人工凍結(jié)法施工中的溫度場研究

（桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541000）

0 引言

人工凍結(jié)法施工具有防水性能好和無污染的特性，可在復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下形成凍土墻，常用來解決傳統(tǒng)巖土工程方法難于解決的問題[1-3]。

由于人工凍結(jié)法施工過程中，地層溫度場會(huì)產(chǎn)生很大變化[4-5]。掌握土體凍融過程中凍土帷幕溫度場發(fā)展與分布規(guī)律，分析各因素對(duì)溫度場的影響，了解不同土層溫度場的發(fā)展與分布規(guī)律是人工凍結(jié)法施工的關(guān)鍵[6]。

為促進(jìn)人工凍結(jié)技術(shù)的推廣應(yīng)用，本文以某地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)出洞水平凍結(jié)工程為例，對(duì)水泥改良土凍結(jié)溫度場進(jìn)行了三維有限元分析，并研究了導(dǎo)熱系數(shù)、鹽水溫度、環(huán)境溫度、土體初始溫度、隧道覆土厚度等因素對(duì)溫度場的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際工程中凍結(jié)管的布置及凍融影響范圍，計(jì)算區(qū)域取隧道出洞洞中線上方至地面、下取20m，沿隧道縱向長40m、寬80m，坐標(biāo)原點(diǎn)位于隧道中心，x 軸與隧道中心線重合，y 軸為垂直x 軸的水平軸，z 軸與水平面垂直。網(wǎng)格采用三維八節(jié)點(diǎn)單元?jiǎng)澐郑畲髣澐珠g距為2m。圖1為凍結(jié)溫度場有限元計(jì)算模型。

圖1 凍結(jié)溫度場有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.2 計(jì)算參數(shù)

有限元模擬計(jì)算時(shí)，視土體初始溫度場為均勻溫度場，凍結(jié)前土體初始溫度為15℃。計(jì)算過程中大氣溫度設(shè)為恒溫，取平均氣溫25℃。土體與大氣接觸邊界對(duì)流換熱系數(shù)取8.5 kJ/（h·m2·K），混凝土與大氣接觸邊界對(duì)流換熱系數(shù)取50 kJ/（h·m2·K）。原狀土導(dǎo)熱系數(shù)取1.10 W/（m·K）、比熱容取1.68 kJ/（kg·K）；水泥土導(dǎo)熱系數(shù)取1.56 W/（m·K）、比熱容取1.69 kJ/（kg·K）；凍結(jié)水泥土導(dǎo)熱系數(shù)取1.96 W/（m·K）、比熱容取1.69 kJ/（kg·K）。

2 結(jié)果分析

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)凍結(jié)溫度場的影響

導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場的影響分析以計(jì)算模型中的導(dǎo)熱系數(shù)為基數(shù)分別減小和增大20%與40%，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖可知，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，土體降溫速度加快，土體凍結(jié)所需時(shí)間縮短。究其原因是土體導(dǎo)熱系數(shù)增加，單位時(shí)間內(nèi)由凍結(jié)管傳遞給土體的冷量增加，引起水泥土凍結(jié)時(shí)間縮短。

對(duì)比圖2中幾條曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，不但水泥土凍結(jié)所需時(shí)間縮短，而且水泥土降溫過程中的平臺(tái)段也縮短。原因是水泥土相變成凍土的過程中，相變潛熱保持不變，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)增加時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)由凍結(jié)管向處于相變狀態(tài)的水泥土輸送的冷量增加，從而引起水泥土相變加速，使降溫過程中的平臺(tái)段縮短。

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)變化時(shí)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

2.2 初始地溫對(duì)凍結(jié)溫度場的影響

初始地溫對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場的影響分別取9℃、12℃、15℃、18℃、21℃五個(gè)水平，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 原始地溫變化時(shí)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

