地铁隧道水平冻结法施工冻结壁温度场影响参数分析(共22页)

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1、精选优质文档-倾情为你奉上文章编号:1673 5196( 0121 06地铁隧道水平冻结法施工冻结壁温度场影响参数分析毕贵权1,2,程形燕1,石 磊2,马希金1(1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 ;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州 摘要:以地铁隧道水平冻结法施工中最常见的粉质粘土为例,应用大型数值分析软件A N SY S系统研究冻结管直径、冻结管间距、盐水温度、土层含水量4大因素对冻结法施工中温度场的影响,提出各因素对冻结壁厚度和冻结时间的灵敏度公式;在各影响因素下通过灵敏度对比分析,得出各因素对冻结壁厚度灵敏度影响规律,该影响规律由大到小依次

2、为:盐水温度、冻结管间距、冻结管直径、土层含水量.关键词:冻结壁;温度场;冻结管直径;冻结管间距;盐水温度;土层含水量中图分类号:T U445 文献标识码:AAnalysis of influencing parameters of temperature field within freezingwall of subway tunnel construction with horizontal ground freezingBI Gui quan1,2,CH ENG Xing yan1,SHI Lei2,M A Xi jin1(1.College of En ergy and Pow er

3、 Engineering,Lanzh ou U niv.of T ech.,Lan zhou ,C hina;2.S tate Key Lab oratory of Froz en S oilE ngineering,CARE ERI,CAS,Lanz hou Gansu ,ChinaAbstract:Taking the mo st comm on silty clay used in subw ay tunnel construction w ith ho rizontal freezing method as an example,the effects of brine temper

4、ature,diameter of fro zen pipes,interval of fr ozen pipes, and mo isture content o f soil layer on the temper ature field w ithin fro zen w all fo r the freeing construction w ere system atically investigated w ith larg e scale numerical softw ar e ANSYS.T he fo rmulas of sensitivity of every above

5、mentioned factor to the thickness of the frozen w all and freezing tim e w ere presented.By analyzing and co ntrasting the sensitivity to every factor,the pattern of influence of ev ery facto r on the sen sitiv ity of frozen wall thickness r esult show ed that in decreasing o rder,the br ine tempera

6、ture,interval of fro zen pipes,diam eter of fr ozen pipes,and mo isture content o f soil layer influenced the sensitivity.Key words:frozen w all;temperature field;diam eter of frozen pipes;interval of frozen pipes;brine tem perature;moisture content of soil lay er地层人工冻结技术是利用人工制冷的方法,降低土体的温度使含水地层形成冻结体

7、,以达到维护开挖面周围土体稳定、抵抗周围水土压力、防止地下水侵入的目的.近年来,人工冻结技术被越来越多的应用到复杂条件下的矿山、港口工程及水工工程中,特别是沿海城市的地铁隧道及其联络通道施工中.地铁隧道目前广泛采用的水平冻结法施工形成的冻结壁是抵御水土压力的临时地下结构物1,要确定收稿日期:2008 09 25基金项目:科学院知识创新工程重大项目(KZCX1 SW 04作者简介:毕贵权(1979 ,男,吉林九台人,讲师.冻结壁承载力并进行冻结壁厚度和其它参数设计,必须要对温度场进行分析.冻结壁温度场是一个相变、移动边界和有内热源、边界条件复杂的不稳定导热问题,其求解极其困难,至今还没有完善的理

8、论解.通常采用的研究方法有半解析法、数值模拟法、物理模型试验法等.由于物理模型试验法具有费用高、耗时长等缺点,因此,采用计算机进行数值模拟具有非常好的经济价值和使用价值.数值法则在近年来又有了新的进展,尤其表现在相变的处理技术上.目前相变处理主要有显热容法和焓法2,国内外许多的研究人员对该问题采用数值方法进行了研第35卷第3期2009年6月兰 州 理 工 大 学 学 报Jo ur nal of L anzho u U niv ersity of T echno lo gyVo l.35No.3Jun.2009究,并取得了一定的成果.徐士良介绍了利用AN SYS 有限元软件对冻结壁温度场分布进行

