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垂直冻土墙内温度场的数值分析
摘要
本文通过ADINA对垂直冻土墙内温度场的产生与分布规律进行了研究。在垂直的状态下冻结时间为7天，在此之后的冻结时间30天，垂直冻结形成厚度大于1.6米的防水冻土墙。由于冻结区和非冻结区之间的热交换，垂直冻土墙1m范围内受到影响。因此，垂直冷冻管的间距应小于1米。设计冷冻过程中，应考虑到边界区温度的影响。应该留出边缘地带，因为冰冻管道的有效的可操作区域大约为1米。垂直冷冻墙的宽度和深度应大于指定尺寸。
1.引言
通常需要大直径的盾构机来建造交叉的海上通道，这样在隧道末端的闯入和爆破过程会增加风险。因此，在钻孔过程中提高隧道末端的土体强度对于隧道稳定是非常重要的（Hu 2013）。盾牌发射和接收大直径的TBM需要进行地面改进。 地面冻结法已被广泛应用于隧道（如Nakamura 2004; Yu等2005; Yang等2006; Ou等2009; Pimental等2012）。例如，三轴混合机首先用于土壤固结，然后是地面冻结过程，以冻结孔隙水，产生高强度且不透水的冻土墙（Andersland and Ladanyi，2004）。 有时候，脱水井也是必要的。 在本文中，我们分析了ADINA（见Bathe和Dong 2014）在屏蔽发射期间冻结区域温度场的分布规律和演变规律，以指导设计过程。
为南京地铁10号线跨江隧道修建了一个21米times;19.4米times;30.5米（长times;宽times;深）发射竖井支撑的隔膜墙。隧道掘进机（TBM）开挖直径12.03m，长度14.05m。埋藏深度为隧道中心以上21.05米。表1.1列出了发射井周围土层的详细信息和参数。本项目采用两种方法改善周围土体：水泥混合柱和地面重叠冷冻（见图1）。前面的图是用深度混合法构建的同三轴混频器。直径每根轴的长度是1和中心到中心米，距离是0.75米。强筋面积指水泥含量高达17％，弱筋配筋率为7％。为了进一步加强改良土与支护结构之间的结合，沿隧道轴线布置了两排垂直冷冻管，如图1.1所示。管道间距保持在0.8 m，三角形布置图。行A和行B分别有29和28个管（见图1.2）。A排与隔墙边缘之间的距离为0.4m，相邻排水管间距为0.8m。数字图1.2显示了垂直弯管的现场布置。每个管道的冻结深度是31.15米，总冰冻深度约为1776米。每根管子的直径为127毫米，厚度为4.5毫米。使用盐水作为用于在前30天约-29℃的温度下冷冻的液体，然后在约-27℃下冷冻。
表1.1 盾构发射点土壤界面的物理力学参数
|
深度 |
土壤地层 |
（千牛/米3） |
泊松比 |
（兆帕） |
（千帕） |
角度 （度） |
|
（1）0米 - 0.8米 |
平原填充 |
16.5 |
0.36 |
7.00 |
26.0 |
7.9 |
|
（2）0.8米 - 1.7米 |
粘土 |
18.1 |
0.30 |
7.90 |
18.0 |
13.2 |
|
（3）1.7米 - 16.7米 |
粉质粘土 |
16.7 |
0.32 |
6.22 |
18.0 |
15.3 |
|
（4）16.7米至31.1米 |
淤泥和细砂 |
18.8 |
0.26 |
19.97 |
8.0 |
31.5 |
|
（5）31.1米--48.2米 |
淤泥和细砂 |
19.4 |
0.26 |
24.17 |
6.0 |
27.3 |
（a）平面视图 （b）横截面
图1.1 土体加固和范围示意图（单位：mm） 图 1.2 垂直冷冻的布局管道
2.数值模型