由圖3可知，隨著初始地溫的增加，土體凍結(jié)速度變慢，凍結(jié)所需時(shí)間增大。究其原因是，凍結(jié)區(qū)土體初始溫度越高，土體溫度降低到零度所需的冷量就越大，凍結(jié)時(shí)間也就越長。由圖3還可以看出，初始地溫對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場的影響主要體現(xiàn)在相變前階段，初始地溫為9℃時(shí)，凍土壁外環(huán)表面土體15 天就開始凍結(jié)，而初始地溫為21℃時(shí)，凍土壁外環(huán)表面土體24 天才開始凍結(jié)。

2.3 鹽水溫度對(duì)凍結(jié)溫度場的影響

鹽水溫度對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場的影響分別取負(fù)25℃、負(fù)28℃、負(fù)31℃、負(fù)34℃、負(fù)37℃、負(fù)40℃六個(gè)水平，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 鹽水溫度變化時(shí)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

由圖4可知，隨著鹽水溫度的降低，水泥土降溫速度加快，土體凍結(jié)所需時(shí)間縮短，鹽水溫度變化既影響水泥土降溫過程中的平臺(tái)段（相變階段），也影響土體相變前的降溫階段。鹽水溫度為負(fù)25℃時(shí)，凍土壁外環(huán)表面土體22 天開始凍結(jié)；鹽水溫度為負(fù)40℃時(shí)，凍土壁外環(huán)表面土體14 天就開始凍結(jié)，相變所需時(shí)間也較負(fù)25℃時(shí)大大減小。

2.4 覆土厚度對(duì)凍結(jié)溫度場的影響

覆土厚度對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場的影響分別取20m、30m、40m 三個(gè)水平，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，三條曲線從凍結(jié)開始到凍結(jié)完成基本處于重合狀態(tài)，表明覆土厚度對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場的影響非常小，可以忽略不計(jì)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，凍結(jié)管內(nèi)冷量對(duì)周圍土體溫度的影響局限在約六米范圍內(nèi)，超出6m 后，覆土厚度的增加對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場影響變得非常小。

圖5 覆土厚度變化時(shí)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

2.5 氣溫變化對(duì)凍結(jié)溫度場的影響

大氣溫度對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場的影響分別取15℃、25℃、35℃三個(gè)水平，三個(gè)水平均取相同的初始地溫，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，15℃、25℃、35℃三條溫度曲線從凍結(jié)開始到凍結(jié)完成基本處于重合狀態(tài)，表明大氣溫度對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場的影響非常小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，大氣溫度對(duì)凍結(jié)區(qū)溫度場的影響需通過對(duì)非凍結(jié)區(qū)土體溫度的影響實(shí)現(xiàn)，由于土體與大氣的對(duì)流換熱速度較慢，當(dāng)覆土厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，大氣溫度變化很難在短時(shí)間內(nèi)對(duì)深度較大處的土體溫度產(chǎn)生較大影響，故很難對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場產(chǎn)生影響。

由于上述計(jì)算是在初始地溫相同情況下進(jìn)行的，計(jì)算結(jié)果只能說明凍結(jié)施工中，大氣溫度的變化不會(huì)影響凍結(jié)溫度場。如果施工選在不同季節(jié)，由于氣溫的差異導(dǎo)致了初始地溫的差異，就會(huì)對(duì)水泥土凍結(jié)溫度場產(chǎn)生較大影響。

圖6 氣溫變化時(shí)凍土壁表面點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

（1）隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，土體降溫速度加快，土體凍結(jié)所需時(shí)間大幅度縮短。

（2）隨著初始地溫的增加，土體凍結(jié)速度變慢，凍結(jié)所需時(shí)間有較大幅度增大。

（3）鹽水溫度對(duì)溫度場影響較大，隨著鹽水溫度的降低，水泥土降溫速度加快，土體凍結(jié)所需時(shí)間縮短，鹽水溫度變化既影響水泥土降溫過程中的相變階段，也影響土體相變前的降溫階段。

（4）隧道頂部覆土厚度對(duì)凍結(jié)溫度場的影響非常小，可以忽略不計(jì)。

（5）凍結(jié)法施工過程中，大氣溫度變化對(duì)凍結(jié)溫度場的影響非常小，但如果施工期很長，氣溫變化引起地溫變化，就會(huì)對(duì)凍結(jié)溫度場產(chǎn)生較大影響。