北京砂卵石地层渗流条件下多排管局部冻结水平板成形规律研究
发布时间：2020-12-31 21:15
地铁暗挖车站盆形冻结由盆壁和盆底两部分组成闭合的止水空间,其中盆底可采用多排管局部冻结（板梳冻结）的方式。基于物理模型试验建立了板梳冻结的数值模型,所建模型能够有效反映物理模型试验的结果并再现冻结形态发展,二者共同揭示了渗流条件下板梳冻结的成形和温度场时空发展规律。研究发现:（1）渗流条件下,板梳冻结成型经历3个阶段,初始阶段冻土柱沿顺水流方向发展;第2阶段背水面最后一排冻结管冻土柱在垂直水流方向交圈;最后阶段冻结区域由背水面向迎水面逆向发展形成水平冻结板。渗流条件下的迎水面绕流造成前两排冻结管端部出现冻结凹槽,使得冻结板有效厚度有所损失。（2）在达到冻结稳定状态时,主体冻结区域的温度场在顺水流竖向剖面上的表现为水滴形态,低温部分以中部冻结管为中心呈对称分布;垂直水流竖向剖面上以中间行冻结管为中心对称分布,温度自核心低温区域向四周逐步升高;在冻结板厚度方向上中部温度比端部温度低。
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020年S1期 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
板梳冻结方案Fig.2Comb-freezingtechnology
tu(1)21Lptuufu(2)式中：Kef为多孔介质的等效导热系数，T为温度，L为水的密度，u为流体渗流的速度场矢量，CL为水的比热容，Q为系统热源或汇，L为单位质量的水发生相变时所释放出的潜热值，θL为液态水的含量，t为时间，Cef为多孔介质的等效热容，f为流体单元收到的质量力，γ为水的重度。其中，式(1)用于求解冻结过程中的温度T，式(2)用于求解冻结过程中的压力p及速度场u三个分量。板梳冻结数值模型如图3所示，模型参数[19]如表1所示。图3板梳冻结数值模型Fig.3Numericalsimulationofcomb-freezing本文数值模拟所采用的有限元软件ComsolMultiphysics，所建模型尺寸为20m×30m×15m(顺水流长度×迎水面长度×高)，模拟过程中规定沿着地下水渗流方向的冻结管为一行，与地下水渗流方向垂直的冻结管为一排，并控制冻结管外壁温度为–30℃，地温为20℃。本次研究在砂卵石地层中布置了7行4排共28根竖向冻结管，行距2.4m，排距2.0m，所建数值模型示意图如图3所示，数值模拟涉及物理参数[19]取值见表1。人工冻结过程中，多孔介质的热容可以按照混合物热容的体积加权平均值来表示，即等效热容Cef。同理，多孔介质的导热系数也可以表示为土骨架–水–冰等混合体的等效导热系数Kef，即efLLLLIILSSL(1)(1)CCCCLt(3)efLLLISKK(1)K(1)K(4)式中：φ为多孔介质的孔隙率，ρS为土骨架的密度，ρI为冰的密度，CS为土骨架的比热容，
第39卷增1张晋勋等：北京砂卵石地层渗流条件下多排管局部冻结水平板成形规律研究3191层板梳冻结的系列模型试验，研究了地下水渗流速度对冻结形态及交圈时间的影响。模型试验一共进行了5种不同渗流速度下板梳冻结的冻结形态。模型试验遵循温度场和渗流场的相似准则，试验过程中采用几何缩比CL=10，根据π定理量纲分析的相似准则可推得：水平冻结体厚度、冻结管间距等几何缩比为10，温度缩比CT=1，时间缩比Ct=100，流速缩比Cv=0.1，物理模型冻结管分布如图4所示。图4物理模型冻结管分布Fig.4Freezingtubesdistributioninmodeltest本次研究基于物理模型试验建立相应的系列三维数值模型，模拟结果在冻结体形成过程、温度场时空发展规律上与模型试验结果基本吻合，验证了数值模拟方法的可靠性。