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        單排管溫度場(chǎng)經(jīng)典公式的修正研究

        2014-01-09 05:56:04施振東
        城市道橋與防洪 2014年7期
        關(guān)鍵詞:軸面單排凍土

        施振東

        (中鐵十六局集團(tuán)有限公司北京軌道交通工程建設(shè)有限公司,北京市 101100)

        0 引言

        在城市地鐵規(guī)劃設(shè)計(jì)中,上下行隧道之間通常設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí),不僅需要考慮自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和地面建構(gòu)筑物的安全,而且要確保主隧道的穩(wěn)定,聯(lián)絡(luò)通道的安全防護(hù)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如主隧道完備。因此,聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)通常要對(duì)施工區(qū)域土體進(jìn)行加固處理,以保證施工的安全及減小對(duì)周圍環(huán)境的影響。凍結(jié)法是在地層中按預(yù)定間隔埋設(shè)凍結(jié)管,通過(guò)其中的冷卻液循環(huán),使管周圍地層中的孔隙水以管為中心生成年輪形柱狀圖。近年來(lái),隨著城市地下軌道交通的迅猛發(fā)展,凍結(jié)法工藝已被廣泛應(yīng)用于上海、北京、深圳、杭州等城市地鐵工程施工中。

        單排管凍結(jié)是目前應(yīng)用較多且理論研究比較成熟的方法,美國(guó)學(xué)者Sanger&Sayles基于經(jīng)驗(yàn)給出了單排管凍土帷幕溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,并在實(shí)際工程中得到一定的應(yīng)用。但該經(jīng)典公式?jīng)]有考慮溫度沿軸面上的變化,使其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程存在較大誤差。

        采用ANSYS軟件分析了單排管溫度場(chǎng)的分布規(guī)律,分析了Sanger&Sayles經(jīng)典公式的主要缺陷并進(jìn)行了修正,使其能考慮溫度沿軸面上的變化。

        1 Sanger&Sayles經(jīng)典公式簡(jiǎn)介

        Sanger&Sayles經(jīng)典公式將單排管溫度場(chǎng)的發(fā)展分為兩個(gè)階段(見(jiàn)圖1):第一階段是凍土柱圍繞單獨(dú)的凍結(jié)管發(fā)展;第二階段是凍土柱交圈并隨時(shí)間凍土墻不斷發(fā)展變厚。同時(shí),假定第一階段溫度在凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)上成對(duì)數(shù)曲線發(fā)展;第二階段溫度在凍結(jié)區(qū)成直線分布,在未凍結(jié)區(qū)呈對(duì)數(shù)曲線分布(見(jiàn)圖2),并且給出了各個(gè)階段溫度場(chǎng)表達(dá)式。

        圖1 Sanger&Sayles單排管模型溫度場(chǎng)計(jì)算簡(jiǎn)化圖

        圖2 Sanger&Sayles單排管模型溫度分布曲線圖

        在圖2中,vs是凍結(jié)管溫度與水的冰點(diǎn)溫度之差,計(jì)算中取絕對(duì)值;v0是土體初始溫度與水的冰點(diǎn)溫度之差,計(jì)算中取絕對(duì)值;Z是凍土與未凍土的分界線與凍結(jié)管軸線之間的距離,即單側(cè)凍土厚度;v1是距離凍結(jié)管中心距離為z1處的土體溫度;v2是距離凍結(jié)管中心距離為z2處的土體溫度;a(ar)是凍結(jié)影響范圍系數(shù),一般取4.5到5,建議取5,對(duì)數(shù)曲線的表達(dá)式如式(1)所列:

        Sanger&Sayles公式認(rèn)為凍土幾何交圈時(shí),凍土柱體單側(cè)凍土厚度為:δ=0.79S/2(S為凍結(jié)管間距),如圖2所示;在幾何交圈以后采用式(1)和圖2來(lái)計(jì)算單排凍結(jié)管溫度場(chǎng)分布。

        2 單排管凍土溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

        大型通用有限元軟件ANSYS在熱力學(xué)計(jì)算方面可以清晰、直觀地反映凍結(jié)壁溫度場(chǎng)情況,與工程監(jiān)測(cè)結(jié)果比較符合,所以本文采用ANSYS軟件作為數(shù)值分析工具。

        溫度場(chǎng)分布是隨時(shí)間變化的,且凍土帷幕的厚度也是隨時(shí)間逐漸發(fā)展的。為全面了解溫度場(chǎng)的時(shí)空規(guī)律,采用瞬態(tài)導(dǎo)熱模型分析單排管的二維溫度場(chǎng)。模型及參數(shù)的選取如下:

        (1)單元采用2維4節(jié)點(diǎn)熱實(shí)體單元plane55。

        (2)土體的材料如表1所列。

        表1 土體計(jì)算參數(shù)表

        (3)土體初始溫度為18℃,凍結(jié)管表面施加隨時(shí)間變化的荷載(10 d降到-26℃;15 d降到-30℃)。

        (4)為了充分考慮凍結(jié)法的溫度影響空間,設(shè)定模型大小為:在沿凍結(jié)管布置方向上為[(n-1)×l+10]m,在垂直方向?yàn)?0 m,凍結(jié)管管徑為0.108 m。其中,n為凍結(jié)管個(gè)數(shù),l為凍結(jié)管軸心間距。

