【摘 要】
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人工地层冻结法已经在地下工程中得到了广泛应用,当地层中地下水流速较大时,会出现冻结壁交圈时间增加甚至无法交圈的问题,若沿用传统的冻结管布置方案会严重影响施工进度,亟待开展相关研究,以满足工程设计与施工需要。本文首先采用自主建立的水热耦合物理模型试验平台,通过准确控制水流的方向以及速度,进行了多组流速下三管冻结温度场在时间及空间上变化的试验研究;其次通过势函数叠加原理,推导得出了渗流场作用下三管稳态
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“滨海盐渍大流速渗透地层人工冻结壁形成机理及其力学特性研究（资助号:51878005）”； 国家自然科学基金面上项目“地铁隧道冻结法施工地层三维冻胀融沉的变形机制及预测模型（资助号:51778004）”；
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人工地层冻结法已经在地下工程中得到了广泛应用,当地层中地下水流速较大时,会出现冻结壁交圈时间增加甚至无法交圈的问题,若沿用传统的冻结管布置方案会严重影响施工进度,亟待开展相关研究,以满足工程设计与施工需要。本文首先采用自主建立的水热耦合物理模型试验平台,通过准确控制水流的方向以及速度,进行了多组流速下三管冻结温度场在时间及空间上变化的试验研究;其次通过势函数叠加原理,推导得出了渗流场作用下三管稳态冻结温度场解析解,结合物理试验模型的结果,对该公式的合理性进行了验证;紧接着基于传热学以及渗流力学的相关理论,构建了水热耦合数值计算模型,最后利用COMSOL Multiphysics有限元数值计算软件对冻结管排布方式对冻结效果的影响规律进行了模拟分析。基于上述内容,结果表明:随着排间距L的增大,交圈时间及形状稳定时间均呈增加趋势。本文中模拟了 0m/d、2m/d、4m/d、6m/d、8m/d、10m/d、12m/d、14m/d八种流速下的情况。其中无流速时,在排间距L=0.2m及L=0.4m两种情况下,冻结壁交圈时间分别为1070min和1860min,两者的面积大小相差不大,但距离小的先形成闭合冻结壁;当水流速度为2m/d时,两者的交圈时间分别为1130min和1950min,距离小者的面积增长速率快于距离大者,在距离大者交圈时刻,两者的面积差率减小为2.1%。在上述8种流速下,距离L为0.2m的冻结锋面区域内的平均温度变化不大,均在-8.35℃上下浮动;距离L为0.4m的冻结锋面区域内的平均温度随流速的增大而呈升高趋势。由此可知,随着渗流速度的增大,适当减小距离L的大小,是可以降低锋面区域内的平均温度。故本研究将为大流速渗透地层冻结管布置方法提供参考。图[32]表[5]参考文献[87]
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