9、数值模拟的基本过程,包括模型的建立,问题的求解及结果分析等3.丁德文等,任松保采用有限差分方法对人工冻结温度场进行分析4 5.李磊等考虑了冻结管偏斜布置情况,利用有限元方法对上海市复兴东路隧道联络通道进行了三维温度场分析.汪仁和等根据冻结壁温度场物理模型试验的结果,建立非线性多维导热系数反分析的数学模型,采用选择法和有限元法,反分析冻结壁整体导热系数6.汪东波通过模型试验及其有限元方法,对双排管冻结温度场分布规律进行研究;并通过近似方法推导出双排管冻结壁内外侧厚度以及冻结壁交圈时间解析解7.曹荣斌建立双排冻结管冻结条件下平面冻结壁温度场与空间冻结壁温度场数值模型,利用ANSYS 有限元软件数值

10、模拟平面冻结壁温度场的发展过程与分布规律,以及空间状态冻结壁温度场分布规律8.目前尚未有人采用数值方法系统研究各人为可控制因素(盐水温度、冻结管直径、冻结管间距以及土层含水量对冻结壁温度场的量化影响规律,而这也这是工程设计人员所关心的问题.针对各因素对冻结壁温度场的影响进行分析研究.在所有的影响因素中,盐水温度、冻结管直径、冻结管间距和土层含水量是主要的影响因素9,它们的动态变化直接影响着冻结壁温度场的变化.以地铁水平冻结法施工中最常见的粉质粘土为例,应用数值软件ANSYS,采用热焓法考虑冰水相变作用,针对冻结管直径、冻结管间距、盐水温度、土层含水量4大因素对冻结壁温度场的影响进行系统研究,提

11、出各因素对冻结壁厚度和冻结时间的灵敏度公式,并对各个因素影响下冻结壁厚度关于灵敏度进行分析,得出各因素对冻结壁温度场的影响规律.1 基于ANS YS 的数值分析对粉质粘土隧道冻结法施工中冻结壁温度场进行数值试验,试验中各参数采取了工程经验常用值;在此种土质下对冻结壁温度场发展影响较大的冻结管直径、冻结管间距、盐水温度、土层含水量4个因素进行探讨.主要进行试验前的基本假定、数值的模拟及边界条件、参数的选取、相变的模拟.1.1 基本假定1视未冻土体、冻土体为均质、各向同性材料,沿冻结管水平方向无温度梯度.2仅考虑土体冻结过程中土骨架和介质水的 热传导以及冰水相变作用.3冻土的导热系数和比热容不随着

12、温度变化.1.2 数值试验方案及边界条件选用单向地铁隧道为模拟对象,隧道埋深在地面以下20m.采用二维计算模型,x 方向取-30m 到30m;y 方向取-30m 到20m,隧道轴心在原点处.应用大型计算软件ANSYS 进行数值试验,选取PLANE77高阶单元.PLANE77是2维4节点热单元PLAN E55的高阶版本,每个节点只有1个自由度 温度,该8节点单元具有一致的温度形函数,可以较好地适应具有曲线边界的模型,适用于2维稳态或瞬态热分析.为了使计算有足够的精度且节点尽量少,划分单元时以隧道轴线为坐标原点,半径为5m 的范围内均用三角形单元,以外用四边形单元.模型两侧为绝热边界,下边界有地热

13、作用,热流密度154J/(h m 2,上边界与大气相通,大气与地表的热交换系数为18W/(m 2.采用某地区的多年气温统计资料显示的地温变化曲线10:T =23.5+7.8sin 2 8760t h +2.边界条件及有限元网格划分如图1所示.图1 数值试验模型Fig.1 Model of numerical test1.3 相变的模拟土壤冻结过程为相变导热过程,相变潜热的释放对冻结壁温度场的发展有重要影响.通过AN SYS 热分析中的热焓来考虑人工冻结过程中的冰水相变,考虑到相变是在很短的时间内放出或吸收大量的热,其计算如下.T 1=-30 H 1=0(1T 2=-0.5 H 2= C f T

14、 2-T 1(2T 3=0 H 3=H 2+Q (3T 4=30 H 4=H 3+ C u T 4-T 3(4其中,T 为温度,H 为热焓,C u 、C f 分别为冻土和融土的比热,Q 为相变热.单位体积土中由于水的相态改变所放出和吸收的热量,单位J/m 3,可按下式计算11Q =Ld W -W u 式中:L 为水的结晶或融化潜热,L =334.56kJ/kg;d 为土的干密度;W 为土中水总的质量分数;W u 为122兰州理工大学学报 第35卷冻土中水的质量分数.对粉质粘土W u =K (T W p ,W p 为塑限水的质量分数,K (T 为温度修正系数12.1.4 数值试验参数粉质粘土各参

