復(fù)雜地質(zhì)條件下地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程 凍土溫度場變化規(guī)律*

張潮潮 崔 猛

(1.南昌工程學(xué)院木土與建筑工程學(xué)院, 330099, 南昌; 2.江西省水利土木特種加固與安全監(jiān)控工程研究中心, 330099, 南昌∥第一作者, 講師)

凍結(jié)法利用人工制冷技術(shù),使地層中的水結(jié)冰,把天然巖土變成凍土,增加其強度和穩(wěn)定性,已廣泛應(yīng)用于煤礦豎井、地鐵和基坑等工程領(lǐng)域[1-2]。在土體由初始狀態(tài)轉(zhuǎn)化為凍土的過程中,凍結(jié)溫度場是其形成與發(fā)展的決定因素之一,表征了凍土的形成過程與強度特性。因此,研究凍結(jié)工程中的凍結(jié)溫度場變化規(guī)律具有較大的現(xiàn)實意義。

針對凍結(jié)過程中的凍結(jié)溫度場,國內(nèi)外的研究人員已開展了較多研究,主要有通過凍結(jié)工程現(xiàn)場測溫情況研究凍結(jié)溫度場的變化規(guī)律,以及通過有限元軟件進行凍結(jié)溫度場數(shù)值模擬計算等[3-4]。然而,由于凍土的組成較為復(fù)雜,關(guān)于凍土溫度場室內(nèi)試驗及其解析解的研究尚不夠全面。

基于此,本文以福州地鐵某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程為例,開展熱物理參數(shù)試驗及凍結(jié)溫度場試驗研究,獲得了土體熱物理參數(shù)及凍結(jié)溫度場的變化規(guī)律。建立有限元模型,進一步研究在現(xiàn)場實際凍結(jié)條件下,濱海地區(qū)江底聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)溫度場變化情況。本文研究可為凍結(jié)法施工提供理論依據(jù)及工程指導(dǎo)。

1 凍結(jié)工程概況及土體熱物理參數(shù)

1.1 工程概況

福州地鐵2號線某聯(lián)絡(luò)通道位于江底,聯(lián)絡(luò)通道位置所處的土層以淤泥夾砂及卵石為主,地層復(fù)雜,含水量豐富,孔隙水壓力大,施工中容易出現(xiàn)突水、涌砂的情況,施工風(fēng)險較高,因此采用人工凍結(jié)法對開挖聯(lián)絡(luò)通道周圍土體進行加固止水。聯(lián)絡(luò)通道位置示意圖如圖1所示。

1.2 土體熱物理參數(shù)

通過試驗可以獲得各土層的主要熱物理參數(shù),如表1所示。

表1 土層熱物理參數(shù)

2 凍結(jié)溫度場試驗

2.1 人工凍土多功能試驗系統(tǒng)

本次試驗采用一臺集壓力、溫度、水分控制于一體的WDC-100型多功能試驗機,通過改變上下端溫度、施加載荷的大小、補水條件及環(huán)境溫度等外部邊界條件,研究土體的凍結(jié)現(xiàn)象。試驗樣品室外側(cè)為隔絕層,主要裝置有傳壓板和透水板,側(cè)面布置有導(dǎo)熱盤及溫度探頭等。

土體試樣筒采用φ50 mm×100 mm圓柱形筒。在土壤樣本的頂部和底部各有一套裝置,設(shè)有制冷劑循環(huán)管和溫度傳感器。制冷劑循環(huán)形成冷源,溫度傳感器用于監(jiān)測溫度。在試樣筒的土樣位置設(shè)置一排均勻分布的測溫孔。測溫孔與樣品底部的距離分別為0.50 cm、1.75 cm、3.00 cm、4.25 cm、5.50 cm和6.75 cm。溫度采集探頭通過預(yù)留測溫孔伸入土樣,測量土樣內(nèi)部溫度并獲得其與冷源距離的關(guān)系。