模拟的基本假设如下：（1）土壤中的所有土壤层仿真范围均匀分布在水平方向上;（2）各土层在热力学性质上被认为是各向同性的; （3）最初土壤内的温度是相同的;（4）管道本身的影响是微不足道; 换句话说，温度载荷直接作用于土壤; （5）在整个模拟过程中热物理参数是恒定的瞬态热传导的相变用来计算温度场。只有一个部分由于问题的对称性，认为长度为12米。模拟模型如图2.1所示。其中分别有15个和14个等距的冷冻管行A和B。每个管道的冻结深度是31.2米所有其他参数设置与现场工程相同。选择四节点四面体单元进行模型离散化。局部网格细化被应用到冷冻管的周围区域。该模型由815,788个元素和149,000个节点组成。为了检测温度的变化，在z = 0和y = 0的三个路径中设置了22个记录点（图2.1）。
图2.1 几何模型示意图
表2.1总结了水泥混合土壤的热物理参数，并以施工现场取样的土壤为基础（见Hu 2012,2013）。该模拟中的初始温度设定为30℃。这是因为加入土壤重要的温度变化从19到20°在10米的深度; 此外，由于水泥的水合热，地层温度可能上升约10℃。一个温度计30°C在模型边界被设置为常数体现了模型外的土壤温度。 温度负荷施加在冷冻管表面上，如表2.2所示。在温度加载过程中使用了24小时的增量。为了验证从有限元模型得到的计算结果，数值结果与现场数据进行了比较。 将记录点1和2的温度与田间相应点的温度进行比较，如图2.2所示。数值结果的温度曲线比现场数据的温度曲线相对平滑。这是由于这个事实数值模拟将问题参数理想化简化复杂边界和加载条件。尽管如此数字与现场数据基本一致。仿真结果如下
表2.1 水泥混合土的参数
表2.2 盐水冷却过程
图2.2 仿真结果与实测数据的比较
3.结果
整个模型的0℃等温线和不同时间的截面z = 0如图3.1所示。如图3.1所示，在冷冻初期0℃时的等温线（前五天）由以相应的冷冻管为中心的圆圈组成，没有相邻之间的交集界。该圆柱形霜区周围A排中的每个冷冻管比B排中的大。这可以归因于B排的管道被更多的土壤包围，这提供了更多的抵抗温度变化的事实。 冻结6天后（图3.1b），冻结管周围的冻结区域开始合并; 然而，整体模型的0℃等温线表明，冰冻带还没有完全连接。 冷冻七天后（图3.1c），有一个连续的垂直冻结的墙壁形成。增长的冰冻的墙壁了一直持续到第40天（图3.1d）。 之后合并在0℃时为等温线逐渐线性化。此外，冰冻区域的扩张逐渐减缓但冻结壁的厚度继续增加 。因此，就这一点而言冻结方案，需要7天时间才能形成冻结管道，形成完整的冻土墙。 在图3.2中，冷冻30℃后，0℃和-10℃的等温线和两个40天整体模型和横截面Z = 0areillustrated。 它是结果表明，与-10℃等温线相关的冻结壁厚度在冷冻30天后达到1.6m; 此外，与0℃等温线相关的厚度比-10℃时厚0.2-0.3mu;m。 冻结40天后，-10℃时等温线的厚度仅略有增加，达到1.8m左右; 与0℃等温线相关的厚度为0.3-0.4mu;m比在-10°C。 因此，垂直冷冻30天后冻墙大于1.6米。
- 冷冻5天 b）冷冻6天 c）冷冻7天 d）冷冻40天
图3.1 等温线在0°C的整体模型和横截面z = 0在不同的时间点
- 冷冻30天 b）冷冻40天
图3.2 等温线在0°C和-10°C的整体在冷冻30天和40天之后，断面和横截面积z = 0。