15、数如表112,13.表1 粉质粘土的热学参数Tab.1 Parameters of the calorifics of silty clay/(kg m -3w /%C u /(kJ m -3 -1C f /(kJ m -3 -1 u /(J m -1s -1 -1 f /(J m -1s -1-1.32070.10.63 1.02354.50.75 1.0.12032.50.86 1.252822.92229.01.131.58注:C u 、C f 分别为融土和冻土的比热容, u 、 f 分别为融土和冻土的导热系数.2 数值试验结果及分析粉质粘土隧道冻结法施工中对冻结壁温度场进行数值试验,试

16、验中各参数采取工程经验常用值.对此种土质影响冻结壁温度场发展较大的4大因素进行探讨.分析各参数对冻结壁厚度和冻结速率的发展规律的影响,以及灵敏度的分析.2.1 参数影响1冻结管直径的影响.取各个因素的工程经验常用值,当其余参数保持不变时,通过改变冻结管直径数值来进行数值试验,分别为6、8、10、12、14cm5种方案.冻结管间距为0.8m ,盐水温度为-26 ,水的质量分数为35%.因为冻结壁厚度和冻结速率均是时间的函数,所以对冻结160d 内的冻结壁温度场进行分析.图2为不同冻结管直径下冻结壁的厚度随冻结时间的的变化图.随着冻结时间的增加冻结壁的厚度均是基本呈线性增大,同一时刻冻结管的直径越

17、大冻结壁越厚.冻结壁的交圈厚度都在1m 左右 ,图2 不同冻结管直径下冻结壁厚度随冻结时间的变化Fig.2 V ariation of thickness of frozen wall with freezingtime in case of different diameters of the frozen piples冻结壁交圈时间为10d 到16d 之间,第160d 冻结壁的厚度最小为4.9m ,最大为5.73m.随着冻结时间的增长同一时刻不同冻结管直径下的冻结壁厚度的差值变大.图3为不同冻结管直径下冻结壁的冻结速率随冻结时间的变化图.各个因素下的冻结速率发展趋势是一样的,均是随着时间的

18、增大而减小,在冻结初期冻结速率很大,最大为98mm /d,最小为58mm/d,到90d 后趋于平缓变化很小,140d 后各直径下的冻结速率随着时间的增大有增大的趋势 .图3 不同冻结管直径下冻结壁的冻结速率随冻结时间的变化Fig.3 Variation of freezing rate of f rozen wall withfreezing time in case of different diameters of the frozen piples2冻结管间距的影响.取工程经验常用值,当其余参数保持不变时,通过改变冻结管间距来进行数值试验,参数为0.6、0.8、1.0、1.2m.冻结管直

19、径为10cm,盐水温度为-26 ,水的质量分数为35%.图4为不同冻结管间距下冻结壁的厚度随冻结时间的变化图,可见各条曲线随着时间的增加逐渐增大,冻结管间距越小同一时刻冻结壁就越厚,交圈时间也越早,交圈时间在20d 左右.在160d 时间距为0.6m 的冻结壁厚度最大为5.8m,间距为1.2m 的冻结壁的厚度为4.4m.图5为不同间距下冻结壁的冻结速率随冻结时间的变化图,可见间距越小冻结速率就越大,冻结速率均随着时间的增加递减;且起始的冻结速率降低的很快,间距为0.6m 时的交圈速率最大,在16d 时为81.5m m/d.随着时间的增加各冻结管间距下的冻结速率逐渐趋于平缓.3盐水温度的影响.取

20、工程经验常用值,当其余参数保持不变时,通过改变盐水温度的数值来进行数值试验,分别为-14、-18、-22、-26、-30、-34 6种方案.冻结管直径为10cm,冻结管间距为0.8m,水的质量123 第3期 毕贵权等:地铁隧道水平冻结法施工冻结壁温度场影响参数分析 图4 不同间距下冻结壁厚度随冻结时间的变化Fig.4 V ariation of thickness of frozen wall with freezingtime in case of different interval of the frozen pi ples图5 不同间距下冻结壁的冻结速率随冻结时间的变化Fig.5 Va