2.2 試驗結(jié)果與分析

研究凍結(jié)溫度對土體的影響,所采用的試樣含水率為26%,試樣上部施加0.6 MPa的荷載,令凍結(jié)溫度分別為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃,不同凍結(jié)溫度下,測溫孔的溫度變化情況如圖2所示。研究凍融循環(huán)對土體的影響,當(dāng)凍結(jié)溫度為-15 ℃、融化溫度為15 ℃時,凍融循環(huán)下測溫孔溫度隨凍結(jié)時間的變化情況如圖3所示。

a) 凍結(jié)溫度為-5 ℃

圖3 凍融循環(huán)下測溫孔溫度隨凍結(jié)時間的變化情況

整個冷卻過程大致可分為3個階段,即積極凍結(jié)階段、衰減冷卻階段和穩(wěn)定階段。在凍結(jié)初期,土體溫度較高而凍結(jié)管溫度較低,凍結(jié)管與土體之間的溫度梯度大,土體降溫速度快,積極凍結(jié)階段是土體溫度迅速下降的階段。隨著土體溫度的降低,凍結(jié)管與土體之間的溫度梯度有所減小,土體降溫速率減小,土體中的水分開始凍結(jié)并釋放潛熱,進入衰減冷卻階段。隨著凍結(jié)時間的延長,土體溫度持續(xù)下降,凍結(jié)管與土體的溫差逐漸減小,熱交換總體趨于平衡,土體溫度緩慢下降,最終趨于穩(wěn)定。

不同測點的溫度變化趨勢基本相同,離冷源越近,土體冷卻速率越快,穩(wěn)定溫度越低。當(dāng)凍結(jié)溫度為-5 ℃時,最遠(yuǎn)測點(l=6.75 cm)的最終穩(wěn)定溫度為0.75 ℃,而最近測點(l=0.50 cm)的最終穩(wěn)定溫度為-3.00 ℃。這說明凍結(jié)溫度越低,土體溫度變化速率越快,最終穩(wěn)定溫度越低。

當(dāng)凍結(jié)溫度為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃時,最遠(yuǎn)測點(l=6.75 cm)的最終穩(wěn)定溫度分別為0.75 ℃、-3.00 ℃、-4.00 ℃和-7.50 ℃。穩(wěn)定溫度與其相應(yīng)凍結(jié)溫度之間的溫差分別為5.75 ℃、7.00 ℃、9.00 ℃和12.50 ℃,這說明凍結(jié)溫度越低,溫差越大。

在臨時凍土區(qū),隨著季節(jié)和晝夜溫度的變化,天然凍土?xí)a(chǎn)生凍融循環(huán)。在人工凍結(jié)過程中,由于停電、凍結(jié)管斷裂及鹽水泄漏等原因?qū)е聝鼋Y(jié)過程中斷,凍土將解凍;采取措施恢復(fù)凍結(jié)后,解凍凍土將再次開始凍結(jié),產(chǎn)生凍融過程。凍融試驗條件封閉且不排水,在凍融循環(huán)條件下,凍結(jié)溫度場發(fā)生周期性變化。

3 凍結(jié)溫度場數(shù)值分析

3.1 ANSYS熱分析簡述

ANSYS有限元數(shù)值計算是一種應(yīng)用較為廣泛的工程分析方法,通過ANSYS軟件的數(shù)值模擬可以預(yù)測工程的進展情況,并可與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析,從而不斷優(yōu)化設(shè)計,為工程施工的安全提供有效保障。

瞬態(tài)傳熱與穩(wěn)態(tài)傳熱是ANSYS熱分析的兩種類型,穩(wěn)態(tài)傳熱符合熱力學(xué)第一定律,瞬態(tài)系統(tǒng)是由靜態(tài)系統(tǒng)加入熱量儲項而形成的。大部分凍結(jié)工程的實際溫度場變化情況均屬于瞬態(tài)傳熱,故本次數(shù)值模擬分析采用瞬態(tài)傳熱分析。

3.2 計算模型

根據(jù)地勘報告,設(shè)定初始地溫為26 ℃;根據(jù)凍土試驗,設(shè)定土的凍結(jié)溫度為-1.0 ℃;設(shè)凍結(jié)時間為45 d,本模型不考慮對流傳熱影響。以聯(lián)絡(luò)通道中部處截面為計算模型,模型尺寸與實際尺寸相同,模型外邊界取4倍凍結(jié)壁厚度,計算采用plane55單元。有限元計算模型截圖如圖4所示。邊界條件為模型左側(cè)外邊界施加對稱邊界條件,其他3個邊界施加固定初始地溫值,取為26 ℃。

