人工冻土融沉特性及其对周围环境影响研究

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1、第六章人工冻土融沉对地层温度场及位移场的影响规律研究6.1引言人工冻土融沉引起的地面沉降计算必须解决好如下四个问题：冻土融化速度、地表沉降的分布、地表最大沉降和沉降速度。而人工冻土融化涉及冻土融沉、土体本构关系变化、融土二次压缩和固结及土体开挖卸载等过程，是一个三维、高度非线性、时间相关和温度相关的复杂问题，土热参数、环境温度、覆盖厚度、地面超载、隧道外径、冻土壁厚度、融沉系数、渗透系数等因素变化都会对上述四个问题产生影响。为反映人工冻土融沉对地层温度场及位移场的影响，促进人工冻结法在城市地下空间开发中的推广应用，本章拟利用已建立的人工冻土融沉三维有限元模型系统分析各

2、因素变化对融化温度场、地层位移场和地表沉降速度的影响规律。6.2参考算例描述为分析人工冻土融沉过程中各因素变化对融化温度场、地层位移场和地表沉降速度的影响规律，本章对影响人工冻土融沉的各因素进行了不同水平的单因素数值模拟分析。对融化温度场，考虑的因素为：导热系数、比热容、相变潜热、含水率和环境温度；对地层位移场，考虑的因素为：覆土厚度、地面超载、隧道外径、冻土壁长度、冻土壁厚度、融沉系数和含水率；对地表沉降速度，考虑的因素为：导热系数、比热容、含水率、环境温度、渗透系数和覆土厚度。在分析每一种因素变化对冻土融沉的影响时，保持其余参数不变，对每一种因素根据实际情况选用不

3、同的水平。为了便于反映上述各因素的影响规律，选取一盾构出洞水平冻结加固工程为算例进行分析计算，基本情况为：隧道外径6.3m，衬砌管片厚0.35m，隧道中心埋深为18m；冻结帷幕按杯形设计，杯壁加固体厚度为1.2m，长5.6m，杯底加固体厚度为2.8m；地基土层为南京地区常见的粉质粘土，土体饱和，除土体自重外无外界荷载；土体初始温度为15℃，相变温度-1.42℃，相变温度区间为-1.42~0℃，空气温度25℃；在有荷载作用的情况下，土体冻胀率为4.5%，融沉系数为6.8%；计算中采用的材料参数见表6-1和表6-2。表6-1热物理参数材料导热系数比热容冻结融化温度相变潜热

4、对流换热系数2W/(m·K)kJ/(kg·K)℃kJ/kgkJ/(h·m·K)粉质粘土0.951.78-1.4292—冻结粉质粘土1.561.17-1.4292—混凝土8.40.81———地面与空气————8.5混凝土与空气————5089表6-2本构模型参数材料EνCφEtσ0ρkv3-1(MPa)(KPa)(MPa)(KPa)(Kg/m)(cm·s)-6原状粉质粘土(未冻结区)4.550.351316——17640.9×10-6原状粉质粘土(冻结区)250.35——510017644.6×10-6冻融粉质粘土(冻结区)180.35——410017644.6×10混

5、凝土345000.2————250006.3融化温度场的影响因素分析图6-1给出了导热系数变化时冻结区土体最低温度与时间的关系。由图可见，解冻过程大致可以分为三个阶段：解冻初期土体升温阶段、相变阶段和正温阶段。随着导热系数的增大，解冻时间大大缩短，当导热系数为1kJ/(m·h·K)时，解冻需要110天，而当导热系数为5kJ/(m·h·K)时，解冻只需要30天，时间缩短了接近3倍。导热系数变化对解冻初期土体升温阶段和相变阶段的都有显著影响，随着导热系数的增加，土体升温阶段时间和相变阶段时间都随之大幅度减小。图6-2为土体比热容变化时冻结区最低温度与时间的关系。由图可见，

6、随着比热容的3增加，解冻时间延长，但延长的幅度并不是很大，当比热容为1500kJ/(m·K)时，解冻需3要35天，当比热容为3500kJ/(m·K)时，解冻需要43天，延长了8天。解冻初期土体升温阶段比热容的影响比较显著，随着比热容的增加，土体升温阶段时间增加，比热容变化对相变阶段时间基本没有影响。图6-3为相变潜热变化时冻结区土体最低温度与时间的关系。由图可见，随着相变潜3热的增加，解冻时间有较大幅度的延长。当相变潜热为70000kJ/m时，解冻需要28天，3当相变潜热为190000kJ/m时，解冻需要56天，延长了2倍。相变潜热变化对解冻初期土体升温阶段基本没有影

7、响，但对相变阶段影响显著。图6-4为含水率变化时冻结区土体最低温度与时间的关系。由图可见，在解冻初期土体升温阶段，随含水率增加，升温阶段时间有小幅度的延长，原因是含水率增加导致土体比热容增加。由于含水率增加时导热系数也随之增加，所以含水率变化对升温阶段的影响不如比热容变化对升温阶段的影响显著。在相变阶段，含水率变化的影响非常明显，随含水率增加，相变时间大幅延长，原因是相变潜热与含水率成正比，含水率增加导致相变潜热相应提高。图6-5为环境温度变化时冻结区土体最低温度与时间的关系。由图可见，环境温度变化对融化温度场有明显的影响，当环境温度升高时，土体升温