X型與圓形凍結(jié)管單管凍結(jié)溫度場數(shù)值對比分析

周禹暄，胡 俊，林小淇，李 珂，王志鑫

（1.海南大學土木建筑工程學院，海南 ?？?570228；2.海南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，海南 ?？?570206）

人工凍結(jié)法［1-7］的原理是以人為降溫的方法將地下的水凍住，將凍結(jié)管附近一定范圍內(nèi)的天然土壤轉(zhuǎn)化為凍結(jié)土，從而提高土層的強度和穩(wěn)定性，并將地下水從地下工程中隔離，是一種在凍結(jié)壁防護下進行地下工程施工的特殊技術.該技術的本質(zhì)是通過器械來人為降溫，在短時間內(nèi)改變巖石、土壤的物理力學性質(zhì)以增強地層.人工凍土的方法在支撐范圍和深度方面基本上不受限制，能有效地預防城市開挖、鉆探施工過程中出現(xiàn)涌水和相鄰上體變形的現(xiàn)象，并引起了越來越多的關注，目前正作為地下工程施工中的主要技術手段之一.傳統(tǒng)單一凍結(jié)圓管的冷凍能力不強，其循環(huán)冷媒介質(zhì)用量大、工程機械能耗多，不符合綠色巖土的理念.使用有限元軟件對X形凍結(jié)管和傳統(tǒng)圓形凍結(jié)管的凍結(jié)溫度場進行比較和分析［8-11］，并設置3條觀察路徑，發(fā)現(xiàn)X型凍結(jié)管單管凍結(jié)能力遠遠大于圓形凍結(jié)管.

1 X型凍結(jié)管簡介

1.1概述凍結(jié)管管體斷面為X型，管體內(nèi)插設有供液管，供液管的頂端設有回液管.凍結(jié)管為低碳無縫鋼管、PVC管、PPR管、ABS管或PE管.

1.2有益效果凍結(jié)管單位體積材料的比表面積越大，其凍結(jié)效果越好，由于X型凍結(jié)管比表面積遠大于圓管，故其可以在同等工程量的情況下，得到更好的凍結(jié)效果，性價比優(yōu)于圓管.

該X型凍結(jié)管的優(yōu)點：1）在施工過程中實用性較強；2）易于對施工的質(zhì)量進行控制；3）凍結(jié)加固效果好；4）更具經(jīng)濟性、推廣應用價值巨大.

2 溫度場數(shù)值模型的建立

2.1計算假定1）將土層視為單一均質(zhì)土，其初始溫度場均勻，初始溫度設為18℃；

2）地層中的凍土和未凍土都是連續(xù)、均勻、各向同性的材料；

3）土層凍結(jié)溫度取-1℃，溫度達到-10℃時土層形成穩(wěn)定的凍土帷幕；

4）溫度荷載直接作用在凍結(jié)管管壁上，水分遷移和土層內(nèi)熱阻對熱傳導的影響忽略不計.

2.2計算模型及參數(shù)選取基于X凍結(jié)管截面面積：0.15 m×0.02 m×4+0.02 m×0.02 m=0.012 4 m2，圓形凍結(jié)管截面面積：3.14×0.127 m×0.127 m/4=0.012 7 m2來建立三維溫度場數(shù)值模型［12］.取土體幾何尺寸為：1 m×1 m×1 m.選取四節(jié)點網(wǎng)格劃分格式，網(wǎng)格劃分后的計算模型如圖1所示，并設置觀察路徑：路徑1以（-0.25，0.085，0.05）為起點，沿Z軸正方向每隔0.05 m設置一個觀測點，共7個觀測點（1～7），路徑2以（-0.25，0.05，0.085）為起點，沿Y軸每隔0.05 m設置一個觀測點，共7個觀測點（8～14），路徑3以（0，-0.1，0.1）為起點，沿X軸每隔0.1 m設置一個觀測點，共6個觀測點（15～20）.

圖1 模型網(wǎng)格劃分及路徑示意圖

模型土體材料采用3?D熱傳導單元，參數(shù)如表1所示［13］.

表1 土體材料參數(shù)

模型將初始地層溫度設置為18℃，管壁為熱荷載邊界，以鹽水溫度為邊界荷載作用在管壁上，鹽水降溫計劃如表2所示，凍結(jié)時間步為40 d，每步時間長為24 h.

表2 鹽水溫度降溫計劃

3 溫度場數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1凍土帷幕基本情況圖2為X型凍結(jié)管和圓形凍結(jié)管X=0剖面凍結(jié)40d時凍土帷幕總體情況及-1℃和-10℃溫度等值線圖.從圖2中可以看出，圓形凍結(jié)管凍結(jié)40 d時形成一個近似圓形的凍土帷幕，而X型凍結(jié)管凍結(jié)40 d時凍土帷幕近似矩形，其凍結(jié)范圍和凍結(jié)效果遠遠優(yōu)于圓形凍結(jié)管，凍土帷幕的強度也更加均勻.

