冻土帷幕界面设置加热限位管时温度场数值分析

胡　俊，卫　宏，刘　勇，赵联桢

(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，新加坡 肯特岗 117576)



冻土帷幕界面设置加热限位管时温度场数值分析

胡俊1，2，卫宏1，刘勇2*，赵联桢1

(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，新加坡 肯特岗 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。本文运用有限元软件研究在冻土帷幕界面上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；在已冻结30 d，冻土厚度发展到1.6 m冻土上，加热限位管循环5℃盐水时，随着时间的增加冻土厚度慢慢变小，加热限位管作用效果明显；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

人工冻结技术在城市地下工程建设过程中和施工后，会使周围地层产生冻胀融沉现象：一是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；二是使地下管线发生破坏等不良后果[1-6]。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[7-12]。实际工程中，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，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在冻土帷幕界面上设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律，以期对实际工程施工提供技术参考依据。

1温度场数值模型的建立

1.1数值模拟情况简介

本文采用二维数值模型进行分析计算，土层尺寸取长4000 mm、宽2400 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500 mm(希望将冻土帷幕厚度控制在1 m以内)，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℃的热盐水，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。

图1　模型几何尺寸(mm)Fig.1 Model size(mm)

1.2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℃(上海地区一般地层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。

1.3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。

图2　网格划分后模型及研究路径示意图(mm)Fig.2 Model mesh and analysis paths(mm)表1　土体材料参数 Tab.1 Parameters of soil materials

密 度/(kg·m-3)导热系数/(kJ·m-1·d-1·℃-1)未冻土冻土比热/(kJ·kg-1·℃-1)未冻土冻土相变潜热/(×108J/m3)18801181791.531.611.20

表2　盐水温度降温计划Tab.2 Freezing time plan for brine temperature

依据相关报告及试验[13-19]，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 d，每步时间长为24 h。采用带相变的瞬态导热模型。

1.4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12个分析点，如图2所示。路径1(1～6号分析点)设置在宽边的中垂线上，两冻结管中间为1号点，6号点离上方限位管100 mm；路径2(7～12号分析点)也垂直于宽边设置，两限位管中间为7号点，12号点离下方冻结管100 mm。

2温度场计算结果与分析

2.1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0℃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将近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1.4、1.2、1.0、0.8、0.6 m；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；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。

(a)无需加热

(b)循环5℃盐水

(c)循环10℃盐水

(d)循环15℃盐水

(e)循环20℃盐水

(f)循环25℃盐水图3　冻结50 d时不同工况下冻土帷幕0℃等值线图Fig.3 Contour of 0℃ for 50 freezing days under different working conditions

2.2加热限位管循环5℃盐水时

图4为加热限位管开始循环5℃盐水时冻土帷幕0℃等值线(冻结30～33 d)。

(a)冻结30 d

(b)冻结31 d

(c)冻结32 d

(d)冻结33 d图4　开始循环5℃盐水时冻土帷幕0℃等值线图Fig.4 Contour of 0℃ with 5℃ brine at different freezing time

由图4可以看出：在加热限位管循环热盐水之前(冻结29 d)，冻土帷幕厚度发展到1.6 m，加热限位管被冻土帷幕包围，在冻土帷幕之中；冻结30 d开始，加热限位管中循环5℃热盐水，限位管周圈的冻土帷幕开始解冻，解冻范围以限位管中心为圆心呈同心圆向外发展，到冻结33 d时0℃等值线相交变成连续的封闭等值线，之后随着冻结时间的增加，冻土帷幕厚度慢慢变小，加热限位管起到了限制冻土帷幕发展的作用。

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℃，路径2靠近冻结管的12号分析点降温最快；剩下各点离冻结管越远降温越慢；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6号分析点温度变化最大，温度升高将近5℃，靠限位管越近温度升高越多；随着时间的推移，各点温度趋于稳定。

(a)路径1

(b)路径2图5　循环5℃盐水时路径上各点温度随时间变化图Fig.5 Temperature change at different paths with 5℃ brine

图6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：在加热限位管未通热盐水之前，2条路径的降温速度先快后慢，由盐水降温计划所决定；冻结30 d后，由于加热限位管的作用，2条路径温度开始升高，冻结45 d和50 d时的曲线几乎一致，说明冻结后期2条路径上各点温度趋于稳定。

2.3分析点对比分析

图7为冻结50 d时不同工况下各点温度空间分布图，可以看出：无论路径1还是路径2，限位管无需加热时和循环5℃盐水时的温差很大，以1号分析点为例，限位管无需加热时与循环5℃盐水时的温差约为6.9℃，而循环5℃盐水时和循环25℃盐水时的温差约为5.7℃，说明加热限位管对于冻土帷幕发展的限制作用效果十分显著，离限位管越近温度所受影响越大。

(a)路径1

(b)路径2图6　循环5℃盐水时各点不同时间温度空间分布图Fig.6 Temperature change at different points with 5℃ brine

(a)路径1

(b)路径2图7　不同工况下各点在冻结 50天时温度空间分布图Fig.7 Spatial distribution of the temperature of each point at different working conditions with 50 freezing days

图8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。

(a)1号分析点

(b)6号分析点

(c)7号分析点

(d)12号分析点图8　不同工况下各点温度随时间变化图Fig.8 Temperature change with freezing time at different points under different construction situation

3结论

本文运用有限元软件，分析了在冻土帷幕界面上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)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；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。

(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到1.6 m，加热限位管被冻土帷幕包围，之后随着冻结时间的增加，冻土帷幕厚度慢慢变小，加热限位管起到了限制冻土帷幕发展的作用。

(4)加热限位管循环5℃盐水时，各点在冻结30天均出现温度明显上升的现象，距离限位管最近的6号分析点温度升高将近5℃，靠限位管越近温度升高越多；随着时间的推移，各点温度趋于稳定。

(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】

[1]胡俊，王效宾，袁云辉.盾构隧道端头杯型冻结壁温度场发展与分布规律研究[M].北京：中国水利水电出版社，2015.

