已经成为成熟的施工方法。随着人们对地下水资源保护意识的日益增强,城市施工中对基坑开挖降水的限制越来越严格,国内许多粗粒土地层丰富的地区也开始尝试使用冻结法施工。然而,粗粒土渗透系数较大,往往水量充足,水流速度较大,难以形成连续的冻结壁。研究粗粒土地层在人工冻结过程中的温度场变化规律及相关条件对冻结壁发展和周围土体的影响,对推广冻结法施工在粗粒土地区的应用具有重要意义。本文首先在渗流场和温度场耦合的数学模型基础上,以渗流条件下的饱和砂层冻结模型试验为计算原型,选择适用于多场耦合的有限元软件COMSOL Multiphysics进行模拟计算。将模型试验结果与数值模拟结果进行对比,以验证该软件在粗粒土冻结过程中计算结果的准确性。为了弥补试验条件有限的缺陷,再以数值模拟为主要研究手段,建立了水热力耦合作用下的粗粒土地层马蹄形地铁联络通道数值模型,探究在流速、冻结管间距和布管方式三个因素影响下地层温度、地表变形和应力发展规律。主要研究成果如下:(1)通过对比模型试验结果与数值模拟结果发现数据吻合性较好,证明C...
【文章来源】： 杨笑 北京建筑大学
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线
第2章冻结温度场和渗流场耦合理论研究8(3)热辐射是指物体通过电磁波来传递热量。冻结施工时，令盐水等冷媒在冻结管中不断循环流动，利用冻结管中的低温盐水与常温土体之间的温度差进行热量传递。在这个过程中，热辐射的影响要远小于热传导及热对流过程，因此在本文中忽略热辐射对温度场的影响，只考虑热传导和热对流过程。2.2.1相变问题当物质从一个相态转变为另一个相态时，则称其发生了相变。对于如纯水这样的纯物质来说，一定状态下，固液相变的温度是确定的，而对于如合金等混合体来说，固液相变是发生在某一温度范围内的[56]。在相变过程中，还往往伴随着热量的释放或吸收，即相变潜热。在土体冻结的过程中，土层中的水由于温度降低而由水结成冰，在形成连续冻结壁的同时也释放出了大量潜热，这些热量会与冻结管中扩散的冷量发生中和作用，抑制冻结壁的增长。并且，在土体由融土转变为冻土这一过程中，其各项热物理参数也因此发生了改变。为了描述这些参数的连续变化过程，本文引入了二维阶跃的平滑函数海维赛德函数(Heaviside)，用H(T)来表示，其表达式如下所示：()2(,)transHTflchsTTdT(2-1)式中，T——土体温度(℃)；transT——水的相变点温度(℃)；dT——相变区间(℃)，本文中取[-1，0]℃。海维赛德函数的图像如图2-1所示。图2-1海维赛德函数图像Fig.2-1TheHeavisidefunctionimage2.2.2数学模型基于以上假设及孔隙介质对流换热原理，渗流条件下的冻结温度场方程可表示如下[57]：
第3章渗流条件下饱和砂层冻结模型试验和数值模拟12置了缓冲室及储水室，宽度均为100mm，由700mm高的砂砾石混合物填充，对水流起到一定缓冲作用。试样室中试样高度为400mm，下部用300mm压实粘土填充，上部依次用厚度为250mm的压实粘土和50mm的沥青填充，具有一定隔绝外部和阻水的作用。试样室与两侧用中间开洞的钢板隔开，开洞部分安装了100目筛网，保证起到过滤作用的同时不带走试样中的细粒。(a)试验箱正面(b)试验箱侧面图3-1试验箱体内部示意图Fig.3-1Schematicdiagramoftheinsideofthetestbox渗流模拟系统由清水控温系统和清水流通系统组成。控温系统负责控制流入试验箱中的水流能保持恒定温度，主要由控温器、加热棒等组成。清水流通系统主要确保水流的流动和循环过程的通畅，主要由清水泵、水箱、阀门、压力表、流量计等组成。冻结制冷系统主要负责控制冻结管中冷媒的温度及循环流动，使冷量能够扩散至周围土层中，主要由制冷机组、水泵、冻结管等组成。由于使用安全、性质稳定、价格低廉且容易获取的优点，本次试验选择盐水作为液体冷媒。制冷机组功率可满足试验需要，能使盐水温度稳定降至-40℃。冻结管的冻结部分选择金属材料，导热性能较好，其他盐水流通的部分则选择橡胶材料，具有耐腐蚀、低温的优势。冻结管与试验箱体通过螺栓连接，可以根据不同间距进行调整布置，如图3-2所示。其出土部分均由保温材料包裹，确保盐水在流动过程中的热量损失降至最低。
