人工冻土融沉特性及其对周围环境影响研究第六篇人工冻土融沉对地层温度场及位移场.pdf

第六章 人工冻土融沉对地层温度场及位移场的影响规律研究 6.1 引言 人工冻土融沉引起的地面沉降计算必须解决好如下四个问题：冻土融化速度、地表沉 降的分布、地表最大沉降和沉降速度。而人工冻土融化涉及冻土融沉、土体本构关系变化、 融土二次压缩和固结及土体开挖卸载等过程，是一个三维、高度非线性、时间相关和温度 相关的复杂问题，土热参数、环境温度、覆盖厚度、地面超载、隧道外径、冻土壁厚度、 融沉系数、渗透系数等因素变化都会对上述四个问题产生影响。 为反映人工冻土融沉对地层温度场及位移场的影响，促进人工冻结法在城市地下空间 开发中的推广应用，本章拟利用已建立的人工冻土融沉三维有限元模型系统分析各因素变 化对融化温度场、地层位移场和地表沉降速度的影响规律。 6.2 参考算例描述 为分析人工冻土融沉过程中各因素变化对融化温度场、地层位移场和地表沉降速度的 影响规律，本章对影响人工冻土融沉的各因素进行了不同水平的单因素数值模拟分析。对 融化温度场，考虑的因素为：导热系数、比热容、相变潜热、含水率和环境温度；对地层 位移场，考虑的因素为：覆土厚度、地面超载、隧道外径、冻土壁长度、冻土壁厚度、融 沉系数和含水率；对地表沉降速度，考虑的因素为：导热系数、比热容、含水率、环境温 度、渗透系数和覆土厚度。在分析每一种因素变化对冻土融沉的影响时，保持其余参数不 变，对每一种因素根据实际情况选用不同的水平。 为了便于反映上述各因素的影响规律，选取一盾构出洞水平冻结加固工程为算例进行 分析计算，基本情况为：隧道外径 6.3m，衬砌管片厚 0.35m，隧道中心埋深为 18m；冻 结帷幕按杯形设计，杯壁加固体厚度为 1.2m，长 5.6m，杯底加固体厚度为2.8m ；地基土 层为南京地区常见的粉质粘土，土体饱和，除土体自重外无外界荷载；土体初始温度为 15℃，相变温度-1.42℃，相变温度区间为-1.42~0℃，空气温度25℃；在有荷载作用的情 况下，土体冻胀率为4.5%，融沉系数为6.8%；计算中采用的材料参数见表 6-1 和表 6-2 。 表 6-1 热物理参数 材料 导热系数 比热容 冻结融化温度 相变潜热 对流换热系数 2 W/(m·K) kJ/(kg·K) ℃ kJ/kg kJ/(h·m ·K) 粉质粘土 0.95 1.78 -1.42 92 — 冻结粉质粘土 1.56 1.17 -1.42 92 — 混凝土 8.4 0.81 — — — 地面与空气 — — — — 8.5 混凝土与空气 — — — — 50 89 表 6-2 本构模型参数 材料 E ν C φ Et σ ρ k 0 v (MPa) (KPa) (MPa) 3 -1 (KPa) (Kg/m) (cm ·s ) 原状粉质粘土(未冻结区) 4.55 0.35 13 16 — —