加热限位管对冻土帷幕厚度的影响研究

胡　俊，刘　勇

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228；2.新加坡国立大学 土木与环境工程系，肯特岗 新加坡 117576)



加热限位管对冻土帷幕厚度的影响研究

胡俊1，2，刘勇2

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228；2.新加坡国立大学 土木与环境工程系，肯特岗 新加坡 117576)

摘要：为解决现有人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发不良后果的问题，可设置加热限位管对冻土帷幕的发展进行限制，从而达到控制冻胀融沉的目的。运用有限元软件研究了设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律，主要得出：加热限位管盐水温度每升高5℃，冻土帷幕厚度就减小约0.2 m；加热限位管循环5℃盐水时，在冻结30 d前冻土帷幕厚度发展速度约0.05 m/d，之后由于加热限位管的作用，冻土帷幕不再向限位管以外发展，加热限位管作用效果明显；路径2各点温度一致，在冻结50 d时限位管盐水温度每升高5℃，其各点温度上升约1.5℃；在限位管开始循环热水前期，各点温度都有明显上升，离限位管越近温度所受影响越大；随着时间的推移，各点温度趋于稳定，循环热盐水温度越高，趋于稳定的温度值也越高。所得结果可为今后类似工程设计提供理论参考依据。

关键词：加热限位管；冻结法；冻胀融沉；数值模拟

0引言

人工冻结法施工后，会使周围地层产生冻胀融沉现象，对周围环境来说，使得土的工程性质和相邻建筑物受到不良影响，例如造成地基失稳，使邻近建筑物产生倾斜、裂缝，严重时会导致建筑物坍塌等事故，或使地下管线发生破坏等不良后果[1-3]。为了解决现有人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发不良后果的问题，可设置加热限位管对冻土帷幕的发展进行限制，把冻土帷幕控制在一定厚度范围以内，从而达到控制冻胀融沉的目的。实际工程中，设置卸压孔兼注浆孔来被动地抑制冻胀融沉比较常用，而通过设置加热限位管来主动地抑制冻胀融沉的方法在施工中还比较少见。港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程采用管幕冻结法施工，运用了“圆形冻结管+异形冻结管+加热限位管”的冻结工艺，通过设置加热限位管来达到“限冻胀”的目的[4]。这是国内少有的运用加热限位管控制冻土帷幕厚度的实例，但是关于加热限位管对冻土帷幕温度场发展的影响规律还缺乏深入的研究。

本文运用有限元软件分析设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律，通过在加热限位管中循环不同的加热盐水温度，数值对比分析各加热温度下冻土帷幕温度场的差异，以期对实际工程施工提供技术参考依据。

1数值模拟情况简介

图1　模型几何尺寸Fig.1.Geometric size of the model

本文采用二维数值模型进行分析计算，土层尺寸取长4 000 mm、宽2 400 mm的矩形平面，冻结管设置在长边的中垂线上，间距800 mm；加热限位管平行设置在冻结管两侧，位置设于两个冻结管中间，距长边中垂线1 000 mm，间距也是800 mm；

冻结管和加热限位管直径同为127 mm。在实施积极冻结29 d后，从冻结30 d开始在加热限位管中循环5、10、15、20、25℃的盐水，比较不同加热温度下冻土帷幕温度场的差异，整个冻结时间取50 d。模型几何尺寸及冻结管和限位管布置形式如图1所示。

2温度场数值模型的建立

2.1计算基本假定

假定土层具有均匀的初始温度场，初始温度取18℃(一般地层10 m以下恒温带温度为15~20℃)；土层为一层，视为均质、热各向同性体；直接将温度荷载施加到冻结管和加热限位管管壁上；忽略水分迁移的影响。

2.2计算模型和参数选取

本文建立二维温度场数值模型，选取了九节点网格划分格式，网格划分后的计算模型如图2所示。依据相关报告及试验[5-10]，模型的材料参数见表1。冻结前地层初始温度取18℃，冻结管和限位管管壁为热荷载边界，以盐水温度作为边界荷载，冻结期间冻结管盐水降温计划见表2。根据降温计划，取冻结时间步为50步，每步时间长为24 h。采用带相变的瞬态导热模型。

密度/(kg·m-3)含水量/%导热系数/(kJ·m-1·d-1·℃-1)比热/(kJ·kg-1·℃-1)未冻土冻土未冻土冻土相变潜热/(×108J/m3)冻结温度区间/℃188016.81181791.531.611.20[-1,0]