[2]胡俊，杨平.大直径杯型冻土壁温度场数值分析[J].岩土力学，2015，36(2)：523-531.

[3]Zhou J，Tang Y Q.Artificial ground freezing of fully saturated mucky clay：Thawing problem by centrifuge modeling[J].Cold Regions Science and Technology，2015，117：1-11.

[4]Zeng H，Hu J，Yang P.A numerical simulation study on the chemical reinforcement area at shield start shaft[A].2011 International Conference on Electric Technology and Civil Engineering(ICETCE)[C].IEEE，2011，4：29-34.

[5]Hu J，Yang P，Dong C，et al.Study on numerical simulation of cup-shaped horizontal freezing reinforcement project near shield launching[A].2011 International Conference on Electric Technology and Civil Engineering(ICETCE)[C].IEEE，2011，4：5522-5525.

[6]Tang Y Q，Zhou J，Hong J，et al.Quantitative analysis of the microstructure of Shanghai muddy clay before and after freezing[J].Bull.Eng.Geol.Environ.，2012，71：309-316.

[7]Hu X，She S.Study of freezing scheme in freeze-sealing pipe roof method based on numerical simulation of temperature field[A].Proceedings of the international conference on pipelines and trenchless technology[C].US：American Society of Civil Engineers，2012：1798-1805.

[8]李志宏，王文州，胡向东.施工热扰动对管幕冻结止水帷幕影响研究[J].土木工程学报，2014，48(S2)：374-379.

[9]李剑，李志宏，胡向东.管幕冻结暗挖工法冻结止水效果分析[J].地下空间与工程学报，2015，11(3)：751-758.

[10]张军，胡向东，任辉.拱北隧道管幕冻结施工中限位管的冻结效果控制研究[J].隧道建设，2015，35(11)：1157-1163.

[11]路耀邦，路耀平，刘洪震，等.盾构法隧道球状风化体处理方法研究综述[J].公路工程，2014，39(2)：139-142.

[12]胡向东，任辉，陈锦，等.管幕冻结法积极冻结方案模型试验研究[J].现代隧道技术，2014，51(5)：92-98.

[13]胡俊，刘勇，李玉萍.冻结水泥土搅拌桩温度场数值分析[J].森林工程，2015，31(5)：118-123.

[14]胡俊.水泥改良前后土体冻结温度及力学特性试验研究[J].铁道建筑，2013，18(4)：156-159.

[15]Hu J，Zeng H，Wang X.Experimental research on the physi-mechanical performances of geosynthetics [J].Applied Mechanics and Materials，2013，341-342(5)：33-37.

[16]胡俊.高水压砂性土层地铁大直径盾构始发端头加固方式研究[D].南京：南京林业大学，2012，6.

[17]胡俊，刘勇，曾晖.新型管幕冻结法不同管幕填充形式的温度场数值对比分析[J].森林工程，2015，31(6)：135-141.

[18]林清辉，严佳佳.管幕超前支护浅埋暗挖隧道开挖方案对比研究[J].公路工程，2015，40(4)：106-110.

[19]胡俊，刘勇，梁乾乾.设置1-2根圆形冻结管时冻结水泥土搅拌桩温度场数值对比分析[J].森林工程，2016，32(1)：77-82.

收稿日期：2015-10-28

基金项目：国家自然科学基金项目(51368017);海南省科技项目(ZDXM2015117);海南省重点研发计划科技合作方向项目(ZDYF2016226);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)

第一作者简介：胡俊，博士，副教授。研究方向：隧道及地下工程。 *通信作者：刘勇，博士，研究员。研究方向：隧道及地下工程方面的数值模拟。E-mail：ceeliuy@gmail.com

中图分类号：TU 753

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)04-0070-05

Numerical Simulation of Temperature Field based on Frozen Soil Curtain Tube with Thermal Heat Limit

Hu Jun1，2，Wei Hong1，Liu Yong2*，Zhao Lianzhen1

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

Abstract：In order to solve the problem of the existing artificial freezing method after construction that the surrounding formation may produce frost thaw settlement，which can cause adverse consequences，the heating limit can be used for the development of frozen soil wall pipe to limit thickness，so as to control frost thaw settlement.In this study，the finite element method was used to study the influence of temperature field of frozen soil curtain development when setting the heating limit pipe，the main conclusions were：the temperature increase of brine in the heating limit pipe by 5℃ will cause the reduction of frozen soil wall thickness by about 0.2 m；When the frost was lasting for 30 days and the permafrost thickness reached 1.6 m，the permafrost thickness gradually decreased as time increased with 5℃ brine，and the heating effect of limiting tube was obvious.Before circulating the brine，the temperature at each point increased significantly and the closer to the tube the greater the impact.As the time went on，the temperature at each point tended to stabilize，and the higher the circulating hot brine temperature the higher the stable temperature.The results can provide a theoretical reference for future similar projects.

Keywords：thermal limiting pipe；freezing method；heaving thaw settlement；numerical simulation

引文格式：胡俊，卫宏，刘勇，等.冻土帷幕界面设置加热限位管时温度场数值分析[J].森林工程，2016，32(4)：70-74.