21、riation of freezing rate freeze of f rozen wallwith freezing time in case of diff erent interval of frozen piples分数为35%.图6为不同盐水温度下冻结壁的厚度随冻结时间的变化图,可见随着时间的增加各个盐水温度下的冻结壁厚度是逐渐增大的,刚交圈时冻结壁的厚度相差很小,随着时间的增加各盐水温度下的冻结壁的厚度差别越来越大;盐水温度越低同一时刻的冻结壁厚度越大,交圈时间越早;同一时刻盐水温度每降低4 ,冻结壁的厚度增加的量值是不一样的,以88d 为例,温度每降低4 冻结壁厚度增加值分别为

22、0.37、0.42、0.35、0.22、0.33 m.图6 不同盐水温度下冻结壁的厚度随冻结时间的变化Fig.6 V ariation of thickness of frozen wall with freezingtime in case of dif ferent brine temperature 图7为不同盐水温度下冻结壁的冻结速率随冻结时间的变化图,可见各个盐水温度下冻结速率均是先快速降低,随着时间增加降低速度慢慢变小,最终趋于稳定.盐水温度越低交圈冻结速率就越大,达到稳定时的冻结速率也最大;随着冻结时间的增加各盐水温度下的冻结速率的差值逐渐减小.图7 不同盐水温度下冻结壁的冻结速

23、率随冻结时间的变化Fig.7 Variation of rate freezing of f rozen wall withfreezing time in case of diff erent brine tempera ture4水的质量分数的影响.取工程经验常用值,当其余参数保持不变时,通过改变水的质量分数的数值来进行数值试验,分别为25%、35%、70%、110%4种方案,冻结管直径为10cm,冻结管间距为0.8m,盐水温度为-26 .图8是不同水的质量分数下冻结壁的厚度随冻结时间的变化图,可见水的质量分数越大同一时刻冻结壁厚度就越小,水的质量分数增加相同的量时冻结壁厚度急剧减小.以1

24、24d 为例,水的质量分数从25%增加到35%、70%、110%时冻结壁厚度的减少量分别为0.97、1.56、0.14m;水的质量分数越大,同一时刻冻结壁厚度的变化也就越小;由图知水的质量分数为25%时在140d 之前冻结壁厚度增加很快,140d 之后冻结壁厚度发展很慢;水的质量分数为70%、110%时冻结壁厚度基本呈线性发展.图8 不同水的质量分数下冻结壁厚度随冻结时间的变化Fig.8 Variation of thickness of f rozen wall with freezingtime in case of different moisture content图9是不同水的质量分

25、数下冻结壁的冻结速124兰州理工大学学报 第35卷率随冻结时间的变化图.可见刚交圈时由于受交圈冻结速率的影响冻结速率都很大,随着时间的增加慢慢趋于平稳;水的质量分数越小冻结速率越大,水的质量分数25%时冻结速率先减小后趋于稳定,在140d 后又继续减少,水的质量分数35%时冻结速率先减少后趋于平稳,而后有变大的趋势 .图9 不同水的质量分数下冻结壁的冻结速率随冻结时间的变化Fig.9 Variation of freezing rate of frozen wall withf reezing time in case of dif ferent moisture content2.2 灵敏度

26、分析1灵敏度定义.工程上常将函数F(X 关于分量x i 的一阶偏导数称为函数F(X 关于x i 的灵敏度函数,记作14S x i (X = F (X x i(5实际工程中,多数结构状态函数(如位移、内力、稳定安全系数等为关于参数的隐函数,无法直接由式(5求得关于某一参数的显式灵敏度函数S x i (X ,故通常用差分法作近似数值计算.如欲求灵敏度S x i (X 0,则先对参数x 0i 作微小扰动!x i ,然后按下式计算.S x i (X 0=F(x 01,!,x 0i +!x i ,!,x 0n -F(X 0i(6此灵敏度定义表征了由于计算参数的变化引起计算结果的变化大小.考虑到各个影响因

27、素的取值范围和单位的不一致,从而可能使得灵敏度无法比较大小,所以这里试图引入相对变化量的概念来消除这一影响.因为!x i 与x i 变化域(x ni -x 0i 的比值具有相同的物理含义,所以重新将灵敏度定义为S x i (X 0=F(x 01,!,x 0i +!x i ,!,x 0n -F(X 0 i n i -x 0i (7它说明了由于某一计算参数相对其变化域的单位变化引起计算结果的变化大小.2灵敏度分析.由以上试验结果,得出各影响因素下灵敏度大小分析如图10.图10显示了冻结50d 时各参数对冻结壁厚度灵敏度示意图,可见冻结管直径对冻结壁厚度的灵敏度为0.350.60;冻结管间距对冻结壁

