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1、第28卷第6期冰川冻土Vol.28No.62006年12月JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGYDec.2006文章编号:10000240(2006)06082310广州某地铁人工冻结法施工热力分析李双洋,张明义,高志华,张淑娟(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州730000)摘要:以广州某地铁采用人工冻结法施工为例,考虑相变和衬砌水泥水化热的生成,根据带相变瞬态温度场的热量控制微分方程,采用伽辽金法推导出的有限元计算公式计算分析了此地铁人工冻结施工过程中的温度场分布规律.并根据温度场的分布特点,
2、确定了开挖时的人工冻结壁厚度.最后,对冻结壁和其周围土体分别应用不同的力学本构模型进行施工过程的力学模拟.结果表明,采用人工冻结法作为一种辅助的施工方法,不但能满足施工过程中结构的强度要求,而且能满足环境沉降量的要求.关键词:人工冻土;地铁;温度场;位移场中图分类号:P642.14文献标识码:A下的性质明显的区别于未冻土.其主要特点有:1)1引言它的力学性质取决于温度;2)它存在明显的蠕变近年来,人工冻结技术被越来越多的应用到复特性.因此,在人工冻结法施工设计时应分析冻结杂地质条件下的矿山、地下铁道、建筑物基础工壁的温度场、位移场和应力场,使设计满足施工时程、港口工程以及水工工程中,
3、特别是在沿海城的强度、环境位移等方面的要求,而且使工程造价市,由于地下水位埋深较浅,而且其地层软弱(如较为经济.淤泥,淤泥质土和流砂等),在这些复杂环境中施人工冻结壁的温度场是一个相变的、移动边界工,常规的施工方法不能维持周围土体的稳定,因的和有内热源的、边界条件复杂的瞬态导热问题,而要采用特殊的施工方法,例如人工冻结法.人工同时在开挖后有与空气的对流换热和衬砌水泥水化冻结技术通过在含水不稳定土层中预先埋设冻结热的生成,因而不能求得解析解.本文以广州某地管,使地层中的水冻结成冰,把天然岩土变成人工铁采用冻结法施工为例,考虑相变和热量的生成,冻土,增加其强度和稳定性,以便在冻结壁的保护根
4、据带相变瞬态温度场问题的热平衡控制方程,应[1]下进行地下工程的施工.尽管人工冻结法施工有用有限元法计算分析了广州某地铁人工冻结施工过一百多年的历史,但到目前为止,关于这方面的研程中的温度场分布.此外,根据温度场的计算结[2]究主要集中在施工技术方面:余占奎等对施工时果,对冻结壁和其周围土体分别应用蠕变和弹塑性[3]的冻结壁的监测温度作了简要分析;萧岩等和周模型进行了施工过程的力学模拟计算.[4]晓敏等论述了冻结法施工技术以及人工冻结原2热力数值分析基本理论及有限元方程[5]理;王文顺等对人工冻结过程中温度场的变化规律作了试验研究.而人工冻土作为一种特殊的土2.1热量控制微分方程与
5、有限元方程类,与其它岩土最大的区别在于前者有冰存在,因考虑热量生成,瞬态温度场问题的热量平衡控而从本质上改变了土的力学性质,使它在荷载作用制方程为:收稿日期:20060303;修订日期:20060508基金项目:国家杰出青年科学基金项目(40225001);中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX3SW351资助作者简介:李双洋(1980-),男,甘肃静宁人,2005年毕业于兰州交通大学,现为博士研究生,主要从事隧道与岩土工程数值计算.Email:li.shuangyang@163.com824冰
6、川冻土28卷在f内有TTTC=++qv(10)txxyyTfTfTfCf=f+f+qv(1)txxyy由于本问题是一个强非线性问题,无法获得解[7-10]在u内有析解,本文拟采用数值解法,应用伽辽金法可求得此问题的有限元方程为:TuTuTuCu=u+u(2)txxyyT[M]+[K]{T}={F}(11)t式中:f,u分别表示冻、融状态;Tf,Cf,f分别为正冻区f内土体的温度、体积比热和导热系数;qv其中,为单位体积的热生成率,带u者为融区u内的相Mij=∃%eCNiNjd(12)应物理量
7、.NiNjNiNjKij=∃%exx+yyd在移动边s(t)上,必须满足连续条件和守恒条件,即:+∃%#e!NiNjd#(13)2Tf(s(t),t)=Tu(s(t),t)=Tm(3)Fi=∃%#e!T!Nid#+%eqvNid(14)T2fTuds(t)f-u=L(4)nndt式中:Ni,Nj是单元形函数.2.2力学计算模型式中:L为含水岩土的相变潜热;Tm为冻结锋面温度;n为冻结锋面的法线方向.2.2.1