表2　冻结管盐水温度降温计划

2.3研究路径

为了更好地对比研究不同限位管加热温度下冻土帷幕温度场的差异，分别设置了2条路径和在路径上的10个分析点，如图2所示。路径1(1～5号分析点)设置在宽边的中垂线上，每隔200 mm设置一分析点，两冻结管中间为1号点，5号点离上方限位管100 mm；路径2(6～10号分析点)平行设置在一排冻结管和一排限位管之间，每隔400 mm设置一分析点。

3温度场计算结果与分析

3.1不同工况下的冻土帷幕情况

数值模拟了几种不同的工况，一种是在整个冻结50 d内，加热限位管不起作用，无需循环热盐水；剩下几种工况分别为：在实施积极冻结29 d后，从冻结30 d开始加热限位管中循环5、10、15、20、25℃的热盐水。图3为冻结50 d时不同工况下冻土帷幕温度场等值线。

可以看出：当加热限位管不起作用时，间距800 mm的单排冻结管在冻结50 d时冻土帷幕厚度可以发展到2.4 m；当从冻结30 d开始加热限位管循环5、10、15、20、25℃的热盐水之后，冻结50 d时的冻土帷幕厚度约为2、1.8、1.6、1.4、1.2 m；随着加热限位管盐水温度的升高，冻土帷幕厚度呈线性减小，加热限位管盐水温度每升高5℃，冻土帷幕厚度就减小约0.2 m；当加热限位管不起作用时，-10℃以下冻土帷幕厚度为1.2 m，循环5、10、15、20、25℃的热盐水之后，-10℃以下冻土帷幕厚度约为1、0.9、0.8、0.8、0.7 m；加热限位管盐水温度的升高对于-10℃以下冻土帷幕厚度的影响较小。

3.2加热限位管循环5℃盐水时

图4为加热限位管循环5℃盐水时不同冻结时间冻土帷幕温度场等值线(冻结50 d时如图3(b)所示)。

可以看出：开始冻结时冻土帷幕是以冻结管为圆心呈同心圆分布，离冻结管越近温度越低，交圈后形成冻土墙，随着冻结时间的增加冻土墙厚度越来越厚；冻结30 d以前，冻土帷幕厚度发展很快，冻结10 d时约0.7 m，冻结20 d时约1.2 m，冻结30 d时约1.6 m，冻土帷幕厚度发展速度约0.05 m/d；但是冻结30 d以后，由于加热限位管的作用，冻土帷幕不再向限位管以外发展，厚度被控制在2 m以内，可见加热限位管对于冻土帷幕发展的限制作用效果明显。

图3　冻结50 d时不同工况下冻土帷幕温度场等值线图Fig.3.Temperature contours of frozen curtain underdifferent construction conditions after 50 freezing days

图4　循环5℃盐水时不同冻结时间冻土帷幕温度场等值线图Fig.4.Temperature contours of frozen curtain under different freezing time with 5℃ brine

图5为循环5℃盐水时路径上各点温度随时间变化曲线图。可以看出：路径1上两冻结管中间的1号分析点降温最快，冻结10 d时温度降到0℃，剩下4～5号点离冻结管越远降温越慢；6～10号分析点降温过程一致。图5中各点曲线较为光滑，说明冻结30 d后加热限位管循环5℃盐水对1～10号分析点的降温过程影响较小，没有使各点在冻结30 d时出现温度明显上升的现象，各点的降温规律还是主要受单排冻结管影响。

图5　循环5℃盐水路径上各点温度随时间变化图Fig.5.Temperature changes with time at different points with 5℃ brine

比较循环25℃盐水时的工况，如图6所示。当加热限位管循环25℃盐水时，路径上各点在冻结30 d时均出现温度明显上升的现象，距离限位管最近的5号分析点温度变化最大，温度升高将近6℃，靠限位管越近温度升高越多。加热限位管循环的盐水温度越高，各点在冻结30 d时出现温度明显上升的现象就越明显。

图7为循环5℃盐水时各点不同时间的温度空间分布曲线。可以看出：不同时间的温度都是离冻结管越近温度越低，离冻结管距离相等时温度基本一致；降温速度先快后慢，由盐水降温计划所决定；冻结35 d时，5号分析点温度才降温到0℃以下，6～10号分析点在冻结50 d时温度都在-10℃。

3.3分析点对比分析

图8为冻结50 d时不同工况下各点温度空间分布图，可以看出：1号分析点无需加热和循环25℃盐水时的温差约为5℃，而在5号分析点循环20℃和25℃盐水时的温差就达到了约10℃，说明离限位管越近温度所受影响越大；在一排冻结管和一排限位管中间的路径2，其各点温度一致，冻结50 d时，循环盐水温度每升高5℃，其各点温度上升约1.5℃。

