加熱限位管對凍土帷幕厚度的影響研究

胡　俊，劉　勇

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海口 570228；2.新加坡國立大學 土木與環境工程系，肯特崗 新加坡 117576)

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加熱限位管對凍土帷幕厚度的影響研究

胡俊1，2，劉勇2

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海口 570228；2.新加坡國立大學 土木與環境工程系，肯特崗 新加坡 117576)

摘要：為解決現有人工凍結法施工后周圍地層產生凍脹融沉所引發不良后果的問題，可設置加熱限位管對凍土帷幕的發展進行限制，從而達到控制凍脹融沉的目的。運用有限元軟件研究了設置加熱限位管時對凍土帷幕溫度場發展的影響規律，主要得出：加熱限位管鹽水溫度每升高5℃，凍土帷幕厚度就減小約0.2 m；加熱限位管循環5℃鹽水時，在凍結30 d前凍土帷幕厚度發展速度約0.05 m/d，之后由于加熱限位管的作用，凍土帷幕不再向限位管以外發展，加熱限位管作用效果明顯；路徑2各點溫度一致，在凍結50 d時限位管鹽水溫度每升高5℃，其各點溫度上升約1.5℃；在限位管開始循環熱水前期，各點溫度都有明顯上升，離限位管越近溫度所受影響越大；隨著時間的推移，各點溫度趨于穩定，循環熱鹽水溫度越高，趨于穩定的溫度值也越高。所得結果可為今后類似工程設計提供理論參考依據。

關鍵詞：加熱限位管；凍結法；凍脹融沉；數值模擬

0引言

人工凍結法施工后，會使周圍地層產生凍脹融沉現象，對周圍環境來說，使得土的工程性質和相鄰建筑物受到不良影響，例如造成地基失穩，使鄰近建筑物產生傾斜、裂縫，嚴重時會導致建筑物坍塌等事故，或使地下管線發生破壞等不良后果[1-3]。為了解決現有人工凍結法施工后周圍地層產生凍脹融沉所引發不良后果的問題，可設置加熱限位管對凍土帷幕的發展進行限制，把凍土帷幕控制在一定厚度范圍以內，從而達到控制凍脹融沉的目的。實際工程中，設置卸壓孔兼注漿孔來被動地抑制凍脹融沉比較常用，而通過設置加熱限位管來主動地抑制凍脹融沉的方法在施工中還比較少見。港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道工程采用管幕凍結法施工，運用了“圓形凍結管+異形凍結管+加熱限位管”的凍結工藝，通過設置加熱限位管來達到“限凍脹”的目的[4]。這是國內少有的運用加熱限位管控制凍土帷幕厚度的實例，但是關于加熱限位管對凍土帷幕溫度場發展的影響規律還缺乏深入的研究。

本文運用有限元軟件分析設置加熱限位管時對凍土帷幕溫度場發展的影響規律，通過在加熱限位管中循環不同的加熱鹽水溫度，數值對比分析各加熱溫度下凍土帷幕溫度場的差異，以期對實際工程施工提供技術參考依據。

1數值模擬情況簡介

圖1　模型幾何尺寸Fig.1.Geometric size of the model

本文采用二維數值模型進行分析計算，土層尺寸取長4 000 mm、寬2 400 mm的矩形平面，凍結管設置在長邊的中垂線上，間距800 mm；加熱限位管平行設置在凍結管兩側，位置設于兩個凍結管中間，距長邊中垂線1 000 mm，間距也是800 mm；

凍結管和加熱限位管直徑同為127 mm。在實施積極凍結29 d后，從凍結30 d開始在加熱限位管中循環5、10、15、20、25℃的鹽水，比較不同加熱溫度下凍土帷幕溫度場的差異，整個凍結時間取50 d。模型幾何尺寸及凍結管和限位管布置形式如圖1所示。

2溫度場數值模型的建立

2.1計算基本假定

假定土層具有均勻的初始溫度場，初始溫度取18℃(一般地層10 m以下恒溫帶溫度為15~20℃)；土層為一層，視為均質、熱各向同性體；直接將溫度荷載施加到凍結管和加熱限位管管壁上；忽略水分遷移的影響。