【参考文献】：
期刊论文
[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]地下水横向水平流速对人工水平冻结壁形成的影响[J]. 刘建刚,刘泉,周冬冬,朱旭芬. 应用基础与工程科学学报. 2017(02)
[3]煤矿立井冻结壁温度场演化规律数值模拟分析[J]. 杨更社,荣腾龙,奚家米,申艳军,李博融. 地下空间与工程学报. 2016(02)
[4]直线排管冻结冻土帷幕平均温度通用公式[J]. 胡向东,郭晓东. 煤炭学报. 2016(04)
[5]复杂条件下地铁联络通道冻结壁不交圈原因的分析及治理[J]. 李方政,罗富荣,韩玉福,刘俊洋. 工业建筑. 2015(11)
[6]伊犁矿区某矿副井冻结壁不交圈原因分析及处置[J]. 叶玉西,石红伟,杨明红. 矿业工程. 2013(06)
[7]多排管局部冻结冻土壁温度场特性[J]. 肖朝昀,胡向东,张庆贺. 岩石力学与工程学报. 2007(S1)
[8]渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究[J]. 周晓敏,王梦恕,张绪忠. 煤炭学报. 2005(02)
[9]冻结温度场的叠加计算与计算机方法[J]. 汪仁和,李晓军. 安徽理工大学学报(自然科学版). 2003(01)
[10]城市地下工程冻结法施工技术及其应用[J]. 萧岩,程工. 市政技术. 2002(03)
[1]寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究[D]. 徐光苗.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2006
博士论文
[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]地下水横向水平流速对人工水平冻结壁形成的影响[J]. 刘建刚,刘泉,周冬冬,朱旭芬. 应用基础与工程科学学报. 2017(02)
[3]煤矿立井冻结壁温度场演化规律数值模拟分析[J]. 杨更社,荣腾龙,奚家米,申艳军,李博融. 地下空间与工程学报. 2016(02)
[4]直线排管冻结冻土帷幕平均温度通用公式[J]. 胡向东,郭晓东. 煤炭学报. 2016(04)
[5]复杂条件下地铁联络通道冻结壁不交圈原因的分析及治理[J]. 李方政,罗富荣,韩玉福,刘俊洋. 工业建筑. 2015(11)
[6]伊犁矿区某矿副井冻结壁不交圈原因分析及处置[J]. 叶玉西,石红伟,杨明红. 矿业工程. 2013(06)
[7]多排管局部冻结冻土壁温度场特性[J]. 肖朝昀,胡向东,张庆贺. 岩石力学与工程学报. 2007(S1)
[8]渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究[J]. 周晓敏,王梦恕,张绪忠. 煤炭学报. 2005(02)
[9]冻结温度场的叠加计算与计算机方法[J]. 汪仁和,李晓军. 安徽理工大学学报(自然科学版). 2003(01)
[10]城市地下工程冻结法施工技术及其应用[J]. 萧岩,程工. 市政技术. 2002(03)
[1]寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究[D]. 徐光苗.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2006
硕士论文
[1]地下水渗流条件下深立井多圈管冻结方案优化研究[D]. 曾昆.安徽理工大学 2018
[2]滨海地层人工冻结法温度场形成机理研究[D]. 刘娟.安徽理工大学 2018
[3]渗流作用下富水砂层冻结壁形成机理研究[D]. 丁航.煤炭科学研究总院 2018
[4]富水卵砾石地层地铁联络通道人工冻结法施工模型试验研究[D]. 姬文轩.西安科技大学 2017
