【摘要】：人工凍結法是目前國內外廣泛使用的地層止水和加固方法之一,凍結施工過程中,地下水流速是影響凍結效果甚至是凍結法成敗的關鍵因素。本文結合市政工程中經常采用的多排孔布孔形式,以飽和砂滲流地層的人工凍結過程作為研究對象,采用數(shù)值模擬和物理試驗兩種研究方法對滲流作用下凍結溫度場發(fā)展規(guī)律進行系統(tǒng)研究。首先,開展凍結溫度場數(shù)值模擬研究,建立Comsol數(shù)值計算模型。通過Comsol軟件中的自定義偏微分方程,實現(xiàn)了多孔介質溫度場和滲流場耦合問題的數(shù)值求解。通過典型參數(shù)分析,得到了滲流作用下凍結溫度場以及滲流場的發(fā)展規(guī)律;運用單因素試驗研究得到了地下水流速、凍結管間距、凍結管排距、凍結管排數(shù)、滲流角度等影響因素與滲流溫度場凍結壁厚度、平均溫度及交圈時間的關系;運用正交試驗分析了不同滲流作用時間下各因素對于滲流溫度場的影響及顯著性。其次,根據相似準則,開展了物理模擬試驗研究,得到各特征面測點溫度變化情況以及交圈時間大小,據此分析各特征面凍結壁厚度變化規(guī)律。最后將物理試驗結果與數(shù)值模擬中同一流速水平分析結果進行了對比,得出二者所得的溫度場分布規(guī)律基本一致,但實驗測值要略大于數(shù)值模擬的數(shù)值,對其原因進行闡述。本文的研究內容可以為滲流作用下凍結法的設計和施工提供一定的指導和借鑒意義。
【圖文】：

yT ) (T ) (T )，比熱( ) ( ) ( )sx sy sC T C T C T，滲透系數(shù)( ) ( ) ( )x yK T K T K T。.2 幾何模型在人工地層凍結工程中，凍結管通常采用直徑 80～159mm 的無縫鋼管，開孔間 0.6～1.3m。不同的工程有不同的布孔形式，井筒凍結一般為多圈孔形式，對于通道等市政工程，則采用直排間隔布孔，工程中多排布孔形式應用較多，因此本立多排孔凍結平面幾何模型，凍結管直徑取 0.159m，間距取值范圍 0.6~1.2m，，范圍 0.8~2.4m，根據工程中直排布孔常用的布置形式，本文主要針對多排布孔研究，在此基礎上，固定滲流和導熱參數(shù)，改變布孔形式，研究梅花狀布孔下凍的發(fā)展規(guī)律。綜合凍結的影響范圍（凍結管外側凍結壁厚度 E0的 5~8 倍）以及水流方向，模為 20m×25m(長×寬)，凍結孔按試驗安排布置，每排布置 4 個凍結孔，由于模結構，當水流方向垂直凍結孔軸面時，可以取一半結構進行計算，從而減少計算時計算效率，當水流方向發(fā)生改變，不再與軸面垂直時，則溫度場不具有對稱性，整結構進行計算。圖 2-1 為對齊排列布置下雙排孔幾何模型。

（2）邊界條件溫度場邊界條件：模型長度方向左右兩側、高度方向上下兩側為絕熱邊界。滲流場邊界條件：模型高度方向上側（上游）為水流補給邊界，下側（下游）為透水邊界，模型長度方向左右兩側邊界為不透水邊界。當數(shù)值模擬中由于模型的對稱性取一半結構時，模型長度方向右側邊界（對稱軸邊界設為軟件內置的對稱邊界。2.4.4 網格劃分網格劃分是有限元法求解的關鍵，合理的網格劃分可以提高模型的收斂性、計算精度以及減少計算時間。由于本文幾何模型為平面模型，收斂性較好，因此在網格劃分時應盡量細化，以提高計算精度。凍結管附近和遠離凍結管的區(qū)域溫度梯度不同，故凍結管附近的網格劃分較遠離凍結管的區(qū)域細化。本課題數(shù)值模擬采用自由剖分三角形網格劃分，凍結管邊界選擇極端細化劃分等級，凍結域選擇特別細化劃分等級。同時，根據求解變量值的分布，合理的調整網格疏密程度，對局部范圍進行網格細化從而提高計算結果的精確性網格劃分如圖 2-2 所示。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TU94;TU46

【參考文獻】

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本文編號：2566183