圖2 凍土帷幕總體情況及-1℃和-10℃溫度等值線圖

3.2路徑分析

3.2.1路徑1 X型、圓形凍結(jié)管路徑1上各點溫度隨時間變化圖如圖3所示.路徑1上溫度空間分布曲線如圖4所示［14-19］.

圖3 各點溫度隨時間變化圖

圖4 路徑1上溫度空間分布曲線圖

從圖3中可以看出，在同一觀測點，采用X型凍結(jié)管凍結(jié)的降溫速度比采用圓形凍結(jié)管的降溫速度更快.1點分別在凍結(jié)第9 d和13 d達到0℃以下，采用X型凍結(jié)管凍結(jié)40 d時1、2、3點均達到0℃以下，1點位置處溫度最低，約為-20℃.圓形凍結(jié)管凍結(jié)40 d時僅有1、2點位置處發(fā)生凍結(jié)，1點位置處約為-10℃.因此，采用X型凍結(jié)管的凍結(jié)效果遠優(yōu)于圓形凍結(jié)管，凍土帷幕的強度也更高.通過觀察圖4溫度空間分布曲線圖，可知離Y軸越近，其凍結(jié)效果越好，最終凍結(jié)溫度也越低，隨著距離的增加，采用2種凍結(jié)管凍結(jié)的差距逐漸減小，凍結(jié)40 d時的最終凍結(jié)溫度在距離0.35 m處相差不大.

3.2.2路徑2X型、圓形凍結(jié)管路徑2上各點溫度隨時間變化圖如圖5所示.路徑2上溫度空間分布曲線如圖6所示.

圖5 各點溫度隨時間變化圖

圖6 路徑2上溫度空間分布曲線圖

從圖6中可以看出，路徑2上各點溫度隨時間變化曲線和溫度空間分布曲線與路徑1的變化規(guī)律基本一致，因此在本文不做贅述.

3.2.3路徑3X型、圓形凍結(jié)管路徑3上各點溫度隨時間變化圖如圖7所示.路徑3上溫度空間分布曲線如圖8所示.

圖7 各點溫度隨時間變化圖

圖8 路徑3上溫度空間分布曲線圖

觀察各點溫度隨時間變化曲線可以得出：除了20點外，其余各點（15～19點）溫度的變化規(guī)律在凍結(jié)過程中一致，各點的溫度也基本相同，采用X型凍結(jié)管凍結(jié)比采用圓形凍結(jié)管凍結(jié)完成后的最終溫度低了約12℃，用圓形凍結(jié)管凍結(jié)各點的最終溫度約為0℃，其凍結(jié)效果不佳.因此建議使用X型凍結(jié)管進行凍結(jié)施工.從路徑上18點開始外部土體對溫度的影響逐漸變大，而20點由于位于凍結(jié)管的邊緣，最靠近外部土體，受土體影響最大，凍結(jié)完成后的最終溫度明顯高于其他各點.

4 小結(jié)

使用有限元軟件對X型凍結(jié)管和傳統(tǒng)圓形凍結(jié)管的凍結(jié)溫度場進行比較和分析，并設置3條觀察路徑，研究各個路徑上的溫度變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）X型凍結(jié)管凍結(jié)40 d時形成的凍土帷幕近似矩形，而圓形凍結(jié)管形成一個近似圓形的凍土帷幕，采用X型凍結(jié)管凍結(jié)的范圍和凍結(jié)效果遠遠優(yōu)于圓形凍結(jié)管，凍土帷幕的強度也更加均勻；

2）對比發(fā)現(xiàn)采用X型凍結(jié)管凍結(jié)的降溫速度更快，凍結(jié)效果遠優(yōu)于圓形凍結(jié)管，1點在凍結(jié)9 d達到0℃以下，凍結(jié)40 d時1、2、3點均達到0℃以下，1點位置處溫度最低，約為-20℃；

3）距離凍結(jié)管越近，其凍結(jié)效果越好，隨著距離的增加，采用2種凍結(jié)管凍結(jié)的差距逐漸減小，最終凍結(jié)溫度在距離0.35 m處相差不大；

4）20點受土體影響最大，凍結(jié)完成后的最終溫度明顯高于其他各點.其余各點（15～19點）溫度的變化規(guī)律在凍結(jié)過程中一致，各點的溫度也基本相同；

5）路徑3上采用X型凍結(jié)管凍結(jié)和圓形凍結(jié)管凍結(jié)完成后的最終溫度分別約為12℃和0℃，用圓形凍結(jié)管凍結(jié)其凍結(jié)效果不佳，因此建議使用X型凍結(jié)管進行凍結(jié)施工.