上海人工冻土本构模型与温度场演化规律研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 6 4 4.49MB 72 页 15积分

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摘要

随着上海地区地下空间的进一步开发需要，人工冻结法在地铁联络通道、

基坑施工等城市地下工程中得到广泛的应用。在冻结法施工过程中，冻土强度

的评估、冻结温度场的控制等成为工程应用中的关键问题。因此，本文主要就

以下五个方面的内容进行了研究：

（1）在恒定应力加载速率下，对上海第五层冻结软黏土进行了单轴无侧限

抗压强度试验，研究了冻土的单轴抗压强度与应力加载速率、温度、含水率、

干密度的关系，通过回归分析求得了各影响因素的强度模型表达式，并利用正

交试验分析了各因素水平变动时对冻土抗压强度影响的灵敏度。

（2）在稳态导热情况下，利用解析解计算推导了单管冻结温度场计算公式，

并推导了不考虑和考虑土层冻结温度两种情况下的单排直线型冻结管布置其冻

结温度场在主面、界面、轴面上的温度场计算公式。

（3）在非稳态导热情况下，推导了在极坐标下变热工参数的人工冻土温度

场解析解。

（4）利用 ANSYS 有限元法分析了单排直线型布置的冻结管其冻土壁温度场

发展过程，并与解析解计算结果进行了对比，分析了解析解推导的温度场计算

公式其合理性和适用性。

（5）以上海某基坑开挖为几何模型进行 ANSYS 温度场计算，分析了不同冻

结时间内温度场的分布规律；开挖面平均温度随时间变化的关系；冻结壁平均

厚度与时间的关系；以及测温孔温度变化情况。

关键词：人工冻结法抗压强度应力加载速率冻结温度场解

析解数值分析

ABSTRACT

With the development of underground structures in Shanghai, the artificial

freezing method is increasingly applied in urban underground project (such as the

connected aisle of subway and foundation pit construction). It is very significant to

evaluate the strength of frozen soil and control the temperature in freezing

construction. In this paper, the following contents are discussed:

(1) In the constant stress loading rates, uniaxial unconfined compressive strength

test are conducted on the fifth floor of frozen clay in Shanghai. The relationships

between the compressive strength of frozen soil and the stress loading rate,

temperature，

water content, dry density are discussed in the paper. The strength model

equations of each influential factors are obtained by regression analysis, and the

sensitivity of which according to the changes in the level of each factors causing

influence to compressive strength of frozen soil is analyzed by orthogonal test.

(2) In the case of steady state heat conduction, the calculation formula of

single-tube freezing temperature field is derived by the analytical solution; The

calculation formula of freezing temperature field in the main surface, interface, axial

plane, which are about the single-row linear arrangement of the freezing tube, are also

derived at the two cases of considering and without considering the soil freezing

temperature.

(3) In the case of transient heat conduction, paper derived the analytical solution

of artificial freezing soil temperature field, which are change in the thermal parameter

in the polar coordinate.

(4) The frozen wall temperature field development of freezing tube with

single-row linear arrangement is analyzed by using ANSYS finite element method,

and is compared to the results of analytical solution. Paper analyzed the legitimacy

and applicability of the temperature filed calculation formula derived by analytical

solution.

(5) Take the excavation of a foundation pit in Shanghai as a geometric model,

the distribution of its temperature field was simulated by using ANSYS finite element

method. This paper analyses the distribution of temperature field at different freezing

time; analyses the relationship of average temperature at excavation surface changing

with time; analyses the relationships between the average thickness of the frozen wall

and the time; and analyses the temperature change situation of the thermometer holes.