限于篇幅，本文仅选取渗流速度为5m/d的模型试验与数值模拟结果进行对比，如图5所示。物理模型试验与数值模拟主要参数的相似关系如表2所示。试验过程中通过在入口与出口施加压强差的方式驱动地下水流动，并在模型中的不同位置布置温度测点，根据有限温度测点的读数，勾画出试验过程中水平中轴面的0℃等温线轮廓，图5(a)和(b)分别给出了冻结时间12和24h时模型试验的冻结范围。根据模型试验缩比，分别对应数值模拟的50和100d，如图5(c)和(d)所示，物理模型与数值模型在这2个时刻的冻结范围基本吻合。在物理模型试验中，有限个温度测点并不能有效反应温度场逐渐发展的全部细节，因此在模型中轴线上选择了2个关键测点(见图5(a))，通过对比物理模型试验与数值模拟的温度时程变化，说明数值模拟的有效性。根据
【参考文献】：
期刊论文
[1]砂卵石地层“盆形”冻结温度场扩展规律数值分析[J]. 张晋勋,杨昊,单仁亮,郭志明,张凌智. 西安科技大学学报. 2018(02)
[2]盾构地中对接冻结加固模型试验（Ⅱ）——冻结过程中地层的冻胀效应研究[J]. 石荣剑,陈斌,岳丰田,张勇,陆路. 岩土力学. 2017(09)
[3]盾构地中对接冻结加固模型试验（Ⅰ）——冻结过程中地层冻结温度场的分布特征[J]. 石荣剑,岳丰田,张勇,陆路. 岩土力学. 2017(02)
[4]渗流作用下裂隙岩体冻结温度场分布规律研究[J]. 高娟,冯梅梅,杨维好. 采矿与安全工程学报. 2013(01)
[5]冻结加固盾构端头土体温度场数值分析[J]. 袁云辉,杨平. 地下空间与工程学报. 2010(05)
[6]盾构尾刷冻结法更换的温度场数值分析[J]. 胡向东,程烨尔. 岩石力学与工程学报. 2009(S2)
[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]渗流地层人工冻结温度场和渗流场之数值研究[J]. 周晓敏,肖龙阁. 煤炭学报. 2007(01)
[9]外壁恒温条件下冻结管壁热流密度变化规律数值计算研究[J]. 杨维好,黄家会. 冰川冻土. 2006(03)
[10]隧道联络通道冻结位移场模型试验研究[J]. 岳丰田,张勇,杨国祥,石荣剑,丁光莹. 中国矿业大学学报. 2005(02)
本文编号：2950328
【文章来源】：岩石力学与工程学报. 2020年S1期 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
板梳冻结方案Fig.2Comb-freezingtechnology
tu(1)21Lptuufu(2)式中：Kef为多孔介质的等效导热系数，T为温度，L为水的密度，u为流体渗流的速度场矢量，CL为水的比热容，Q为系统热源或汇，L为单位质量的水发生相变时所释放出的潜热值，θL为液态水的含量，t为时间，Cef为多孔介质的等效热容，f为流体单元收到的质量力，γ为水的重度。其中，式(1)用于求解冻结过程中的温度T，式(2)用于求解冻结过程中的压力p及速度场u三个分量。板梳冻结数值模型如图3所示，模型参数[19]如表1所示。图3板梳冻结数值模型Fig.3Numericalsimulationofcomb-freezing本文数值模拟所采用的有限元软件ComsolMultiphysics，所建模型尺寸为20m×30m×15m(顺水流长度×迎水面长度×高)，模拟过程中规定沿着地下水渗流方向的冻结管为一行，与地下水渗流方向垂直的冻结管为一排，并控制冻结管外壁温度为–30℃，地温为20℃。本次研究在砂卵石地层中布置了7行4排共28根竖向冻结管，行距2.4m，排距2.0m，所建数值模型示意图如图3所示，数值模拟涉及物理参数[19]取值见表1。人工冻结过程中，多孔介质的热容可以按照混合物热容的体积加权平均值来表示，即等效热容Cef。同理，多孔介质的导热系数也可以表示为土骨架–水–冰等混合体的等效导热系数Kef，即efLLLLIILSSL(1)(1)CCCCLt(3)efLLLISKK(1)K(1)K(4)式中：φ为多孔介质的孔隙率，ρS为土骨架的密度，ρI为冰的密度，CS为土骨架的比热容，
