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        人工凍結(jié)法施工中的溫度場(chǎng)研究

        2021-04-30 03:33:38
        四川水泥 2021年5期
        關(guān)鍵詞:凍土覆土鹽水

        (桂林理工大學(xué),廣西 桂林 541000)

        0 引言

        人工凍結(jié)法施工具有防水性能好和無(wú)污染的特性,可在復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下形成凍土墻,常用來(lái)解決傳統(tǒng)巖土工程方法難于解決的問(wèn)題[1-3]。

        由于人工凍結(jié)法施工過(guò)程中,地層溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生很大變化[4-5]。掌握土體凍融過(guò)程中凍土帷幕溫度場(chǎng)發(fā)展與分布規(guī)律,分析各因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響,了解不同土層溫度場(chǎng)的發(fā)展與分布規(guī)律是人工凍結(jié)法施工的關(guān)鍵[6]。

        為促進(jìn)人工凍結(jié)技術(shù)的推廣應(yīng)用,本文以某地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)出洞水平凍結(jié)工程為例,對(duì)水泥改良土凍結(jié)溫度場(chǎng)進(jìn)行了三維有限元分析,并研究了導(dǎo)熱系數(shù)、鹽水溫度、環(huán)境溫度、土體初始溫度、隧道覆土厚度等因素對(duì)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

        1 計(jì)算模型

        1.1 計(jì)算模型

        根據(jù)實(shí)際工程中凍結(jié)管的布置及凍融影響范圍,計(jì)算區(qū)域取隧道出洞洞中線(xiàn)上方至地面、下取20m,沿隧道縱向長(zhǎng)40m、寬80m,坐標(biāo)原點(diǎn)位于隧道中心,x 軸與隧道中心線(xiàn)重合,y 軸為垂直x 軸的水平軸,z 軸與水平面垂直。網(wǎng)格采用三維八節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐郑畲髣澐珠g距為2m。圖1為凍結(jié)溫度場(chǎng)有限元計(jì)算模型。

        圖1 凍結(jié)溫度場(chǎng)有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

        1.2 計(jì)算參數(shù)

        有限元模擬計(jì)算時(shí),視土體初始溫度場(chǎng)為均勻溫度場(chǎng),凍結(jié)前土體初始溫度為15℃。計(jì)算過(guò)程中大氣溫度設(shè)為恒溫,取平均氣溫25℃。土體與大氣接觸邊界對(duì)流換熱系數(shù)取8.5 kJ/(h·m2·K),混凝土與大氣接觸邊界對(duì)流換熱系數(shù)取50 kJ/(h·m2·K)。原狀土導(dǎo)熱系數(shù)取1.10 W/(m·K)、比熱容取1.68 kJ/(kg·K);水泥土導(dǎo)熱系數(shù)取1.56 W/(m·K)、比熱容取1.69 kJ/(kg·K);凍結(jié)水泥土導(dǎo)熱系數(shù)取1.96 W/(m·K)、比熱容取1.69 kJ/(kg·K)。

        2 結(jié)果分析

        2.1 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響

        導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響分析以計(jì)算模型中的導(dǎo)熱系數(shù)為基數(shù)分別減小和增大20%與40%,計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖可知,隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加,土體降溫速度加快,土體凍結(jié)所需時(shí)間縮短。究其原因是土體導(dǎo)熱系數(shù)增加,單位時(shí)間內(nèi)由凍結(jié)管傳遞給土體的冷量增加,引起水泥土凍結(jié)時(shí)間縮短。

        對(duì)比圖2中幾條曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加,不但水泥土凍結(jié)所需時(shí)間縮短,而且水泥土降溫過(guò)程中的平臺(tái)段也縮短。原因是水泥土相變成凍土的過(guò)程中,相變潛熱保持不變,當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)增加時(shí),相同時(shí)間內(nèi)由凍結(jié)管向處于相變狀態(tài)的水泥土輸送的冷量增加,從而引起水泥土相變加速,使降溫過(guò)程中的平臺(tái)段縮短。

        圖2 導(dǎo)熱系數(shù)變化時(shí)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

        2.2 初始地溫對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響

        初始地溫對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響分別取9℃、12℃、15℃、18℃、21℃五個(gè)水平,計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