28、厚度的灵图10 冻结50d 时各参数对冻结壁厚度灵敏度示意图Fig.10 Schematic diagram of sensitivity of every param eter to frozen wall thickness after 50day s freezing125 第3期 毕贵权等:地铁隧道水平冻结法施工冻结壁温度场影响参数分析126 兰 州 理 工 大 学 学 报 2 3 第 35 卷 敏度的绝对值为 0. 72 0. 76; 盐水温度对冻结壁厚 度的灵敏度的绝对值为 0. 70 1. 70; 水的质量分数 对冻结壁厚度的灵敏度的绝对值为 0. 15 2. 60. 所 以各因

29、素对冻结壁厚度灵敏度的影响由大到小依次 为盐水温度、 冻结管间距、 冻结管直径、 土层含水量. 郭宽良, 孔祥谦, 陈善 年. 计算传 热学 M . 合肥: 中 国科技 大 学出版社, 1988. 徐士良. A N SY S 在冻结壁温度场分布分析中的运用 J . 安 徽 建筑工业学院学报, 2005, 13( 2 : 34 36. 汤国璋, 王 星华. 温度 场控 制在 多年 冻土 隧道 施工 中 的作 用 J . 岩土力学, 2007, 28( 3 : 455 460. 丁德 文, 傅连 弟, 庞荣 庆. 冻结 壁 变化 的 数学 模 型及 其 计 算 J . 科学通报. 1982, 27

30、( 14 : 875 879. 任松保, 郑正泉. 冻结过程中 相变界面移 动及传热 的计算机 模 拟 J . 华中科技大学学报, 2003, 31( 2 : 61 63. 汪仁和, 徐士良. 冻结壁温度 场模型试验 及其导热 系数反分 析 J . 安徽理工大学学报, 2003, 23( 4 : 18 22. 汪东波. 双排管冻结温度 场分布规律理论 与试验研 究 D . 淮 南: 安徽理工大学, 2002. 曹荣斌. 深井冻结凿井法数值模拟与工程计算 D . 淮南: 安徽 理工大学, 2002. 马 巍. 中国地层土冻 结技术研 究的回顾 与展望 J . 冰川 冻 3 4 3 结论 在试验中

31、对粉质粘土的冻结壁温度场进行数值 5 6 7 分析, 从冻结管直径、 冻结管间距、 盐水温度、 土层含 水量 4 个因素对冻结壁厚度和冻结速率的影响进行 研究, 通过对各因素下灵敏度进行对比分析得出各 因素对冻结壁温度场的影响大小. 1 同一时刻各因素对冻结壁厚度的影响大小 依次为盐水温度、 冻结管间距、 冻结管直径、 土层含 水量. 2 同一冻结壁厚度下各因素对冻结时间的影 响大小依次为盐水温度、 冻结管间距、 冻结管直径、 土层含水量. 3 土层含水量对冻结壁厚度影响不大, 对冻结 时间较为敏感. 4 各因素对冻结壁厚度灵敏度的影响由大到 小依次为盐水温度、 冻结管间距、 冻结管直径、 土

32、层 含水量. 参考文献 : 1 汪仁和, 曹荣斌. 双排管冻结下冻结 壁温度场 形成特征 的数值 分析 J . 冰川冻土, 2002, 24( 2 : 181 184. 8 9 10 土, 2001, 23( 3 : 218 224. 陈方方. 地下洞室弹塑性 仿真反分析研 究 D . 西安: 西安 理 工大学, 2004. 11 12 K N U T SSO N . G round Freez ing C . Rot t erdam: Balkema, 1997. 徐学祖, 王 家澄, 张立新. 冻土 物理 学 M . 北 京: 科 学出 版 社, 2001: 59 77. 13 Y A N G Ping, K E Jiem ing. N umerical si mulat ion of f ros t heave w it h coupled w at er f reezing, t em pert ure and st ress f ields in t unnel excavat ion J . Comput ers and G eotechn ics, 2006, 33 ( 6 7 : 330 340. 14 彭明 祥. 土 钉支 护 设计 参数 的灵 敏度 分析 J . 工程 勘 察, 2003( 6 : 8 10. 专心-专注-专业