为了检查A和B行之间冻土的冷却趋势，在两行之间（表示为路径1）被指定为与y轴平行。记录点1-9被安排在路径1上，Y坐标分别为0,1.6,3.2,4.8,6.4,8,9.6，11.2,和12米，每个记录点的温度到时间曲线为如图3.3所示。表明有几乎相同的冷却倾向该记录点1-7。也发现这些点上的温度冷冻6天后降至0℃以下，两行之间的冻土在冻结7天后开始形成封闭。这意味着连续冻结的墙被完全构建。 对于第8点和第9点，分别需要9天和21天的冷冻天数才能达到0℃; 温度的变化比其他的要慢。这可能是由于围绕这两点的冻结管道较少比其他点例如b图所示，从点9到点的距离最近的冷冻管是0.8米。结果表明有效工作距离冷冻管约0.5米; 换句话说，两次冻结之间的距离管道不应该大于1米。
图 3.3 温度曲线1–9 图3.4 温度分布曲线路径1上的不同点（d =日）
根据距离隧道中心的距离进一步检查了路径1中的点。不同冻结时间的温度曲线绘制在图3.4中。使用这些曲线，将两个区域分类：点1 - 7被指定为区域I，而其余为第二区。如图3.4所示，温度下降率在头15天比其后的速率更快。这主要是因为温度盐水保持在-30℃，热交换更多在一段时间内密集的之间的温差较大盐水和它的周围的土壤。 因此，周围土壤的温度降低降低了温度下降的速度。 区域1的温度在第15天下降到约-20℃。区域2位于A行的边缘，由于前面讨论的现象，该区域的温度变化比其他点慢得多。点7和8之间的距离大约是A排的长度的1/14。这意味着在垂直冻结项目的设计期间，冻结长度的1/14的边际距离应该被留出。因此，一个或两个附加冷冻管道应在两侧边界安装，以确保边缘区域被占有。为了检验沿深度梯度的降温趋势，另一部分是选择（表示作为路径2）并包括了第1,10-15，如图所示图1.2c。该7个记录点的温度 - 时间曲线显示在图3.5中。显示冷却速率在点1和10到13基本相同。所有的温度冻结后这些点降到零以下6天。这时，一个连续的垂直冻结壁形成于两排冻结管周围的冻结区。并且完全合并。对于点14，冻结约10天后温度降至零度以下。当离冷冻管越远时，点15在冷冻30天后降到零以下。点14和15之间的距离是1米。 结果意味着沿z轴至少1m的边缘距离应该留给设计。根据它们到地面的距离绘制第2部分中的点， 可以找到类似的发现（图3.7）。
图3.5 点1，10至15的温度曲线 图3.6 路径2上不同点的温度分布曲线（d =日）
为了描绘垂直冻结壁沿隧道方向（即图2.1中的x轴）的冷却速率，在横截面z = 0处选择8个记录点（表示为路径3），包括点1,16到22具有x坐标0，-0.4，-0.8，-1.2，-1.5，-2.0，-2.5和-3.0，如图2.1b所示。路径3位于垂直于平面y = 0的冻结壁的中心部分。路径3中的点的冷却速率如图3.7所示，其中可以看出，冷却曲线不同于路径1和2的冷却曲线。点17的冷却速率曲线与冷却程序相同因为它距离掘进工作面0.4米。对于其他的点，冷却速率曲线表明，离掘进面越远，冷却速率就越低和更高的温度。B行冷冻管与掘进面之间的温度点16,1和18在冷冻6-7天后降至0℃以下，形成连续的垂直冷冻壁。距离B排冷冻管沿x轴0.3m的点19的温度在冷冻10天后降至0℃以下。20点需要23天才能降到0℃以下。 即使冻结了40天，温度没有下降到0°C以下为点21和22，有一个距B排管道沿x轴距离分别为1.3 m和1.8 m。图3.8给出了不同时间点的冷却速率。 沿着路径3的点是根据它们与标题面的距离排列的。这些曲线可以分为四个区域：I，II，III和IV。A行和B行的冷冻管分别位于区域I和区域II的中心。在区域I中，不同时间点的温度在A排冻结管周围是基本对称的。然而，与区域I呈现的趋势相反，区域II的温度在最靠近A排中的冻结管受到A排中冻结管的影响。因为第四区由于冷冻管距离较远，温度没有明显下降从图中可以看出，即使是最靠近冷冻管的位置也没有显示出来更大的温度。 总体而言，路径3的土壤降温速率下降逐渐地，特别是在冻结了20天以后。冻结10天后，温度在heading面1.5米以内的温度降至0°C以下。冷冻40天后，heading面2.4米内温度降至0℃以下。