2.2計算模型和參數選取

本文建立二維溫度場數值模型，選取了九節點網格劃分格式，網格劃分后的計算模型如圖2所示。依據相關報告及試驗[5-10]，模型的材料參數見表1。凍結前地層初始溫度取18℃，凍結管和限位管管壁為熱荷載邊界，以鹽水溫度作為邊界荷載，凍結期間凍結管鹽水降溫計劃見表2。根據降溫計劃，取凍結時間步為50步，每步時間長為24 h。采用帶相變的瞬態導熱模型。

密度/(kg·m-3)含水量/%導熱系數/(kJ·m-1·d-1·℃-1)比熱/(kJ·kg-1·℃-1)未凍土凍土未凍土凍土相變潛熱/(×108J/m3)凍結溫度區間/℃188016.81181791.531.611.20[-1,0]

表2　凍結管鹽水溫度降溫計劃

2.3研究路徑

為了更好地對比研究不同限位管加熱溫度下凍土帷幕溫度場的差異，分別設置了2條路徑和在路徑上的10個分析點，如圖2所示。路徑1(1～5號分析點)設置在寬邊的中垂線上，每隔200 mm設置一分析點，兩凍結管中間為1號點，5號點離上方限位管100 mm；路徑2(6～10號分析點)平行設置在一排凍結管和一排限位管之間，每隔400 mm設置一分析點。

3溫度場計算結果與分析

3.1不同工況下的凍土帷幕情況

數值模擬了幾種不同的工況，一種是在整個凍結50 d內，加熱限位管不起作用，無需循環熱鹽水；剩下幾種工況分別為：在實施積極凍結29 d后，從凍結30 d開始加熱限位管中循環5、10、15、20、25℃的熱鹽水。圖3為凍結50 d時不同工況下凍土帷幕溫度場等值線。

可以看出：當加熱限位管不起作用時，間距800 mm的單排凍結管在凍結50 d時凍土帷幕厚度可以發展到2.4 m；當從凍結30 d開始加熱限位管循環5、10、15、20、25℃的熱鹽水之后，凍結50 d時的凍土帷幕厚度約為2、1.8、1.6、1.4、1.2 m；隨著加熱限位管鹽水溫度的升高，凍土帷幕厚度呈線性減小，加熱限位管鹽水溫度每升高5℃，凍土帷幕厚度就減小約0.2 m；當加熱限位管不起作用時，-10℃以下凍土帷幕厚度為1.2 m，循環5、10、15、20、25℃的熱鹽水之后，-10℃以下凍土帷幕厚度約為1、0.9、0.8、0.8、0.7 m；加熱限位管鹽水溫度的升高對于-10℃以下凍土帷幕厚度的影響較小。

3.2加熱限位管循環5℃鹽水時

圖4為加熱限位管循環5℃鹽水時不同凍結時間凍土帷幕溫度場等值線(凍結50 d時如圖3(b)所示)。

可以看出：開始凍結時凍土帷幕是以凍結管為圓心呈同心圓分布，離凍結管越近溫度越低，交圈后形成凍土墻，隨著凍結時間的增加凍土墻厚度越來越厚；凍結30 d以前，凍土帷幕厚度發展很快，凍結10 d時約0.7 m，凍結20 d時約1.2 m，凍結30 d時約1.6 m，凍土帷幕厚度發展速度約0.05 m/d；但是凍結30 d以后，由于加熱限位管的作用，凍土帷幕不再向限位管以外發展，厚度被控制在2 m以內，可見加熱限位管對于凍土帷幕發展的限制作用效果明顯。

圖3　凍結50 d時不同工況下凍土帷幕溫度場等值線圖Fig.3.Temperature contours of frozen curtain underdifferent construction conditions after 50 freezing days

圖4　循環5℃鹽水時不同凍結時間凍土帷幕溫度場等值線圖Fig.4.Temperature contours of frozen curtain under different freezing time with 5℃ brine

圖5為循環5℃鹽水時路徑上各點溫度隨時間變化曲線圖。可以看出：路徑1上兩凍結管中間的1號分析點降溫最快，凍結10 d時溫度降到0℃，剩下4～5號點離凍結管越遠降溫越慢；6～10號分析點降溫過程一致。圖5中各點曲線較為光滑，說明凍結30 d后加熱限位管循環5℃鹽水對1～10號分析點的降溫過程影響較小，沒有使各點在凍結30 d時出現溫度明顯上升的現象，各點的降溫規律還是主要受單排凍結管影響。