        凍結(jié)管間距為1.0m時(shí)的有限元模型的網(wǎng)格劃分及最后時(shí)間步的溫度場(chǎng)分布如圖3、圖4所示。

        圖3 有限元計(jì)算網(wǎng)格示意圖

        圖4 凍結(jié)30 d時(shí)溫度場(chǎng)分布示意圖

        3 Sanger&Sayles經(jīng)典公式的缺陷

        在實(shí)際工程中,凍結(jié)管的間距一般在0.5 m~1.5 m;凍土帷幕相對(duì)厚度采用表示(ξ為主面單側(cè)的最大凍土厚度;l為凍結(jié)管間距),其值一般控制在0.5~1.5。為了較好地驗(yàn)證Sanger&Sayles公式,分別設(shè)置凍結(jié)管間距為0.5 m,1.0 m,1.5 m,分別考察其在不同凍結(jié)厚度時(shí)的溫度分布,并與Sanger&Sayles公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析,整理成如圖5所示。

        圖5 l=1.5時(shí)主面溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果與公式對(duì)比曲線圖

        從l=1.5時(shí)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可知,單排管凍土溫度場(chǎng)在主面上的溫度分布曲線不同,與實(shí)際不符。對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果和公式結(jié)果可知,隨著凍結(jié)厚度的增大,凍結(jié)區(qū)的溫度差別逐漸減少;在主面上公式的誤差小于界面誤差。因此,垂直于軸面方向的溫度場(chǎng)可以近似采用線性擬合,其誤差在工程允許范圍內(nèi)。

        4 Sanger&Sayles經(jīng)典公式的修正

        基于上述對(duì)比分析結(jié)果,對(duì)Sanger&Sayles公式凍結(jié)區(qū)域部分進(jìn)行修正,對(duì)t0、l0的函數(shù)形式推導(dǎo)如下。

        (1)t0的形式假定如式(2)所列:

        圖6 α與ξ/l近似關(guān)系曲線圖(l=1.5 m)

        假定 β 與l近似成線性,以1.5 m的凍結(jié)管間距為基準(zhǔn),擬合線性關(guān)系如式(4)所列:

        (2)l0的形式假定如式(5)所列:

        5 Sanger&Sayles修正公式的驗(yàn)證

        表2 不同工況計(jì)算結(jié)果表

        圖7 溫度沿軸面變化曲線圖(l=0.5 m)

        由此可見(jiàn),修正的Sanger&Sayles公式能夠較好地反映溫度沿軸面方向的變化,克服了原有公式假定溫度沿軸面不變的缺陷。這種修正能夠更真實(shí)地反映實(shí)際的溫度場(chǎng),并且形式簡(jiǎn)單,方便計(jì)算整個(gè)凍結(jié)場(chǎng)的平均溫度。

        6 Sanger&Sayles修正公式的平均溫度計(jì)算方法

        修正的Sanger&Sayles公式假定溫度場(chǎng)沿軸面方向呈現(xiàn)梯形分布,而在垂直于軸線方向凍結(jié)區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)直線分布,因此當(dāng)采用修正的Sanger&Sayles公式計(jì)算人工凍土溫度場(chǎng)是不涉及積分,只涉及簡(jiǎn)單的運(yùn)算,方法簡(jiǎn)單方便。

        人工凍結(jié)場(chǎng)的平均溫度的簡(jiǎn)化公式為:

        表3 平均溫度計(jì)算結(jié)果匯總表

        7 結(jié)論

        本文分析了Sanger&Sayles經(jīng)典公式的不足和缺陷,然后對(duì)其進(jìn)行修正。總結(jié)如下:Sanger&Sayles經(jīng)典公式假定溫度沿軸面方向?yàn)槎ㄖ?,是產(chǎn)生Sanger&Sayles公式計(jì)算結(jié)果存在較大的誤差的主要原因。修正的Sanger&Sayles公式假定在凍結(jié)區(qū)區(qū)域,沿軸面方向上為梯形分布,垂直于軸面方向上為直線分布。修正的Sanger&Sayles公式能夠較好地反映實(shí)際的凍結(jié)溫度分布。

        [1] 陳文豹,湯志斌.潘集礦區(qū)凍結(jié)壁平均溫度及凍結(jié)孔布置圈徑的探討[J].煤炭學(xué)報(bào),1982,(1):46-52.

        [2] Sanger F J,Sayles F.H.Thermal and rheological computations forartificially frozen ground construction[J].Engineering Geology,1979,13(1-4):311-337.

        [3] 劉瑞鋒,胡向東,皮愛(ài)如.人工二次凍融土熱力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào),2008,33(5):518-521.

        [4] 楊波,丁文其,胡向東,等.單排管凍土帷幕平均溫度控制參數(shù)敏感性分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2012.

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