李宝花[1]2003年在《冻土墙围护深基坑温度场和应力场耦合有限元分析》文中研究指明本文在对冻土墙围护深基坑开挖冻结温度场和应力场耦合分析研究现状的基础上，以热力学为基础，推导了冻土墙温度场控制微分方程，并利用伽辽金方法推导了冻土墙冻结温度场和应力场耦合计算的有限元计算格式。当冻土墙中温度发生变化时产生变温应力，把变温应力作为一种等效荷载在本构方程中加以考虑，得到温度场和应力场耦合的有限元方程。以岩土力学与工程专用程序NCAP-2D为平台，扩充和发展了冻土墙温度场和应力场两场耦合数值分析软件。并对一冻土墙围护深基坑算例进行了计算机模拟，分析了冻土墙温度场、热膨胀系数、基坑跨度、冻土墙插入深度等各种因素对基坑开挖性状的影响，为冻土墙围护深基坑开挖工程的设计与施工提供较为科学的依据。
武军红[2]2017年在《地铁十叁陵景区站基坑围护结构冻胀变形分析》文中提出随着北京地铁网络的扩张,越来越多地铁线路向郊区、山区延伸,对于地铁车站基坑施工周期一般要跨越2～3个冬季,基坑支护工程面临着冬季低温的严峻考验。近年来北京地区冬季异常寒冷,不断出现极端低温天气,山区降温剧烈(如2015年最低温度在-27℃～-29℃),并且低温持续时间较长,导致基坑冻害事故频发。由于冻土中温度、水分和应力之间的相互耦合是一个涉及热传质学、热力学、流体力学和物理化学的极其复杂的综合问题,要有效的预防和抑制土体冻胀对越冬基坑围护结构的影响,就必须充分考虑温度、水分和应力的耦合作用。因此,本文以地铁十叁陵景区站基坑围护结构为研究对象,基于冻土水、热、力耦合理论,主要采用数值手段对越冬基坑围护结构冻胀变形进行分析。主要工作如下:(1)基于Harlan水热耦合模型,考虑水分迁移及水冰相变对应力场的影响,建立水、热、力耦合模型。通过引入Heaviside函数,消除冻土区与未冻土区水、热、力特性参数之间的跳跃性,同时将冻土区和未冻土区模型统一起来;利用多场耦合分析软件COMSOL Multiphysics中数学模块的PDE模式进行二次开发,建立水、热、力耦合控制方程,并将它们之间的耦合关系定义为变量的形式。(2)利用COMSOLMultiphysics所建立的水、热、力耦合模型,对土柱试验进行数值模拟,并与室内试验的实测数据做对比,分析结果证明了冻土水、热、力耦合模型及其数值方法的可靠性。(3)最后,采用本文在COMSOL中建立的耦合模型,对地铁十叁陵景区站基坑工程进行水、热、力耦合数值模拟及分析。揭示了越冬基坑在水、热、力相互作用下,温度场、水分场及应力场中变量及参数的分布及变化规律;模拟出了冻结期内围护结构墙后水平冻深及地表垂直冻深的发展规律,最大垂直冻深为1.2m,并拟合得出冻深随空气冻结指数的平方根呈线性增长;有无支撑情况下围护结构的最大位移分别为3.6cm、7.4cm,说明横支撑能够有效减小围护结构冻胀变形;有无横支撑情况下的沿围护结构深度的冻胀力均出现2个峰值,第一个峰值的位置分别在距离坑顶2.5m、4.5m的位置,第二个峰值均出现基坑底部位置;昼夜温差变化以及极端温度对围护结构变形的影响较大。
李宝花, 杨更社, 王连花, 张全胜[3]2003年在《冻土墙冻结温度场和应力场耦合的有限元分析》文中研究指明根据传热学和固体力学原理导出了温度场、应力场耦合微分控制方程,并用伽辽金法推导了两场耦合的有限元计算公式。在NCAP-2D有限元程序的基础上扩充了冻结温度场和应力场的有限元程序,使其适应于冻土墙深基坑两场耦合分析。分析结果表明:冻土墙的变形呈一曲线的形式,最大位移发生在跨中顶部;地基因不同的热膨胀系数造成地表和基坑底部位移值不同。数值模拟的系统分析可为冻土墙围护深基坑开挖工程的设计与施工提供科学依据。
余晓英[4]2007年在《人工冻结壁力学特性的数值研究》文中研究说明本文以热力学理论为基础，考虑冻土相变规律，推导了冻结壁的温度控制微分方程。运用有限元方法对大阪公路某一区段的温度状况进行模拟，对比于实验结果，该模型和计算方法具有一定可靠性。鉴于前人对冻土的研究多局限于对寒冷地带已形成冻土性质的研究，而极少考虑冻土在工程应用方面的性质，本文以南方地区某一悬索桥圆形锚碇基坑为原型，考虑含水量、冻土相变、大气温度、冻结管温度、冻结管冻结速度、冻融状态下不同参数等的影响，研究应用冻土良好工程性质对潮湿地区工程带来便利同时所应考虑的一些力学问题。在冻结壁温度控制方程的基础上建立了相应的数学模型，通过Newton-Raphson方法，模拟计算冻结壁形成过程中的温度分布，分析了冻结壁的温度变化规律，得出了一定冻结速度下各主要位置的温度状况。针对冻结过程中的温度变化和开挖过程中外部温度的影响，温度成为影响冻土性质的主要方面，本文在考虑开挖模拟的基础上，将温度应力作为一种等效荷载加以考虑，以此考虑温度场和应力场的耦合影响，得出温度场和应力场的耦合方程，通过与不考虑温度应力的情况下的计算结果比较，得出了两种情形下的随开挖步骤的进行带来的不同数值计算结果和不同规律变化。结果显示，开挖深度也是影响冻土应力和位移的重要因素。