        圖3 原始地溫變化時(shí)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

        由圖3可知,隨著初始地溫的增加,土體凍結(jié)速度變慢,凍結(jié)所需時(shí)間增大。究其原因是,凍結(jié)區(qū)土體初始溫度越高,土體溫度降低到零度所需的冷量就越大,凍結(jié)時(shí)間也就越長(zhǎng)。由圖3還可以看出,初始地溫對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響主要體現(xiàn)在相變前階段,初始地溫為9℃時(shí),凍土壁外環(huán)表面土體15 天就開(kāi)始凍結(jié),而初始地溫為21℃時(shí),凍土壁外環(huán)表面土體24 天才開(kāi)始凍結(jié)。

        2.3 鹽水溫度對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響

        鹽水溫度對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響分別取負(fù)25℃、負(fù)28℃、負(fù)31℃、負(fù)34℃、負(fù)37℃、負(fù)40℃六個(gè)水平,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

        圖4 鹽水溫度變化時(shí)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

        由圖4可知,隨著鹽水溫度的降低,水泥土降溫速度加快,土體凍結(jié)所需時(shí)間縮短,鹽水溫度變化既影響水泥土降溫過(guò)程中的平臺(tái)段(相變階段),也影響土體相變前的降溫階段。鹽水溫度為負(fù)25℃時(shí),凍土壁外環(huán)表面土體22 天開(kāi)始凍結(jié);鹽水溫度為負(fù)40℃時(shí),凍土壁外環(huán)表面土體14 天就開(kāi)始凍結(jié),相變所需時(shí)間也較負(fù)25℃時(shí)大大減小。

        2.4 覆土厚度對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響

        覆土厚度對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響分別取20m、30m、40m 三個(gè)水平,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,三條曲線(xiàn)從凍結(jié)開(kāi)始到凍結(jié)完成基本處于重合狀態(tài),表明覆土厚度對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響非常小,可以忽略不計(jì)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,凍結(jié)管內(nèi)冷量對(duì)周?chē)馏w溫度的影響局限在約六米范圍內(nèi),超出6m 后,覆土厚度的增加對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)影響變得非常小。

        圖5 覆土厚度變化時(shí)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

        2.5 氣溫變化對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響

        大氣溫度對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響分別取15℃、25℃、35℃三個(gè)水平,三個(gè)水平均取相同的初始地溫,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出,15℃、25℃、35℃三條溫度曲線(xiàn)從凍結(jié)開(kāi)始到凍結(jié)完成基本處于重合狀態(tài),表明大氣溫度對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響非常小,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,大氣溫度對(duì)凍結(jié)區(qū)溫度場(chǎng)的影響需通過(guò)對(duì)非凍結(jié)區(qū)土體溫度的影響實(shí)現(xiàn),由于土體與大氣的對(duì)流換熱速度較慢,當(dāng)覆土厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),大氣溫度變化很難在短時(shí)間內(nèi)對(duì)深度較大處的土體溫度產(chǎn)生較大影響,故很難對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響。

        由于上述計(jì)算是在初始地溫相同情況下進(jìn)行的,計(jì)算結(jié)果只能說(shuō)明凍結(jié)施工中,大氣溫度的變化不會(huì)影響凍結(jié)溫度場(chǎng)。如果施工選在不同季節(jié),由于氣溫的差異導(dǎo)致了初始地溫的差異,就會(huì)對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。

        圖6 氣溫變化時(shí)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

        3 結(jié)論

        (1)隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加,土體降溫速度加快,土體凍結(jié)所需時(shí)間大幅度縮短。

        (2)隨著初始地溫的增加,土體凍結(jié)速度變慢,凍結(jié)所需時(shí)間有較大幅度增大。

        (3)鹽水溫度對(duì)溫度場(chǎng)影響較大,隨著鹽水溫度的降低,水泥土降溫速度加快,土體凍結(jié)所需時(shí)間縮短,鹽水溫度變化既影響水泥土降溫過(guò)程中的相變階段,也影響土體相變前的降溫階段。

        (4)隧道頂部覆土厚度對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響非常小,可以忽略不計(jì)。

        (5)凍結(jié)法施工過(guò)程中,大氣溫度變化對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響非常小,但如果施工期很長(zhǎng),氣溫變化引起地溫變化,就會(huì)對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。

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