图3.7 点1,16至22的温度曲线 图3.8 路径上3个不同点的温度分布曲线（d =日）
4.结论
利用ADINA研究了大直径盾构跨河隧道TBM坍塌的竖向冻土墙温度场分布。 得出的结论可概括下：（1）计算温度的趋势与实测数据基本一致。 此外，基于计算的数据的温度曲线看起来相对平滑。说明利用数值模式模拟盾构隧道启动过程中竖向冻土墙的温度变化是可行的。（2）在设计的冻结方案中，封闭冻土墙需要7天的时间。经过30天的冻结时间，形成厚度大于1.6米的防水冻土墙。 （3）由于冻土与冻土墙两侧的冻土墙之间存在热交换，影响较大。冷冻管的有效区域约为0.5米，因此建议冷冻管的间距小于1米。（4）边缘区应设计在边上。应该安装沿着每一排的另外一根或两根冷冻管，以确保在每个边界处产生一个边缘区域。对于Z轴，边缘区应该至少有1米深，这意味着冷冻管应该到达比其指定位置深1米以上的深度。
资料编号：[77349]
垂直冻土墙内温度场的数值分析
摘要
本文通过ADINA对垂直冻土墙内温度场的产生与分布规律进行了研究。在垂直的状态下冻结时间为7天，在此之后的冻结时间30天，垂直冻结形成厚度大于1.6米的防水冻土墙。由于冻结区和非冻结区之间的热交换，垂直冻土墙1m范围内受到影响。因此，垂直冷冻管的间距应小于1米。设计冷冻过程中，应考虑到边界区温度的影响。应该留出边缘地带，因为冰冻管道的有效的可操作区域大约为1米。垂直冷冻墙的宽度和深度应大于指定尺寸。
1.引言
通常需要大直径的盾构机来建造交叉的海上通道，这样在隧道末端的闯入和爆破过程会增加风险。因此，在钻孔过程中提高隧道末端的土体强度对于隧道稳定是非常重要的（Hu 2013）。盾牌发射和接收大直径的TBM需要进行地面改进。 地面冻结法已被广泛应用于隧道（如Nakamura 2004; Yu等2005; Yang等2006; Ou等2009; Pimental等2012）。例如，三轴混合机首先用于土壤固结，然后是地面冻结过程，以冻结孔隙水，产生高强度且不透水的冻土墙（Andersland and Ladanyi，2004）。 有时候，脱水井也是必要的。 在本文中，我们分析了ADINA（见Bathe和Dong 2014）在屏蔽发射期间冻结区域温度场的分布规律和演变规律，以指导设计过程。
为南京地铁10号线跨江隧道修建了一个21米times;19.4米times;30.5米（长times;宽times;深）发射竖井支撑的隔膜墙。隧道掘进机（TBM）开挖直径12.03m，长度14.05m。埋藏深度为隧道中心以上21.05米。表1.1列出了发射井周围土层的详细信息和参数。本项目采用两种方法改善周围土体：水泥混合柱和地面重叠冷冻（见图1）。前面的图是用深度混合法构建的同三轴混频器。直径每根轴的长度是1和中心到中心米，距离是0.75米。强筋面积指水泥含量高达17％，弱筋配筋率为7％。为了进一步加强改良土与支护结构之间的结合，沿隧道轴线布置了两排垂直冷冻管，如图1.1所示。管道间距保持在0.8 m，三角形布置图。行A和行B分别有29和28个管（见图1.2）。A排与隔墙边缘之间的距离为0.4m，相邻排水管间距为0.8m。数字图1.2显示了垂直弯管的现场布置。每个管道的冻结深度是31.15米，总冰冻深度约为1776米。每根管子的直径为127毫米，厚度为4.5毫米。使用盐水作为用于在前30天约-29℃的温度下冷冻的液体，然后在约-27℃下冷冻。
表1.1 盾构发射点土壤界面的物理力学参数
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