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人工地层冻结法已经在我国两淮矿区深厚冲积层立井掘砌施工以及沿海城市地铁建设中得到了广泛应用,地层中的地下水流速一直是影响冻结法施工效果的决定性因素之一,当地层中地下水流速较大时,不仅会延长冻结壁的交圈时间,同时会降低冻结壁承载力,严重危及施工安全,因此在大流速渗透地层进行冻结法施工面临着许多理论和关键技术难题,亟待开展相应的应用基础和工程技术研究,以满足工程设计与施工需要。为此,本文以“水-热耦合”问题为研究主线,采用室内试验、模型试验、数值计算以及理论分析相结合的研究方法,重点对大流速渗透地层冻结管的传热机理、人工冻结壁的发展规律、人工冻结孔优化布置方法、稳态冻结温度场的理论解以及冻结壁的力学特性等方面开展系统的研究。采用粒径为1±0.15mm的圆粒砂来模拟渗透地层,通过核磁共振技术对砂样的未冻水含量随温度的变化规律进行试验研究。基于试验结果,对常用的4种砂土未冻水含量数学模型与本砂样试验结果的适用性进行了分析,并对模型的拟合参数对计算结果的影响规律进行了研究。通过对比发现Kozlowski模型可以较好的反映出本砂样未冻水含量的变化规律。基于自主研发的大型水热耦合物理模型试验系统对不同流速条件下的人工冻结温度场的时空演化规律进行了试验研究,试验结果表明:在多管冻结试验中,当相邻冻结锋面之间的距离减小至临界值Lc后会产生“群管效应”,该效应会加快冻结锋面的扩展速度,缩短冻结壁的交圈时间。由于水流的对流传热作用会抵消部分“群管效应”,因此Lc会随着渗流速度的增加而减小。其中渗流速度小于3m/d时,Lc为400mm;渗流速度为6m/d以及9m/d时,Lc分别减小至154mm以及 130mm。考虑冰水相变过程,构建水热耦合数学模型,并结合模型试验结果对数学模型的合理性进行验证。基于构建的数学模型,通过COMSOLMultiphysic数值计算软件对不同流速条件下的单圈以及双圈冻结温度场的发展规律进行了预测分析,计算结果显示:在本研究中,单圈冻结管的布置方案适用于地下水流速小于10m/d的地层冻结,而双圈冻结管的布置方案适用于地下水流速小于20m/d的地层冻结。针对单圈冻结,采取局部加密或者在水流上游增设辅助冻结管的优化方式后,冻结壁能够交圈的极限流速由11m/d增加至12m/d;针对双圈冻结,在保持冻结管数量不变的情况下,按照水流对冻结温度场的影响程度对不同区域的冻结管的间距进行优化调整,优化后冻结壁能够交圈的极限流速由20m/d增加至26m/d。采用“分段等效”的方法对渗流场作用下单管冻结稳态温度场的冻结锋面的形状进行简化,基于稳态温度场的求解方法推导得出了大流速渗透地层单管冻结稳态温度场的解析表达式;基于解析解,对不同流速条件下的单管冻结稳态温度场的分布规律进行了计算,结果显示:随着渗流速度的增大,单管冻结区域的面积减小,而低温区域的比例的增加,温度场的平均温度降低。根据不同流速的地下水作用下冻结壁“危险截面”的温度分布规律,以最低温度点所在位置为分界点,将冻结温度场曲线等效为两段抛物线;根据冻土弹性模量、粘聚力与冻结温度场的线性关系,将冻结壁视为力学参数随着半径呈二次函数变化的材料;分别基于M-C准则、D-P准则、广义Tresca准则以及双剪强度准则,推导得出冻结壁的弹塑性应力计算公式。基于构建的应力计算公式,对不同流速条件下的人工冻结壁的极限承载力以及弹塑性应力变化规律进行了分析。[图]83[表]33[参]170