圖5　循環5℃鹽水路徑上各點溫度隨時間變化圖Fig.5.Temperature changes with time at different points with 5℃ brine

比較循環25℃鹽水時的工況，如圖6所示。當加熱限位管循環25℃鹽水時，路徑上各點在凍結30 d時均出現溫度明顯上升的現象，距離限位管最近的5號分析點溫度變化最大，溫度升高將近6℃，靠限位管越近溫度升高越多。加熱限位管循環的鹽水溫度越高，各點在凍結30 d時出現溫度明顯上升的現象就越明顯。

圖7為循環5℃鹽水時各點不同時間的溫度空間分布曲線。可以看出：不同時間的溫度都是離凍結管越近溫度越低，離凍結管距離相等時溫度基本一致；降溫速度先快后慢，由鹽水降溫計劃所決定；凍結35 d時，5號分析點溫度才降溫到0℃以下，6～10號分析點在凍結50 d時溫度都在-10℃。

3.3分析點對比分析

圖8為凍結50 d時不同工況下各點溫度空間分布圖，可以看出：1號分析點無需加熱和循環25℃鹽水時的溫差約為5℃，而在5號分析點循環20℃和25℃鹽水時的溫差就達到了約10℃，說明離限位管越近溫度所受影響越大；在一排凍結管和一排限位管中間的路徑2，其各點溫度一致，凍結50 d時，循環鹽水溫度每升高5℃，其各點溫度上升約1.5℃。

圖9為不同工況下各點溫度隨時間變化圖，可以看出：在限位管開始循環熱水前期，各點溫度都有明顯的上升，離限位管越近溫度所受影響越大，無需加熱和循環25℃鹽水時的溫差也越大；隨著時間的推移，各點溫度趨于穩定，循環熱水溫度越高，趨于穩定的溫度值也越高。

圖6　循環25℃鹽水路徑上各點溫度隨時間變化圖Fig.6 Temperature changes with time at different points with 25℃ brine

圖7　循環5℃鹽水各點不同時間溫度空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of temperatures at different time with 5℃ brine

圖8　不同工況下各點在凍結50 d時溫度空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of temperature under different construction conditions after 50 freezing days

圖9　不同工況下各點溫度隨時間變化圖Fig.9 Temperature changes with time under different construction conditions

4結束語

本文運用有限元軟件，分析了設置加熱限位管時對凍土帷幕溫度場發展的影響規律，通過在加熱限位管中循環不同的加熱鹽水溫度，數值對比分析了各加熱溫度下凍土帷幕溫度場的差異，主要得出：

(1)為解決現有人工凍結法施工后周圍地層產生凍脹融沉所引發不良后果的問題，可設置加熱限位管對凍土帷幕的發展進行限制，把凍土帷幕控制在一定厚度范圍內，從而達到控制凍脹融沉的目的。

(2)隨著加熱限位管鹽水溫度的升高，凍土帷幕厚度呈線性減小，加熱限位管鹽水溫度每升高5℃，凍土帷幕厚度就減小約0.2 m；加熱限位管鹽水溫度的升高對于-10℃以下凍土帷幕厚度的影響較小。

(3)加熱限位管循環5℃鹽水時，在凍結30 d以前凍土帷幕厚度發展速度約0.05 m/d，之后由于加熱限位管的作用，凍土帷幕不再向限位管以外發展，加熱限位管對于凍土帷幕發展的限制作用效果明顯。

(4)離限位管越近溫度所受影響越大；路徑2各點溫度一致，在凍結50 d時循環鹽水溫度每升高5℃，其各點溫度上升約1.5℃。

(5)在限位管開始循環熱水前期，各點溫度都有明顯的上升，離限位管越近溫度所受影響越大；隨著時間的推移，各點溫度趨于穩定，循環熱鹽水溫度越高，趨于穩定的溫度值也越高。

【參考文獻】

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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

中圖分類號：TU 455.49

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)02-0069-06

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

基金項目：中國博士后科學基金資助項目(2015M580559)；海南省教育廳高等學校科研項目(Hnky2015-10)；留學人員科技活動擇優資助啟動類項目(人社廳函[2014]240號)

收稿日期：2015-08-03

引文格式：胡俊，劉勇. 加熱限位管對凍土帷幕厚度的影響研究[J].森林工程，2016，32(2)：69-74.