图9为不同工况下各点温度随时间变化图，可以看出：在限位管开始循环热水前期，各点温度都有明显的上升，离限位管越近温度所受影响越大，无需加热和循环25℃盐水时的温差也越大；随着时间的推移，各点温度趋于稳定，循环热水温度越高，趋于稳定的温度值也越高。

图6　循环25℃盐水路径上各点温度随时间变化图Fig.6 Temperature changes with time at different points with 25℃ brine

图7　循环5℃盐水各点不同时间温度空间分布图Fig.7 Spatial distribution of temperatures at different time with 5℃ brine

图8　不同工况下各点在冻结50 d时温度空间分布图Fig.8 Spatial distribution of temperature under different construction conditions after 50 freezing days

图9　不同工况下各点温度随时间变化图Fig.9 Temperature changes with time under different construction conditions

4结束语

本文运用有限元软件，分析了设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律，通过在加热限位管中循环不同的加热盐水温度，数值对比分析了各加热温度下冻土帷幕温度场的差异，主要得出：

(1)为解决现有人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发不良后果的问题，可设置加热限位管对冻土帷幕的发展进行限制，把冻土帷幕控制在一定厚度范围内，从而达到控制冻胀融沉的目的。

(2)随着加热限位管盐水温度的升高，冻土帷幕厚度呈线性减小，加热限位管盐水温度每升高5℃，冻土帷幕厚度就减小约0.2 m；加热限位管盐水温度的升高对于-10℃以下冻土帷幕厚度的影响较小。

(3)加热限位管循环5℃盐水时，在冻结30 d以前冻土帷幕厚度发展速度约0.05 m/d，之后由于加热限位管的作用，冻土帷幕不再向限位管以外发展，加热限位管对于冻土帷幕发展的限制作用效果明显。

(4)离限位管越近温度所受影响越大；路径2各点温度一致，在冻结50 d时循环盐水温度每升高5℃，其各点温度上升约1.5℃。

(5)在限位管开始循环热水前期，各点温度都有明显的上升，离限位管越近温度所受影响越大；随着时间的推移，各点温度趋于稳定，循环热盐水温度越高，趋于稳定的温度值也越高。

【参考文献】

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The Effect of Heating Limit Pipes on the Thickness of Frozen Soil Wall

Hu Jun1，2，Liu Yong2

(1. College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228；2. Department of Civil and Environmental Engineering，National University of Singapore，Kent Ridge 117576，Singapore)

Abstract：In order to solve the problems of adverse consequences caused by frost-thaw settlement of the surrounding formation after construction by using the existing artificial freezing method，the heating limit pipes can be set up to restrict the development of frozen soil so as to achieve the purpose of frost-thaw settlement control.The finite element software was used to study the influence of setting up heating limit pipes on the development of temperature field of frozen soil wall.The results indicated that the thickness of frozen soil wall was reduced by about 0.2m as the brine temperature in heating limit pipe was increased by 5 ℃.When 5 ℃ brine was cycled in the heating limit pipes，the development speed of frozen soil wall thickness in the first 30 frozen days was about 0.05m/d.After that，the frozen soil wall no longer developed outwards due to the heating pipes，therefore the effect of heating limit pipes was obvious.The temperature of each point along path 2 was consistent，and the temperature rise in each point was about 1.5℃ as the brine temperature in heating limit pipe was increased by 5 ℃ in the 50th frozen day.The temperature in each point was obviously increased in the early stage of circulating hot water and the closer to the heating limit pipe the greater the impact.The temperature tended to stabilize along with time and the higher the temperature of circulating hot brine the higher the stabilized temperature.The results can provide a theoretical reference for future similar projects.

Keywords：heating limit pipe；ground freezing method；frost heaving and thawing settlement；numerical simulation

中图分类号：TU 455.49

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)02-0069-06

作者简介：第一胡俊，讲师，博士后。研究方向：隧道及地下工程。E-mail：hj7140477@hainu.edu.cn

基金项目：中国博士后科学基金资助项目(2015M580559)；海南省教育厅高等学校科研项目(Hnky2015-10)；留学人员科技活动择优资助启动类项目(人社厅函[2014]240号)

收稿日期：2015-08-03

引文格式：胡俊，刘勇. 加热限位管对冻土帷幕厚度的影响研究[J].森林工程，2016，32(2)：69-74.