Keywords: artificial freezing method, compressive strength, stress

loading rates, freezing temperature field, analytical

solutions, numerical analysis

摘要 ........................................................... V

ABSTRACT .......................................................... VI

第一章绪论 ....................................................... 1

§1.1 前言 ..................................................... 1

§1.2 地层人工冻结技术简介及应用 ................................ 1

§1.2.1 冻土概述 ............................................ 1

§1.2.2 人工冻结技术简介 .................................... 2

§1.2.3 人工冻结技术的应用 .................................. 4

§1.3 国内外研究现状 ............................................ 5

§1.3.1 冻土力学性质的研究 .................................. 5

§1.3.2 冻土温度场的研究 .................................... 7

§1.4 论文主要研究内容 .......................................... 9

第二章冻土的单轴无侧限抗压强度试验研究 ........................... 11

§2.1 引言 .................................................... 11

§2.2 试验过程及方法 .......................................... 11

§2.2.1 试验仪器简介 ....................................... 11

§2.2.2 土样 ............................................... 11

§2.2.3 试样制备 ........................................... 12

§2.2.4 试验方法及过程 ..................................... 12

§2.3 实验结果 ................................................ 12

§2.4 试验结果分析 ............................................ 13

§2.4.1 各含水率下抗压强度与温度的关系 ..................... 13

§2.4.2 各含水率下抗压强度与应力加载速率的关系 ............. 17

§2.4.3 各应力加载速率下，抗压强度与含水率的关系 ........... 19

§2.4.5 抗压强度与温度、应力加载速率、干密度、含水率的关系 . 23

§2.4.6 正交试验法探讨各因素对抗压强度的影响 ............... 25

§2.5 本章小结 ................................................. 28

第三章人工冻土温度场的解析解计算 ................................. 29

§3.1 引言 .................................................... 29

§3.2 影响冻结温度场的相关因素 ................................ 29

§3.2.1 冻土的热物理特性 ................................... 29

§3.2.2 未冻水含量 ......................................... 32

§3.3.1 单管冻结温度场计算 ................................. 33

§3.3.2 不考虑土层冻结温度时单排直线型冻结壁温度场计算 ..... 35

§3.3.3 考虑土层冻结温度时单排直线型冻结壁温度场计算 ....... 36

§3.4 非稳态导热及变热工参数情况下的温度场计算 ................. 37

§3.4.1 温度场的数学模型 ................................... 37

§3.4.2 温度场的定解条件 ................................... 38

§3.4.3 比热容沿径向线性变化，导热系数为常数时的解 ......... 39

§3.4.4 比热容沿径向成幂函数变化，导热系数为常数时的解 ..... 40

§3.4.5 比热容沿径向成指数函数变化，导热系数沿径向成反比例函数

变化时的解 ................................................. 42

§3.5 本章小结 ................................................ 42

第四章 ANSYS 在冻结壁温度场分布分析中的运用 ........................ 44

§4.1 引言 .................................................... 44

§4.2 ANSYS 热分析基本知识 .................................... 44

§4.2.1 三类边界条件 ....................................... 44

§4.2.2 初始条件 ........................................... 45

§4.3 单排直线型冻结壁温度场计算公式的数值分析 ................ 46

§4.3.1 用 ANSYS 求解冻土壁温度场过程 ....................... 46

§4.3.2 公式分析 ........................................... 47

§4.3.3 反算冻土壁厚度 ..................................... 50

§4.3.4 本节小结 ........................................... 51

§4.4 某基坑冻结壁温度场数值模拟 .............................. 52

§4.4.1 冻结温度场的数学模型 ............................... 52

§4.4.2 冻结温度场的几何模型和数值计算模型 ................. 53

§4.4.3 结果分析 ........................................... 54

§4.4.4 本节小结 ........................................... 58

第五章结论与展望 ................................................. 59

§5.1 主要结论 ................................................ 59

§5.1.1 冻土在恒定应力加载速率下的单轴无侧限抗压强度试验结论

........................................................... 59

§5.1.2 人工冻土温度场解析解计算结论 ....................... 59

§5.1.3 单排直线型冻结壁温度场计算公式的数值分析结论 ....... 60

§5.1.4 某基坑冻结壁温度场数值模拟结论 ..................... 60

§5.2 问题及展望 ............................................... 61

参考文献 .......................................................... 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 67

