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 4 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

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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...

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