赵明祥[5]2005年在《程村主井深厚冲积层冻结温度场数值模拟及应用研究》文中提出本文在现有的立井冻结温度场分布规律的理论基础上，结合冻土的热物理性质和影响冻结温度场的主要因素对深厚冲积层冻结壁温度场进行了数值模拟。按照实际偏斜建立了符合工程实际的几何模型，在此基础上利用美国大型有限元分析软件ANSYS建立冻结壁温度场的有限元计算模型。首先在现有数值计算方法的基础上，建立了冻结壁温度场有限元格式，探讨了冻结壁温度场有限元计算方法；其次，通过对程村主井的数值模拟，得出深部粘土层和中部粘土夹砾石层的温度场分布规律，通过与现场实测分析对比，得出计算冻结壁温度场有效的数值模拟方法；最后，在对程村进行数值分析的基础上对赵固一矿进行了数值模拟研究，并得出冻结交圈时间，各时期冻结壁发展情况以及冻土扩展速度等。 本文较全面的考虑了各种因素的影响，例如冻结管偏斜、相变潜热等等，详细研究了深厚冲积层冻结壁温度场的分布情况，得出了合理的结论，并对深厚冲积层冻结法施工提供指导。
宋常军[6]2012年在《厚表土立井冻结工程热—力耦合效应模型试验及数值分析》文中研究指明针对叁圈冻结管条件下厚表土粘土冻结壁的演变规律和稳定性,进行了模型试验、理论分析和数值模拟叁方面的研究。基于相似理论,推导了叁圈管冻结温度场相似准则,进行了室内模型试验,得到了叁圈管冻结壁温度场、应力场和位移场的演变规律以及温度场的分布形式。根据Mises屈服准则、冻土流变理论及等效应力-等效应变偏张量虎克定律,考虑冻结壁开挖卸载和外层井壁-冻结壁-周围土体的共同作用,推导了厚表土粘土冻结壁应力场及位移场的理论解析解,进而得到厚表土粘土冻结壁厚度的力学模型。探讨了外层井壁和下卧基岩约束下考虑冻结壁开挖卸载和开挖段高影响的有限段高冻结壁变形及厚度计算模型。最后结合数值模拟分析了厚表土粘土冻结壁温度场及位移场演变及分布规律,结果表明数值模拟温度场演变和分布规律与模型试验一致。
李岩[7]2012年在《竖向直排冻结斜井模拟试验及冻土稳定性研究》文中指出斜井冻结工程多采用竖向直排冻结方式,而针对该方式所形成温度场和冻胀力的研究比较少见。本文进行了竖向直排冻结斜井模型大尺度叁维模拟试验,通过试验数据分析,研究了冻结壁的形成过程、温度和水平冻胀力的分布规律。根据土体冻胀和冻结锋面移动规律,进行了符合工程要求的合理简化,推导了竖向直排冻结的温度场分布、冻结壁平均温度预测方程,建立了冻结壁周边任意位置的土体冻胀力的计算模型。针对辽宁双树子煤矿斜井冻结工程进行了理论计算,并利用FLAC3D程序对竖向直排冻结温度场和应力场进行了数值模拟。理论计算和数值模拟的结果与现场实测数据吻合较好,说明了理论公式的科学性和合理性,对研究和防治竖向直排冻结引发土体冻胀问题具有重要的参考价值和实用意义。
褚旭阳[8]2018年在《哈尔滨地铁3号线兆麟公园站围护结构与基坑冻胀分析》文中提出季节性冻土地区的工程经常出现冻胀破坏,土体冻胀是温度场、水分场、应力场耦合作用的结果,其相互作用机理十分复杂。随着城市的发展出现了深基坑,目前对于基坑的冻胀研究非常有限。哈尔滨处于高纬度地区,冬季气温低,土体冻胀对工程结构影响大,我国首次在该高寒地区修建地铁,对我国在冻土区地铁施工具有重要意义。为了分析季节性土体冻胀对地铁车站围护结构及基坑的影响,本文以Harlan水热耦合模型为基础,推导水热力叁场耦合方程,同时进行必要的简化,从而使强非线性多场耦合转变为顺序耦合,利用COMSOL Multiphysics软件进行二次开发,实现多场耦合,模拟冻胀对哈尔滨地铁兆麟公园站围护结构与基坑的影响,主要工作及成果如下:(1)在热传导方程中,考虑相变潜热对温度场的影响。分析水分迁移引起的未冻水含量对热力学参数的影响,确定了其取值。