致谢 ........................................................... 68

第一章绪论

§1.1 前言

由于社会经济的发展和人口的增长，空间的利用相对缩小,为了扩大生存空

间，开发利用地下部分空间成为人类的重要手段和发展趋势，专家预测21世纪

是地下工程建设的时期。我国地下空间的开发和利用也会在这个时期达到高潮，

而各种地下工程也正在或计划修建中，并且这种趋势会呈不断增加态势[1]。我国

目前在进行城市地下空间开发利用中，遇到许多用传统方法难以解决的问题，

这些都给岩土工程界提出了新的课题，为此需要寻找一种既安全又较为合理的

新方法。人工地层冻结法作为一种辅助施工方法被广泛用于隧道和基础工程中，

在我国，这种方法在轨道交通以及越江隧道的施工建设中起到越来越重要的作

用，因此也将为我国的经济发展发挥更大的作用。

根据统计资料显示，中国很多大中型城市都提出了近期或远期的地铁建设

方案。就上海来说，到 2010 年将陆续建成 13 条轨道交通路线，届时 30％的城

区面积将被轨道交通网络覆盖。与此同时，天津、南京、广州、深圳等地的地

铁建设也在蓬勃开展。地下工程不仅在投资上比较大，而且会给社会带来比较

深远的影响和巨大的经济效益，此外如果在施工中发生任何事故，必将付出巨

大的损失和惨痛代价，所以必须提高其建设的安全性和经济性要求，避免在建

设当中出现任何的安全事故。例如上海在修建轨道交通 4 号线浦东南路至南浦

大桥区间隧道时，由于隧道联络通道所处的地理位置非常特殊，在施工上存在

很大的难度，也给技术上造成了很大的风险，在距离隧道贯通仅差 80 厘米的时

候，大量流沙突然涌入隧道内，使得已修建隧道严重受损，并且造成隧道周围

部分地区地面下沉和周边三栋建筑严重倾斜的现象，同时防汛墙出现裂缝，其

中一幢大厦达到高达 12 毫米的沉降量。这次事故所带来的直接经济损失高达 1.5

亿元。因此，我们必须寻找一种切实有效的方式来对地下工程的设计和施工进

行计算和评估，以达到安全施工、避免损失的目的。目前在国内许多属于软土

地基的城市，正在逐步重视和考虑在地下施工中使用人工冻结法，因此进一步

完善和发展人工冻土冻结理论和技术体系将具有重要的社会效益和良好的经济

效益。

§1.2 地层人工冻结技术简介及应用

§1.2.1 冻土概述

冻土是指温度在零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，它是一种多

上海人工冻土本构模型与温度场演化规律研究

相非均匀的各向异性介质[2]，由固体矿物颗粒、液相水(未冻水和强结合水)、冰

包裹体以及气态包裹体(水汽和空气)组成的。根据冻土冻结时间长短，地球上主

要分布着三种冻土：

1、瞬时冻土：冻结时间短，一般在几天或几小时内，冻结深度小，一般从

几毫米到几十毫米；

2、季节性冻土：冻结时间增长，一般等于或大于一个月，冻结深度也从几

十毫米到 1～2米，它是发生于每年冬季的周期性冻土；

3、多年冻土：也叫永久冻土，冻结时间较长，一般在连续三年或三年以上，

冻结深度较厚。

冻土与普通土体相比有其特殊性，它的性质不仅与颗粒的矿物成分、含水

量和密度的大小等因素有关，还与含冰量及温度密切相关。土体冻结后，土中

一部分水冻结成冰，体积增大，土体发生冻胀。由于土中冰晶体的存在，冻土

的物理力学性质非常复杂。在温度较低情况下，土中水分凝结变成冰，冻土变

得非常坚硬；随着温度的升高，冻土中的冰会随之融化，冻土的性质也会随之

发生变化；当冻土融化时，融土中水的含量增加，干密度相应减小，冻土的抗

剪强度会随之下降，而冻土的压缩性会因此增大，这是因为破坏了冻土土颗粒

间冰的胶结作用，结构稳定性降低;富冰冻土中的孔隙冰融化时结构会立即破坏，

孔隙度突变，发生快速局部下沉[3][4]。因此，冻土中水的含量变化是导致冻土性

质不稳定的一个重要因素。另外，冻土的性质随时间都在变化，表现为动态特

性。所以，冻土是一种对温度十分敏感且性质不稳定的土体[5]。

§1.2.2 人工冻结技术简介

冻结法是利用人工制冷方法，使存在于地层中的水结冰，从而将天然状态的

岩石或土壤转变成人工冻土。天然状态的土通过连续的冻结，其冻结区逐渐交

圈，交圈后的冻土体形成一个连续的冻土墙，其墙体完整而封闭，具有较高的

强度，并能抵抗水的渗透性。由于形成冻土墙后的冻土，其物理力学性质远远

优于含水土层或岩层，因此连续的冻土墙可以作为围护结构来隔绝地下水与开

挖土体之间的联系，并利用自身强度来抵抗地压、水压。当冻结壁的厚度和强

度达到设计要求，足以抵抗开挖时的水土压力时，地下工程的开挖施工即可在

冻结体的保护下进行，以保证开挖的安全和稳定性。其实质是利用人工制冷临

时改变岩土性质以固结地层[6]。所以，冻结法与其它地层加固方法相比具有以下

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摘要：

摘要随着上海地区地下空间的进一步开发需要，人工冻结法在地铁联络通道、基坑施工等城市地下工程中得到广泛的应用。在冻结法施工过程中，冻土强度的评估、冻结温度场的控制等成为工程应用中的关键问题。因此，本文主要就以下五个方面的内容进行了研究：（1）在恒定应力加载速率下，对上海第五层冻结软黏土进行了单轴无侧限抗压强度试验，研究了冻土的单轴抗压强度与应力加载速率、温度、含水率、干密度的关系，通过回归分析求得了各影响因素的强度模型表达式，并利用正交试验分析了各因素水平变动时对冻土抗压强度影响的灵敏度。（2）在稳态导热情况下，利用解析解计算推导了单管冻结温度场计算公式，并推导了不考虑和考虑土层冻结温度两种情况...

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