浅表隧道工程多冷源冻结温度、应力、水分场耦合研究

摘要

在对人工地层冻结研究现状分析讨论的基础上,该文以上海延安东路隧道地层冻结为背景,应用室内试验、现场实测、理论分析和数值模拟的综合方法,对饱和软土地区的浅表隧道多冷源冻结的温度场、应力场、水分场耦合原理、规律及相关参数进行了较系统的研究,主要研究内容如下:首先,针对理论研究和冻结工程的实际需要,对上海地区三种饱和软土的起始冻结温度、低温土体未冻水含量、含冰量、冻、融土的比热、土体导热、导温系数、低温土体的无侧限抗压强度、三轴剪切强度、弹性摸量及泊松比等指标进行了室内试验. 其次,归纳、整理了上海延安东路隧道冻结工程的温度、应力、地表变形和土体分层位移现场实测数据.分析了土体冻结过程中温度场、应力场变化及多冻结管供冷的相互干涉、影响规律,并对水分迁移、孔隙水相变和土体变形与温度场、应力场的耦合规律进行了分析. 第三,在对室内试验和现场实测结果研究的基础上,分析了土体冻结过程中温度场、应力场、水分场耦合原理,并按照冻土体形成发展过程. 最后,在应用Galerkin加权余量法分析的基础上,同时做了一些简化和假设,得到了浅表隧道多冷源冻结情况的温度场、应力场、水分场耦合数值解;利用编制的有限元程序对冻结过程进行了计算机模拟,得到了与现场实测基本一致的结果.

目录

文摘

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第一章前言

1.1人工地层冻结技术在隧道施工中的辅助作用

1.2地层冻结技术理论研究综述

1.2.1冻土温度场的研究

1.2.2冻土应力场的研究

1.2.3水分迁移研究

1.3本文拟研究内容及意义

第二章上海软土的物理力学、热力学性质研究

2.1土层分布与成分

2.1.1土层分布

2.1.2上海软土成分

2.2软土物理性质

2.2.1软土含水量

2.2.2软土的干容重

2.3软土热学性质及应用参数

2.3.1软土起始冻结温度

2.3.2冻土的未冻水含量与含冰量

2.3.3融、冻土比热

2.3.4土体导热系数及导温系数

2.4人工冻土的冻胀性质

2.4.1软土冻结过程的冻胀力

2.4.2冻胀、融降率

2.5人工冻土无侧限抗压强度

2.6人工冻土的弹性模量E及泊松比μ

2.7人工冻土三轴剪切强度

2.8本章小结

第三章上海延安东路隧道冻结工程现场实测研究

3.1 工程概况

3.1.1 工程简介

3.1.2地质情况

3.1.3周边环境

3.2温度场实测研究

3.2.1测温系统布设

3.2.2温度检测系统

3.2.3实测结果分析

3.3应力场实测研究

3.3.1测压系统及布设

3.3.2实测结果分析

3.4地表变形、地层分层位移和环境地表变形实测研究

3.4.1地表变形实测研究

3.4.2土体分层位移实测研究

3.4.3环境地表变形实测研究

3.5本章小结

第四章隧道多冷源冻结交圈前期温度、应力、水分场耦合模型研究

4.1土体冻结温度、应力、水分场耦合原理

4.2单一冷源冻结平面轴对称温度、应力、水分场耦合模型研究

4.2.1冻结过程温度场研究

4.2.2冻结过程应力场研究

4.2.3冻结过程水分场研究

4.2.4单一冷源平面轴对称温度场、应力场、水分场耦合方程求解

4.3单一冷源空间轴对称温度场、应力场、水分场耦合方程

4.4多冷源情况温度场、应力场、水分场耦合模型

4.4.1温度场分布

4.4.2应力场分布

4.4.3水分场分布

4.5本章小结

第五章隧道多冷源冻结温度、应力、水分场耦合数值模拟研究

5.1解耦说明

5.2单一冷源情况冻结区、降温区温度场分布数值解

5.2.1冻结区、降温区温度场分布数学模型

5.2.2温度场分布数学模型有限元解

5.3单一冷源情况冻结区、降温区应力场分布数值解

5.3.1冻结区、降温区应力场分布数学模型

5.3.2应力场分布数学模型有限元解

5.4单一冷源情况冻结区、降温区水分场分布数值解

5.4.1冻结区、降温区水分场分布数学模型

5.4.2水分场分布数学模型有限元解

5.5多冷源情况温度场、应力场、水分场耦合数值模拟

5.5.1模型分析

5.5.2多冷源冻结数值解分析

5.6本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果