第39卷增1张晋勋等：北京砂卵石地层渗流条件下多排管局部冻结水平板成形规律研究3191层板梳冻结的系列模型试验，研究了地下水渗流速度对冻结形态及交圈时间的影响。模型试验一共进行了5种不同渗流速度下板梳冻结的冻结形态。模型试验遵循温度场和渗流场的相似准则，试验过程中采用几何缩比CL=10，根据π定理量纲分析的相似准则可推得：水平冻结体厚度、冻结管间距等几何缩比为10，温度缩比CT=1，时间缩比Ct=100，流速缩比Cv=0.1，物理模型冻结管分布如图4所示。图4物理模型冻结管分布Fig.4Freezingtubesdistributioninmodeltest本次研究基于物理模型试验建立相应的系列三维数值模型，模拟结果在冻结体形成过程、温度场时空发展规律上与模型试验结果基本吻合，验证了数值模拟方法的可靠性。限于篇幅，本文仅选取渗流速度为5m/d的模型试验与数值模拟结果进行对比，如图5所示。物理模型试验与数值模拟主要参数的相似关系如表2所示。试验过程中通过在入口与出口施加压强差的方式驱动地下水流动，并在模型中的不同位置布置温度测点，根据有限温度测点的读数，勾画出试验过程中水平中轴面的0℃等温线轮廓，图5(a)和(b)分别给出了冻结时间12和24h时模型试验的冻结范围。根据模型试验缩比，分别对应数值模拟的50和100d，如图5(c)和(d)所示，物理模型与数值模型在这2个时刻的冻结范围基本吻合。在物理模型试验中，有限个温度测点并不能有效反应温度场逐渐发展的全部细节，因此在模型中轴线上选择了2个关键测点(见图5(a))，通过对比物理模型试验与数值模拟的温度时程变化，说明数值模拟的有效性。根据
【参考文献】：
期刊论文
[1]砂卵石地层“盆形”冻结温度场扩展规律数值分析[J]. 张晋勋,杨昊,单仁亮,郭志明,张凌智. 西安科技大学学报. 2018(02)
[2]盾构地中对接冻结加固模型试验（Ⅱ）——冻结过程中地层的冻胀效应研究[J]. 石荣剑,陈斌,岳丰田,张勇,陆路. 岩土力学. 2017(09)
[3]盾构地中对接冻结加固模型试验（Ⅰ）——冻结过程中地层冻结温度场的分布特征[J]. 石荣剑,岳丰田,张勇,陆路. 岩土力学. 2017(02)
[4]渗流作用下裂隙岩体冻结温度场分布规律研究[J]. 高娟,冯梅梅,杨维好. 采矿与安全工程学报. 2013(01)
[5]冻结加固盾构端头土体温度场数值分析[J]. 袁云辉,杨平. 地下空间与工程学报. 2010(05)
[6]盾构尾刷冻结法更换的温度场数值分析[J]. 胡向东,程烨尔. 岩石力学与工程学报. 2009(S2)
[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]渗流地层人工冻结温度场和渗流场之数值研究[J]. 周晓敏,肖龙阁. 煤炭学报. 2007(01)
[9]外壁恒温条件下冻结管壁热流密度变化规律数值计算研究[J]. 杨维好,黄家会. 冰川冻土. 2006(03)
[10]隧道联络通道冻结位移场模型试验研究[J]. 岳丰田,张勇,杨国祥,石荣剑,丁光莹. 中国矿业大学学报. 2005(02)
本文编号：2950328
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