复杂地质条件下地铁联络通道冻结工程 冻土温度场变化规律*

张潮潮 崔 猛

(1.南昌工程学院木土与建筑工程学院, 330099, 南昌; 2.江西省水利土木特种加固与安全监控工程研究中心, 330099, 南昌∥第一作者, 讲师)

冻结法利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性,已广泛应用于煤矿竖井、地铁和基坑等工程领域[1-2]。在土体由初始状态转化为冻土的过程中,冻结温度场是其形成与发展的决定因素之一,表征了冻土的形成过程与强度特性。因此,研究冻结工程中的冻结温度场变化规律具有较大的现实意义。

针对冻结过程中的冻结温度场,国内外的研究人员已开展了较多研究,主要有通过冻结工程现场测温情况研究冻结温度场的变化规律,以及通过有限元软件进行冻结温度场数值模拟计算等[3-4]。然而,由于冻土的组成较为复杂,关于冻土温度场室内试验及其解析解的研究尚不够全面。

基于此,本文以福州地铁某区间联络通道冻结工程为例,开展热物理参数试验及冻结温度场试验研究,获得了土体热物理参数及冻结温度场的变化规律。建立有限元模型,进一步研究在现场实际冻结条件下,滨海地区江底联络通道的冻结温度场变化情况。本文研究可为冻结法施工提供理论依据及工程指导。

1 冻结工程概况及土体热物理参数

1.1 工程概况

福州地铁2号线某联络通道位于江底,联络通道位置所处的土层以淤泥夹砂及卵石为主,地层复杂,含水量丰富,孔隙水压力大,施工中容易出现突水、涌砂的情况,施工风险较高,因此采用人工冻结法对开挖联络通道周围土体进行加固止水。联络通道位置示意图如图1所示。

1.2 土体热物理参数

通过试验可以获得各土层的主要热物理参数,如表1所示。

表1 土层热物理参数

2 冻结温度场试验

2.1 人工冻土多功能试验系统

本次试验采用一台集压力、温度、水分控制于一体的WDC-100型多功能试验机,通过改变上下端温度、施加载荷的大小、补水条件及环境温度等外部边界条件,研究土体的冻结现象。试验样品室外侧为隔绝层,主要装置有传压板和透水板,侧面布置有导热盘及温度探头等。

土体试样筒采用φ50 mm×100 mm圆柱形筒。在土壤样本的顶部和底部各有一套装置,设有制冷剂循环管和温度传感器。制冷剂循环形成冷源,温度传感器用于监测温度。在试样筒的土样位置设置一排均匀分布的测温孔。测温孔与样品底部的距离分别为0.50 cm、1.75 cm、3.00 cm、4.25 cm、5.50 cm和6.75 cm。温度采集探头通过预留测温孔伸入土样,测量土样内部温度并获得其与冷源距离的关系。

2.2 试验结果与分析

研究冻结温度对土体的影响,所采用的试样含水率为26%,试样上部施加0.6 MPa的荷载,令冻结温度分别为-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃,不同冻结温度下,测温孔的温度变化情况如图2所示。研究冻融循环对土体的影响,当冻结温度为-15 ℃、融化温度为15 ℃时,冻融循环下测温孔温度随冻结时间的变化情况如图3所示。

a) 冻结温度为-5 ℃

图3 冻融循环下测温孔温度随冻结时间的变化情况

整个冷却过程大致可分为3个阶段,即积极冻结阶段、衰减冷却阶段和稳定阶段。在冻结初期,土体温度较高而冻结管温度较低,冻结管与土体之间的温度梯度大,土体降温速度快,积极冻结阶段是土体温度迅速下降的阶段。随着土体温度的降低,冻结管与土体之间的温度梯度有所减小,土体降温速率减小,土体中的水分开始冻结并释放潜热,进入衰减冷却阶段。随着冻结时间的延长,土体温度持续下降,冻结管与土体的温差逐渐减小,热交换总体趋于平衡,土体温度缓慢下降,最终趋于稳定。

不同测点的温度变化趋势基本相同,离冷源越近,土体冷却速率越快,稳定温度越低。当冻结温度为-5 ℃时,最远测点(l=6.75 cm)的最终稳定温度为0.75 ℃,而最近测点(l=0.50 cm)的最终稳定温度为-3.00 ℃。这说明冻结温度越低,土体温度变化速率越快,最终稳定温度越低。

当冻结温度为-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃时,最远测点(l=6.75 cm)的最终稳定温度分别为0.75 ℃、-3.00 ℃、-4.00 ℃和-7.50 ℃。稳定温度与其相应冻结温度之间的温差分别为5.75 ℃、7.00 ℃、9.00 ℃和12.50 ℃,这说明冻结温度越低,温差越大。