[5]富水卵石地层中冻结法施工温度场的研究[D]. 李天东.石家庄铁道大学 2017
[6]渗流作用下饱和砂层多排孔冻结温度场发展规律研究[D]. 于友斌.中国矿业大学 2017
[7]斜井轴向冻结交圈过程中温度场和冻胀应力变化规律及判定技术研究[D]. 张文博.中国矿业大学 2016
[8]地下水渗流作用下饱和砂层冻结壁形成的模型试验研究[D]. 张绪忠.煤炭科学研究总院 2004
本文编号：2894957
【文章来源】： 杨笑 北京建筑大学
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线
第2章冻结温度场和渗流场耦合理论研究8(3)热辐射是指物体通过电磁波来传递热量。冻结施工时，令盐水等冷媒在冻结管中不断循环流动，利用冻结管中的低温盐水与常温土体之间的温度差进行热量传递。在这个过程中，热辐射的影响要远小于热传导及热对流过程，因此在本文中忽略热辐射对温度场的影响，只考虑热传导和热对流过程。2.2.1相变问题当物质从一个相态转变为另一个相态时，则称其发生了相变。对于如纯水这样的纯物质来说，一定状态下，固液相变的温度是确定的，而对于如合金等混合体来说，固液相变是发生在某一温度范围内的[56]。在相变过程中，还往往伴随着热量的释放或吸收，即相变潜热。在土体冻结的过程中，土层中的水由于温度降低而由水结成冰，在形成连续冻结壁的同时也释放出了大量潜热，这些热量会与冻结管中扩散的冷量发生中和作用，抑制冻结壁的增长。并且，在土体由融土转变为冻土这一过程中，其各项热物理参数也因此发生了改变。为了描述这些参数的连续变化过程，本文引入了二维阶跃的平滑函数海维赛德函数(Heaviside)，用H(T)来表示，其表达式如下所示：()2(,)transHTflchsTTdT(2-1)式中，T——土体温度(℃)；transT——水的相变点温度(℃)；dT——相变区间(℃)，本文中取[-1，0]℃。海维赛德函数的图像如图2-1所示。图2-1海维赛德函数图像Fig.2-1TheHeavisidefunctionimage2.2.2数学模型基于以上假设及孔隙介质对流换热原理，渗流条件下的冻结温度场方程可表示如下[57]：
第3章渗流条件下饱和砂层冻结模型试验和数值模拟12置了缓冲室及储水室，宽度均为100mm，由700mm高的砂砾石混合物填充，对水流起到一定缓冲作用。试样室中试样高度为400mm，下部用300mm压实粘土填充，上部依次用厚度为250mm的压实粘土和50mm的沥青填充，具有一定隔绝外部和阻水的作用。试样室与两侧用中间开洞的钢板隔开，开洞部分安装了100目筛网，保证起到过滤作用的同时不带走试样中的细粒。(a)试验箱正面(b)试验箱侧面图3-1试验箱体内部示意图Fig.3-1Schematicdiagramoftheinsideofthetestbox渗流模拟系统由清水控温系统和清水流通系统组成。控温系统负责控制流入试验箱中的水流能保持恒定温度，主要由控温器、加热棒等组成。清水流通系统主要确保水流的流动和循环过程的通畅，主要由清水泵、水箱、阀门、压力表、流量计等组成。冻结制冷系统主要负责控制冻结管中冷媒的温度及循环流动，使冷量能够扩散至周围土层中，主要由制冷机组、水泵、冻结管等组成。由于使用安全、性质稳定、价格低廉且容易获取的优点，本次试验选择盐水作为液体冷媒。制冷机组功率可满足试验需要，能使盐水温度稳定降至-40℃。冻结管的冻结部分选择金属材料，导热性能较好，其他盐水流通的部分则选择橡胶材料，具有耐腐蚀、低温的优势。冻结管与试验箱体通过螺栓连接，可以根据不同间距进行调整布置，如图3-2所示。其出土部分均由保温材料包裹，确保盐水在流动过程中的热量损失降至最低。
【参考文献】：
期刊论文
[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]地下水横向水平流速对人工水平冻结壁形成的影响[J]. 刘建刚,刘泉,周冬冬,朱旭芬. 应用基础与工程科学学报. 2017(02)