圖4 有限元計算模型截圖

3.3 凍土溫度場計算分析

通過計算可以獲得不同凍結(jié)時間下的凍土溫度場分布情況,如圖5所示。根據(jù)土體起始結(jié)冰溫度繪制不同凍結(jié)時間下的凍土交圈圖,如圖6所示。為判斷凍結(jié)區(qū)不利位置溫度場分布情況,建立路徑A—B,其中:A點為路徑起點;B點為路徑終點。A點和B點位置示意圖如圖7所示。不同凍結(jié)時間下,路徑A—B上各點的溫度分布情況如圖8所示。

a) 30 d

a) 30 d

注: C1為測溫點。

a) 30 d

平均溫度是影響凍土強度的主要因素。當(dāng)凍結(jié)時間為30 d、40 d、45 d時,有效厚度范圍內(nèi)的凍土平均溫度如表2所示。

表2 不同凍結(jié)時間下有效厚度范圍內(nèi)的凍土平均溫度

3.4 計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比分析

C1測溫點位于聯(lián)絡(luò)通道開挖面拱肩(見圖7),該處溫度值可以直接反映出聯(lián)絡(luò)通道臨挖面土體的溫度,具有重要的現(xiàn)實意義。因此,選擇該處測點溫度值與有限元溫度計算值進行對比分析,結(jié)果如圖9所示。由圖9可知:計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合,二者誤差在工程允許范圍之內(nèi);積極凍結(jié)后期及維護凍結(jié)期,兩者的數(shù)據(jù)幾乎完全重合。由此可知,數(shù)值模擬計算可以準(zhǔn)確反映出凍結(jié)穩(wěn)定階段土體的溫度場,計算所用參數(shù)是可靠的。

圖9 C1測溫孔處土體溫度計算值與實測值對比

4 結(jié)語

溫度場是凍結(jié)帷幕形成和發(fā)展的最直接誘因,是凍結(jié)法研究的關(guān)鍵。通過土體熱物理試驗和凍土溫度場試驗,獲得了土體的熱物理參數(shù)和凍土溫度場發(fā)展規(guī)律。建立了凍結(jié)溫度場有限元計算模型,計算模擬了現(xiàn)場工況下土體的溫度場變化。主要獲得以下結(jié)論:

1) 整個冷卻過程大致可分為3個階段:積極凍結(jié)階段、衰減冷卻階段和穩(wěn)定階段。在凍融循環(huán)中,凍結(jié)溫度場呈周期性變化。

2) 在積極凍結(jié)階段,地層溫度迅速下降。隨著土體溫度的降低,凍結(jié)管與土體之間的溫度梯度有所減小,土體降溫速率減小,土體中的水分開始凍結(jié)并釋放潛熱,進入衰減冷卻階段。隨后,凍結(jié)管與土體的溫差逐漸減小,熱交換總體趨于平衡,土體溫度緩慢下降,最終趨于穩(wěn)定。

3) 凍結(jié)溫度越低,土體溫度變化速率越快,最終的穩(wěn)定溫度越低。當(dāng)凍結(jié)溫度為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃時,最遠(yuǎn)測點(l=6.75 cm)的最終穩(wěn)定溫度分別為0.75 ℃、-3.00 ℃、-4.00 ℃和-7.5 ℃。穩(wěn)定溫度與其相應(yīng)凍結(jié)溫度之間的溫差分別為5.75 ℃、7.00 ℃、9.00 ℃和12.50 ℃,凍結(jié)溫度越低,溫差越大。

4) 利用有限元分析軟件ANSYS對凍結(jié)過程中溫度場的變化、凍結(jié)帷幕的形成過程進行分析,計算出凍土交圈所需時間及有效厚度范圍內(nèi)的凍土平均溫度。該凍結(jié)工程的凍土交圈時間為30 d,積極凍結(jié)時間為45 d,凍土平均溫度達(dá)到了-14.80 ℃。計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本吻合,誤差在工程允許范圍之內(nèi),說明運用數(shù)值模擬計算凍結(jié)施工溫度場是可行的,計算所用參數(shù)是可靠的。