在临时冻土区,随着季节和昼夜温度的变化,天然冻土会产生冻融循环。在人工冻结过程中,由于停电、冻结管断裂及盐水泄漏等原因导致冻结过程中断,冻土将解冻;采取措施恢复冻结后,解冻冻土将再次开始冻结,产生冻融过程。冻融试验条件封闭且不排水,在冻融循环条件下,冻结温度场发生周期性变化。

3 冻结温度场数值分析

3.1 ANSYS热分析简述

ANSYS有限元数值计算是一种应用较为广泛的工程分析方法,通过ANSYS软件的数值模拟可以预测工程的进展情况,并可与现场实测数据进行对比分析,从而不断优化设计,为工程施工的安全提供有效保障。

瞬态传热与稳态传热是ANSYS热分析的两种类型,稳态传热符合热力学第一定律,瞬态系统是由静态系统加入热量储项而形成的。大部分冻结工程的实际温度场变化情况均属于瞬态传热,故本次数值模拟分析采用瞬态传热分析。

3.2 计算模型

根据地勘报告,设定初始地温为26 ℃;根据冻土试验,设定土的冻结温度为-1.0 ℃;设冻结时间为45 d,本模型不考虑对流传热影响。以联络通道中部处截面为计算模型,模型尺寸与实际尺寸相同,模型外边界取4倍冻结壁厚度,计算采用plane55单元。有限元计算模型截图如图4所示。边界条件为模型左侧外边界施加对称边界条件,其他3个边界施加固定初始地温值,取为26 ℃。

图4 有限元计算模型截图

3.3 冻土温度场计算分析

通过计算可以获得不同冻结时间下的冻土温度场分布情况,如图5所示。根据土体起始结冰温度绘制不同冻结时间下的冻土交圈图,如图6所示。为判断冻结区不利位置温度场分布情况,建立路径A—B,其中:A点为路径起点;B点为路径终点。A点和B点位置示意图如图7所示。不同冻结时间下,路径A—B上各点的温度分布情况如图8所示。

a) 30 d

a) 30 d

注: C1为测温点。

a) 30 d

平均温度是影响冻土强度的主要因素。当冻结时间为30 d、40 d、45 d时,有效厚度范围内的冻土平均温度如表2所示。

表2 不同冻结时间下有效厚度范围内的冻土平均温度

3.4 计算数据与实测数据对比分析

C1测温点位于联络通道开挖面拱肩(见图7),该处温度值可以直接反映出联络通道临挖面土体的温度,具有重要的现实意义。因此,选择该处测点温度值与有限元温度计算值进行对比分析,结果如图9所示。由图9可知:计算结果与实测数据基本吻合,二者误差在工程允许范围之内;积极冻结后期及维护冻结期,两者的数据几乎完全重合。由此可知,数值模拟计算可以准确反映出冻结稳定阶段土体的温度场,计算所用参数是可靠的。

图9 C1测温孔处土体温度计算值与实测值对比

4 结语

温度场是冻结帷幕形成和发展的最直接诱因,是冻结法研究的关键。通过土体热物理试验和冻土温度场试验,获得了土体的热物理参数和冻土温度场发展规律。建立了冻结温度场有限元计算模型,计算模拟了现场工况下土体的温度场变化。主要获得以下结论:

1) 整个冷却过程大致可分为3个阶段:积极冻结阶段、衰减冷却阶段和稳定阶段。在冻融循环中,冻结温度场呈周期性变化。

2) 在积极冻结阶段,地层温度迅速下降。随着土体温度的降低,冻结管与土体之间的温度梯度有所减小,土体降温速率减小,土体中的水分开始冻结并释放潜热,进入衰减冷却阶段。随后,冻结管与土体的温差逐渐减小,热交换总体趋于平衡,土体温度缓慢下降,最终趋于稳定。

3) 冻结温度越低,土体温度变化速率越快,最终的稳定温度越低。当冻结温度为-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃时,最远测点(l=6.75 cm)的最终稳定温度分别为0.75 ℃、-3.00 ℃、-4.00 ℃和-7.5 ℃。稳定温度与其相应冻结温度之间的温差分别为5.75 ℃、7.00 ℃、9.00 ℃和12.50 ℃,冻结温度越低,温差越大。

4) 利用有限元分析软件ANSYS对冻结过程中温度场的变化、冻结帷幕的形成过程进行分析,计算出冻土交圈所需时间及有效厚度范围内的冻土平均温度。该冻结工程的冻土交圈时间为30 d,积极冻结时间为45 d,冻土平均温度达到了-14.80 ℃。计算结果与实测数据基本吻合,误差在工程允许范围之内,说明运用数值模拟计算冻结施工温度场是可行的,计算所用参数是可靠的。