[3]煤矿立井冻结壁温度场演化规律数值模拟分析[J]. 杨更社,荣腾龙,奚家米,申艳军,李博融. 地下空间与工程学报. 2016(02)
[4]直线排管冻结冻土帷幕平均温度通用公式[J]. 胡向东,郭晓东. 煤炭学报. 2016(04)
[5]复杂条件下地铁联络通道冻结壁不交圈原因的分析及治理[J]. 李方政,罗富荣,韩玉福,刘俊洋. 工业建筑. 2015(11)
[6]伊犁矿区某矿副井冻结壁不交圈原因分析及处置[J]. 叶玉西,石红伟,杨明红. 矿业工程. 2013(06)
[7]多排管局部冻结冻土壁温度场特性[J]. 肖朝昀,胡向东,张庆贺. 岩石力学与工程学报. 2007(S1)
[8]渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究[J]. 周晓敏,王梦恕,张绪忠. 煤炭学报. 2005(02)
[9]冻结温度场的叠加计算与计算机方法[J]. 汪仁和,李晓军. 安徽理工大学学报(自然科学版). 2003(01)
[10]城市地下工程冻结法施工技术及其应用[J]. 萧岩,程工. 市政技术. 2002(03)
[1]寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究[D]. 徐光苗.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2006
博士论文
[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]地下水横向水平流速对人工水平冻结壁形成的影响[J]. 刘建刚,刘泉,周冬冬,朱旭芬. 应用基础与工程科学学报. 2017(02)
[3]煤矿立井冻结壁温度场演化规律数值模拟分析[J]. 杨更社,荣腾龙,奚家米,申艳军,李博融. 地下空间与工程学报. 2016(02)
[4]直线排管冻结冻土帷幕平均温度通用公式[J]. 胡向东,郭晓东. 煤炭学报. 2016(04)
[5]复杂条件下地铁联络通道冻结壁不交圈原因的分析及治理[J]. 李方政,罗富荣,韩玉福,刘俊洋. 工业建筑. 2015(11)
[6]伊犁矿区某矿副井冻结壁不交圈原因分析及处置[J]. 叶玉西,石红伟,杨明红. 矿业工程. 2013(06)
[7]多排管局部冻结冻土壁温度场特性[J]. 肖朝昀,胡向东,张庆贺. 岩石力学与工程学报. 2007(S1)
[8]渗流作用下地层冻结壁形成的模型试验研究[J]. 周晓敏,王梦恕,张绪忠. 煤炭学报. 2005(02)
[9]冻结温度场的叠加计算与计算机方法[J]. 汪仁和,李晓军. 安徽理工大学学报(自然科学版). 2003(01)
[10]城市地下工程冻结法施工技术及其应用[J]. 萧岩,程工. 市政技术. 2002(03)
[1]寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究[D]. 徐光苗.中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所） 2006
硕士论文
[1]地下水渗流条件下深立井多圈管冻结方案优化研究[D]. 曾昆.安徽理工大学 2018
[2]滨海地层人工冻结法温度场形成机理研究[D]. 刘娟.安徽理工大学 2018
[3]渗流作用下富水砂层冻结壁形成机理研究[D]. 丁航.煤炭科学研究总院 2018
[4]富水卵砾石地层地铁联络通道人工冻结法施工模型试验研究[D]. 姬文轩.西安科技大学 2017
[5]富水卵石地层中冻结法施工温度场的研究[D]. 李天东.石家庄铁道大学 2017
[6]渗流作用下饱和砂层多排孔冻结温度场发展规律研究[D]. 于友斌.中国矿业大学 2017
[7]斜井轴向冻结交圈过程中温度场和冻胀应力变化规律及判定技术研究[D]. 张文博.中国矿业大学 2016
[8]地下水渗流作用下饱和砂层冻结壁形成的模型试验研究[D]. 张绪忠.煤炭科学研究总院 2004
本文编号：2894957
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