復雜地質條件下地鐵聯絡通道凍結工程 凍土溫度場變化規律*

張潮潮 崔 猛

(1.南昌工程學院木土與建筑工程學院, 330099, 南昌; 2.江西省水利土木特種加固與安全監控工程研究中心, 330099, 南昌∥第一作者, 講師)

凍結法利用人工制冷技術,使地層中的水結冰,把天然巖土變成凍土,增加其強度和穩定性,已廣泛應用于煤礦豎井、地鐵和基坑等工程領域[1-2]。在土體由初始狀態轉化為凍土的過程中,凍結溫度場是其形成與發展的決定因素之一,表征了凍土的形成過程與強度特性。因此,研究凍結工程中的凍結溫度場變化規律具有較大的現實意義。

針對凍結過程中的凍結溫度場,國內外的研究人員已開展了較多研究,主要有通過凍結工程現場測溫情況研究凍結溫度場的變化規律,以及通過有限元軟件進行凍結溫度場數值模擬計算等[3-4]。然而,由于凍土的組成較為復雜,關于凍土溫度場室內試驗及其解析解的研究尚不夠全面。

基于此,本文以福州地鐵某區間聯絡通道凍結工程為例,開展熱物理參數試驗及凍結溫度場試驗研究,獲得了土體熱物理參數及凍結溫度場的變化規律。建立有限元模型,進一步研究在現場實際凍結條件下,濱海地區江底聯絡通道的凍結溫度場變化情況。本文研究可為凍結法施工提供理論依據及工程指導。

1 凍結工程概況及土體熱物理參數

1.1 工程概況

福州地鐵2號線某聯絡通道位于江底,聯絡通道位置所處的土層以淤泥夾砂及卵石為主,地層復雜,含水量豐富,孔隙水壓力大,施工中容易出現突水、涌砂的情況,施工風險較高,因此采用人工凍結法對開挖聯絡通道周圍土體進行加固止水。聯絡通道位置示意圖如圖1所示。

1.2 土體熱物理參數

通過試驗可以獲得各土層的主要熱物理參數,如表1所示。

表1 土層熱物理參數

2 凍結溫度場試驗

2.1 人工凍土多功能試驗系統

本次試驗采用一臺集壓力、溫度、水分控制于一體的WDC-100型多功能試驗機,通過改變上下端溫度、施加載荷的大小、補水條件及環境溫度等外部邊界條件,研究土體的凍結現象。試驗樣品室外側為隔絕層,主要裝置有傳壓板和透水板,側面布置有導熱盤及溫度探頭等。

土體試樣筒采用φ50 mm×100 mm圓柱形筒。在土壤樣本的頂部和底部各有一套裝置,設有制冷劑循環管和溫度傳感器。制冷劑循環形成冷源,溫度傳感器用于監測溫度。在試樣筒的土樣位置設置一排均勻分布的測溫孔。測溫孔與樣品底部的距離分別為0.50 cm、1.75 cm、3.00 cm、4.25 cm、5.50 cm和6.75 cm。溫度采集探頭通過預留測溫孔伸入土樣,測量土樣內部溫度并獲得其與冷源距離的關系。

2.2 試驗結果與分析

研究凍結溫度對土體的影響,所采用的試樣含水率為26%,試樣上部施加0.6 MPa的荷載,令凍結溫度分別為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃,不同凍結溫度下,測溫孔的溫度變化情況如圖2所示。研究凍融循環對土體的影響,當凍結溫度為-15 ℃、融化溫度為15 ℃時,凍融循環下測溫孔溫度隨凍結時間的變化情況如圖3所示。

a) 凍結溫度為-5 ℃

圖3 凍融循環下測溫孔溫度隨凍結時間的變化情況

整個冷卻過程大致可分為3個階段,即積極凍結階段、衰減冷卻階段和穩定階段。在凍結初期,土體溫度較高而凍結管溫度較低,凍結管與土體之間的溫度梯度大,土體降溫速度快,積極凍結階段是土體溫度迅速下降的階段。隨著土體溫度的降低,凍結管與土體之間的溫度梯度有所減小,土體降溫速率減小,土體中的水分開始凍結并釋放潛熱,進入衰減冷卻階段。隨著凍結時間的延長,土體溫度持續下降,凍結管與土體的溫差逐漸減小,熱交換總體趨于平衡,土體溫度緩慢下降,最終趨于穩定。

不同測點的溫度變化趨勢基本相同,離冷源越近,土體冷卻速率越快,穩定溫度越低。當凍結溫度為-5 ℃時,最遠測點(l=6.75 cm)的最終穩定溫度為0.75 ℃,而最近測點(l=0.50 cm)的最終穩定溫度為-3.00 ℃。這說明凍結溫度越低,土體溫度變化速率越快,最終穩定溫度越低。

當凍結溫度為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃時,最遠測點(l=6.75 cm)的最終穩定溫度分別為0.75 ℃、-3.00 ℃、-4.00 ℃和-7.50 ℃。穩定溫度與其相應凍結溫度之間的溫差分別為5.75 ℃、7.00 ℃、9.00 ℃和12.50 ℃,這說明凍結溫度越低,溫差越大。

