發(fā)布時間：2020-12-31 21:15

　　地鐵暗挖車站盆形凍結(jié)由盆壁和盆底兩部分組成閉合的止水空間,其中盆底可采用多排管局部凍結(jié)（板梳凍結(jié)）的方式�；谖锢砟Ｐ驮囼灲⒘税迨醿鼋Y(jié)的數(shù)值模型,所建模型能夠有效反映物理模型試驗的結(jié)果并再現(xiàn)凍結(jié)形態(tài)發(fā)展,二者共同揭示了滲流條件下板梳凍結(jié)的成形和溫度場時空發(fā)展規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn):（1）滲流條件下,板梳凍結(jié)成型經(jīng)歷3個階段,初始階段凍土柱沿順?biāo)鞣较虬l(fā)展;第2階段背水面最后一排凍結(jié)管凍土柱在垂直水流方向交圈;最后階段凍結(jié)區(qū)域由背水面向迎水面逆向發(fā)展形成水平凍結(jié)板。滲流條件下的迎水面繞流造成前兩排凍結(jié)管端部出現(xiàn)凍結(jié)凹槽,使得凍結(jié)板有效厚度有所損失。（2）在達到凍結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)時,主體凍結(jié)區(qū)域的溫度場在順?biāo)髫Q向剖面上的表現(xiàn)為水滴形態(tài),低溫部分以中部凍結(jié)管為中心呈對稱分布;垂直水流豎向剖面上以中間行凍結(jié)管為中心對稱分布,溫度自核心低溫區(qū)域向四周逐步升高;在凍結(jié)板厚度方向上中部溫度比端部溫度低。 

【文章來源】：巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2020年S1期 北大核心

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

板梳凍結(jié)方案Fig.2Comb-freezingtechnology

tu(1)21Lptuufu(2)式中：Kef為多孔介質(zhì)的等效導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，L為水的密度，u為流體滲流的速度場矢量，CL為水的比熱容，Q為系統(tǒng)熱源或匯，L為單位質(zhì)量的水發(fā)生相變時所釋放出的潛熱值，θL為液態(tài)水的含量，t為時間，Cef為多孔介質(zhì)的等效熱容，f為流體單元收到的質(zhì)量力，γ為水的重度。其中，式(1)用于求解凍結(jié)過程中的溫度T，式(2)用于求解凍結(jié)過程中的壓力p及速度場u三個分量。板梳凍結(jié)數(shù)值模型如圖3所示，模型參數(shù)[19]如表1所示。圖3板梳凍結(jié)數(shù)值模型Fig.3Numericalsimulationofcomb-freezing本文數(shù)值模擬所采用的有限元軟件ComsolMultiphysics，所建模型尺寸為20m×30m×15m(順?biāo)鏖L度×迎水面長度×高)，模擬過程中規(guī)定沿著地下水滲流方向的凍結(jié)管為一行，與地下水滲流方向垂直的凍結(jié)管為一排，并控制凍結(jié)管外壁溫度為–30℃，地溫為20℃。本次研究在砂卵石地層中布置了7行4排共28根豎向凍結(jié)管，行距2.4m，排距2.0m，所建數(shù)值模型示意圖如圖3所示，數(shù)值模擬涉及物理參數(shù)[19]取值見表1。人工凍結(jié)過程中，多孔介質(zhì)的熱容可以按照混合物熱容的體積加權(quán)平均值來表示，即等效熱容Cef。同理，多孔介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)也可以表示為土骨架–水–冰等混合體的等效導(dǎo)熱系數(shù)Kef，即efLLLLIILSSL(1)(1)CCCCLt(3)efLLLISKK(1)K(1)K(4)式中：φ為多孔介質(zhì)的孔隙率，ρS為土骨架的密度，ρI為冰的密度，CS為土骨架的比熱容，

第39卷增1張晉勛等：北京砂卵石地層滲流條件下多排管局部凍結(jié)水平板成形規(guī)律研究3191層板梳凍結(jié)的系列模型試驗，研究了地下水滲流速度對凍結(jié)形態(tài)及交圈時間的影響。模型試驗一共進行了5種不同滲流速度下板梳凍結(jié)的凍結(jié)形態(tài)。模型試驗遵循溫度場和滲流場的相似準(zhǔn)則，試驗過程中采用幾何縮比CL=10，根據(jù)π定理量綱分析的相似準(zhǔn)則可推得：水平凍結(jié)體厚度、凍結(jié)管間距等幾何縮比為10，溫度縮比CT=1，時間縮比Ct=100，流速縮比Cv=0.1，物理模型凍結(jié)管分布如圖4所示。圖4物理模型凍結(jié)管分布Fig.4Freezingtubesdistributioninmodeltest本次研究基于物理模型試驗建立相應(yīng)的系列三維數(shù)值模型，模擬結(jié)果在凍結(jié)體形成過程、溫度場時空發(fā)展規(guī)律上與模型試驗結(jié)果基本吻合，驗證了數(shù)值模擬方法的可靠性。限于篇幅，本文僅選取滲流速度為5m/d的模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，如圖5所示。物理模型試驗與數(shù)值模擬主要參數(shù)的相似關(guān)系如表2所示。試驗過程中通過在入口與出口施加壓強差的方式驅(qū)動地下水流動，并在模型中的不同位置布置溫度測點，根據(jù)有限溫度測點的讀數(shù)，勾畫出試驗過程中水平中軸面的0℃等溫線輪廓，圖5(a)和(b)分別給出了凍結(jié)時間12和24h時模型試驗的凍結(jié)范圍。根據(jù)模型試驗縮比，分別對應(yīng)數(shù)值模擬的50和100d，如圖5(c)和(d)所示，物理模型與數(shù)值模型在這2個時刻的凍結(jié)范圍基本吻合。在物理模型試驗中，有限個溫度測點并不能有效反應(yīng)溫度場逐漸發(fā)展的全部細節(jié)，因此在模型中軸線上選擇了2個關(guān)鍵測點(見圖5(a))，通過對比物理模型試驗與數(shù)值模擬的溫度時程變化，說明數(shù)值模擬的有效性。根據(jù)

【參考文獻】：
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