(2)考虑温度对水分场的影响,引进温度梯度水分扩散率。考虑冰水相变对水分迁移的影响,基于冻结时与冻结前渗透系数的比值确定冰阻抗。在渗流方程中,引入等效含水量的概念,针对含冰量提出了固液比的概念。(3)考虑水分迁移及冰水相变对应力场的影响。通过水热耦合得到水分和含冰量分布,推导初始应变公式,实现水热力叁场耦合。考虑温度对土体力学参数的影响。(4)在水热力耦合理论的基础上,对COMSOL Multiphysics软件进行二次开发,实现PDE模块之间以及与固体力学模块的弱耦合关系。模拟一维土柱和水渠冻结过程,验证了水热力叁场耦合模型的合理性及适用性。(5)分析冻结时地铁基坑温度场、水分场的分布,基坑不同位置冻结过程的发展以及冻结过程中各点的位移变化,研究支撑内力随冻结时间的变化特点。考虑不同含水量、不同极端温度和不同底板刚度对基坑及支护结构变形和内力的影响。对比不同冻胀耦合分析模型的模拟效果,针对极端含水量工况下的支撑进行优化,分析连续墙在不同约束刚度下所受冻胀力的变化,研究冻融循环对墙体冻胀力的影响。针对深基坑提出防冻胀措施,在不同保温板铺设情况下,进行防冻胀效果的对比,发现当保温板铺设范围10.3m,厚度10cm时的保温效果良好,可以作为越冬基坑保温板的施工方案。
刘劲松, 杨俊杰, 唐锦春[9]2004年在《混凝土水化热条件下人工冻土墙与内衬结构共同作用研究》文中研究表明研究了在人工冻土墙形成并达稳定温度场分布呈非线性后,基坑开挖并浇注大体积混凝土衬砌时,混凝土水化热对冻土墙温度场及其耦合应力场分布的影响,分析得出了在冻土墙温度场分布改变过程中,其与内衬共同作用应力场的变化规律.内衬混凝土水化热会使其邻近的冻土融化,之后在冻结管冷源的作用下融土又回冻,冻土墙温度场会发生非线性的变化过程;在冻土墙内侧随工况进行自上而下移动的融化区域使围护结构体系的应力场不断的变化,冻土墙内侧所受径向应力增大,内衬的支护作用提高,冻土墙支护性能下降;同时,冻土墙位移趋势加大,内衬支护作用的提高并没有完全遏制冻土墙的位移发展,说明冻土墙是主要的支护结构.
黄建华[10]2010年在《考虑卸压孔卸荷作用的人工冻土冻胀特性研究》文中进行了进一步梳理对于含水土层特殊地质条件下的基坑围护及地铁隧道等地下工程,冻结围护技术具有良好适应能力和突出技术优势,利用人工制冷使土中液相水冻结为固相冰,使含水土层冻结为人工冻土墙帷幕,提高含水土层强度和刚度以及止水隔渗性能,加固不稳定土层和隔绝地下水。但人工冻结围护在工程应用中,冻胀与变形对基坑围护支撑结构和周边环境影响甚大,冻胀力是支撑围护结构的主要荷载之一,而采用卸压孔(槽)的卸荷作用对冻胀的释放和变形的控制具有显着功效。通过对冻结围护工程冻胀性状有限元分析以及卸压孔对冻胀卸荷作用的探讨,结合试验监测成果验证,系统研究冻结围护工程中人工冻土的冻胀与变形及其卸荷作用下的力学性状特征,为人工冻土冻胀性态的认识以及今后冻结围护工程的推广应用提供理论基础。
参考文献：
[1]. 冻土墙围护深基坑温度场和应力场耦合有限元分析[D]. 李宝花. 西安科技大学. 2003
[2]. 地铁十叁陵景区站基坑围护结构冻胀变形分析[D]. 武军红. 北京交通大学. 2017
[3]. 冻土墙冻结温度场和应力场耦合的有限元分析[J]. 李宝花, 杨更社, 王连花, 张全胜. 西安科技学院学报. 2003
[4]. 人工冻结壁力学特性的数值研究[D]. 余晓英. 兰州大学. 2007
[5]. 程村主井深厚冲积层冻结温度场数值模拟及应用研究[D]. 赵明祥. 煤炭科学研究总院. 2005
[6]. 厚表土立井冻结工程热—力耦合效应模型试验及数值分析[D]. 宋常军. 中国矿业大学(北京). 2012
[7]. 竖向直排冻结斜井模拟试验及冻土稳定性研究[D]. 李岩. 中国矿业大学(北京). 2012
[8]. 哈尔滨地铁3号线兆麟公园站围护结构与基坑冻胀分析[D]. 褚旭阳. 北京交通大学. 2018
[9]. 混凝土水化热条件下人工冻土墙与内衬结构共同作用研究[J]. 刘劲松, 杨俊杰, 唐锦春. 煤炭学报. 2004
[10]. 考虑卸压孔卸荷作用的人工冻土冻胀特性研究[J]. 黄建华. 工程力学. 2010
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