在臨時凍土區,隨著季節和晝夜溫度的變化,天然凍土會產生凍融循環。在人工凍結過程中,由于停電、凍結管斷裂及鹽水泄漏等原因導致凍結過程中斷,凍土將解凍;采取措施恢復凍結后,解凍凍土將再次開始凍結,產生凍融過程。凍融試驗條件封閉且不排水,在凍融循環條件下,凍結溫度場發生周期性變化。

3 凍結溫度場數值分析

3.1 ANSYS熱分析簡述

ANSYS有限元數值計算是一種應用較為廣泛的工程分析方法,通過ANSYS軟件的數值模擬可以預測工程的進展情況,并可與現場實測數據進行對比分析,從而不斷優化設計,為工程施工的安全提供有效保障。

瞬態傳熱與穩態傳熱是ANSYS熱分析的兩種類型,穩態傳熱符合熱力學第一定律,瞬態系統是由靜態系統加入熱量儲項而形成的。大部分凍結工程的實際溫度場變化情況均屬于瞬態傳熱,故本次數值模擬分析采用瞬態傳熱分析。

3.2 計算模型

根據地勘報告,設定初始地溫為26 ℃;根據凍土試驗,設定土的凍結溫度為-1.0 ℃;設凍結時間為45 d,本模型不考慮對流傳熱影響。以聯絡通道中部處截面為計算模型,模型尺寸與實際尺寸相同,模型外邊界取4倍凍結壁厚度,計算采用plane55單元。有限元計算模型截圖如圖4所示。邊界條件為模型左側外邊界施加對稱邊界條件,其他3個邊界施加固定初始地溫值,取為26 ℃。

圖4 有限元計算模型截圖

3.3 凍土溫度場計算分析

通過計算可以獲得不同凍結時間下的凍土溫度場分布情況,如圖5所示。根據土體起始結冰溫度繪制不同凍結時間下的凍土交圈圖,如圖6所示。為判斷凍結區不利位置溫度場分布情況,建立路徑A—B,其中:A點為路徑起點;B點為路徑終點。A點和B點位置示意圖如圖7所示。不同凍結時間下,路徑A—B上各點的溫度分布情況如圖8所示。

a) 30 d

a) 30 d

注: C1為測溫點。

a) 30 d

平均溫度是影響凍土強度的主要因素。當凍結時間為30 d、40 d、45 d時,有效厚度范圍內的凍土平均溫度如表2所示。

表2 不同凍結時間下有效厚度范圍內的凍土平均溫度

3.4 計算數據與實測數據對比分析

C1測溫點位于聯絡通道開挖面拱肩(見圖7),該處溫度值可以直接反映出聯絡通道臨挖面土體的溫度,具有重要的現實意義。因此,選擇該處測點溫度值與有限元溫度計算值進行對比分析,結果如圖9所示。由圖9可知:計算結果與實測數據基本吻合,二者誤差在工程允許范圍之內;積極凍結后期及維護凍結期,兩者的數據幾乎完全重合。由此可知,數值模擬計算可以準確反映出凍結穩定階段土體的溫度場,計算所用參數是可靠的。

圖9 C1測溫孔處土體溫度計算值與實測值對比

4 結語

溫度場是凍結帷幕形成和發展的最直接誘因,是凍結法研究的關鍵。通過土體熱物理試驗和凍土溫度場試驗,獲得了土體的熱物理參數和凍土溫度場發展規律。建立了凍結溫度場有限元計算模型,計算模擬了現場工況下土體的溫度場變化。主要獲得以下結論:

1) 整個冷卻過程大致可分為3個階段:積極凍結階段、衰減冷卻階段和穩定階段。在凍融循環中,凍結溫度場呈周期性變化。

2) 在積極凍結階段,地層溫度迅速下降。隨著土體溫度的降低,凍結管與土體之間的溫度梯度有所減小,土體降溫速率減小,土體中的水分開始凍結并釋放潛熱,進入衰減冷卻階段。隨后,凍結管與土體的溫差逐漸減小,熱交換總體趨于平衡,土體溫度緩慢下降,最終趨于穩定。

3) 凍結溫度越低,土體溫度變化速率越快,最終的穩定溫度越低。當凍結溫度為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃時,最遠測點(l=6.75 cm)的最終穩定溫度分別為0.75 ℃、-3.00 ℃、-4.00 ℃和-7.5 ℃。穩定溫度與其相應凍結溫度之間的溫差分別為5.75 ℃、7.00 ℃、9.00 ℃和12.50 ℃,凍結溫度越低,溫差越大。

4) 利用有限元分析軟件ANSYS對凍結過程中溫度場的變化、凍結帷幕的形成過程進行分析,計算出凍土交圈所需時間及有效厚度范圍內的凍土平均溫度。該凍結工程的凍土交圈時間為30 d,積極凍結時間為45 d,凍土平均溫度達到了-14.80 ℃。計算結果與實測數據基本吻合,誤差在工程允許范圍之內,說明運用數值模擬計算凍結施工溫度場是可行的,計算所用參數是可靠的。