【摘要】：人工凍結(jié)法是目前國內(nèi)外廣泛使用的地層止水和加固方法之一,凍結(jié)施工過程中,地下水流速是影響凍結(jié)效果甚至是凍結(jié)法成敗的關(guān)鍵因素。本文結(jié)合市政工程中經(jīng)常采用的多排孔布孔形式,以飽和砂滲流地層的人工凍結(jié)過程作為研究對象,采用數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)兩種研究方法對滲流作用下凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。首先,開展凍結(jié)溫度場數(shù)值模擬研究,建立Comsol數(shù)值計(jì)算模型。通過Comsol軟件中的自定義偏微分方程,實(shí)現(xiàn)了多孔介質(zhì)溫度場和滲流場耦合問題的數(shù)值求解。通過典型參數(shù)分析,得到了滲流作用下凍結(jié)溫度場以及滲流場的發(fā)展規(guī)律;運(yùn)用單因素試驗(yàn)研究得到了地下水流速、凍結(jié)管間距、凍結(jié)管排距、凍結(jié)管排數(shù)、滲流角度等影響因素與滲流溫度場凍結(jié)壁厚度、平均溫度及交圈時間的關(guān)系;運(yùn)用正交試驗(yàn)分析了不同滲流作用時間下各因素對于滲流溫度場的影響及顯著性。其次,根據(jù)相似準(zhǔn)則,開展了物理模擬試驗(yàn)研究,得到各特征面測點(diǎn)溫度變化情況以及交圈時間大小,據(jù)此分析各特征面凍結(jié)壁厚度變化規(guī)律。最后將物理試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬中同一流速水平分析結(jié)果進(jìn)行了對比,得出二者所得的溫度場分布規(guī)律基本一致,但實(shí)驗(yàn)測值要略大于數(shù)值模擬的數(shù)值,對其原因進(jìn)行闡述。本文的研究內(nèi)容可以為滲流作用下凍結(jié)法的設(shè)計(jì)和施工提供一定的指導(dǎo)和借鑒意義。
【圖文】：

yT ) (T ) (T )，比熱( ) ( ) ( )sx sy sC T C T C T，滲透系數(shù)( ) ( ) ( )x yK T K T K T。.2 幾何模型在人工地層凍結(jié)工程中，凍結(jié)管通常采用直徑 80～159mm 的無縫鋼管，開孔間 0.6～1.3m。不同的工程有不同的布孔形式，井筒凍結(jié)一般為多圈孔形式，對于通道等市政工程，則采用直排間隔布孔，工程中多排布孔形式應(yīng)用較多，因此本立多排孔凍結(jié)平面幾何模型，凍結(jié)管直徑取 0.159m，間距取值范圍 0.6~1.2m，，范圍 0.8~2.4m，根據(jù)工程中直排布孔常用的布置形式，本文主要針對多排布孔研究，在此基礎(chǔ)上，固定滲流和導(dǎo)熱參數(shù)，改變布孔形式，研究梅花狀布孔下凍的發(fā)展規(guī)律。綜合凍結(jié)的影響范圍（凍結(jié)管外側(cè)凍結(jié)壁厚度 E0的 5~8 倍）以及水流方向，模為 20m×25m(長×寬)，凍結(jié)孔按試驗(yàn)安排布置，每排布置 4 個凍結(jié)孔，由于模結(jié)構(gòu)，當(dāng)水流方向垂直凍結(jié)孔軸面時，可以取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，從而減少計(jì)算時計(jì)算效率，當(dāng)水流方向發(fā)生改變，不再與軸面垂直時，則溫度場不具有對稱性，整結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。圖 2-1 為對齊排列布置下雙排孔幾何模型。

（2）邊界條件溫度場邊界條件：模型長度方向左右兩側(cè)、高度方向上下兩側(cè)為絕熱邊界。滲流場邊界條件：模型高度方向上側(cè)（上游）為水流補(bǔ)給邊界，下側(cè)（下游）為透水邊界，模型長度方向左右兩側(cè)邊界為不透水邊界。當(dāng)數(shù)值模擬中由于模型的對稱性取一半結(jié)構(gòu)時，模型長度方向右側(cè)邊界（對稱軸邊界設(shè)為軟件內(nèi)置的對稱邊界。2.4.4 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是有限元法求解的關(guān)鍵，合理的網(wǎng)格劃分可以提高模型的收斂性、計(jì)算精度以及減少計(jì)算時間。由于本文幾何模型為平面模型，收斂性較好，因此在網(wǎng)格劃分時應(yīng)盡量細(xì)化，以提高計(jì)算精度。凍結(jié)管附近和遠(yuǎn)離凍結(jié)管的區(qū)域溫度梯度不同，故凍結(jié)管附近的網(wǎng)格劃分較遠(yuǎn)離凍結(jié)管的區(qū)域細(xì)化。本課題數(shù)值模擬采用自由剖分三角形網(wǎng)格劃分，凍結(jié)管邊界選擇極端細(xì)化劃分等級，凍結(jié)域選擇特別細(xì)化劃分等級。同時，根據(jù)求解變量值的分布，合理的調(diào)整網(wǎng)格疏密程度，對局部范圍進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化從而提高計(jì)算結(jié)果的精確性網(wǎng)格劃分如圖 2-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TU94;TU46

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2566183