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冻土介质热学参数空间变异性对冻结帷幕随机温度特征的影响研究
| 论文题名： | 冻土介质热学参数空间变异性对冻结帷幕随机温度特征的影响研究 |
| 关键词： | 地铁隧道;预支护;人工冻结法;冻结帷幕;温度场;空间变异性 |
| 摘要： | 随着城市化进程的加快，城市轨道交通的建设成为缓解市区交通紧张，响应节能减排政策的一个重要方向。在地铁隧道掘进的预支护方式中，人工冻结法因其适用性强，形成的冻结帷幕能有效隔绝地下水且绿色无污染等优点，越来越受到工程师们的青睐。在富水软弱地层中，冻结帷幕结构的强度能否满足要求、能否有效抵抗水土压力并保持整体稳定性，关键取决于冻结帷幕的温度场特征。已有的对于冻土温度场的相关研究大多忽略岩土参数的变异性，少数学者将变异系数假定为某一具体值。然而，复杂的城市地质环境和物理化学作用致使冻土材料表现出强烈的空间变异性与相关性特征，从而导致冻土结构的温度场特征存在随机性，传统确定性分析方法难以阐明该特征。本文依托工程案例建立了简化的二维传热模型，考虑岩土体热学参数客观存在的空间变异性，采用理论分析和数值模拟的方法，定量的描述了热学参数的变异系数、波动范围和相关函数不同时，对冻结帷幕温度特征产生的影响差异，可为冻结帷幕热学稳定性提供重要理论支撑。论文的主要工作如下： 首先，文章引入了随机场理论来描述热学参数的空间变异性。采用三角形单元局部平均法离散参数随机场，使随机场单元与有限元单元相对应，减小不必要的工作量且提高数值模拟的精度。引入面积坐标变换和高斯积分公式，得到协方差矩阵的数值计算法表达式，通过Cholesky分解变换法生成离散化局部平均随机场的样本。 其次，建立冻结帷幕温度场确定性分析模型进行数值模拟，得到了确定性冻结壁温度场特征点温度和冻结壁平均温度的变化曲线。由于现有的有限元分析软件无法实现参数随机性模拟，遂对ANSYS Workbench进行二次开发，建立了包含数据解析器和APDL脚本的土体随机场模拟系统。以确定性分析模型为基础，将随机样本数据经由数据解析器导入至Workbench，通过脚本程序赋值予网格单元，实现了随机场模型在有限元软件中的应用。 最后，考虑热学参数的变异性，采用Monte Carlo随机有限元方法，通过MC随机模拟获得随机温度场的统计特征，定量的描述了参数变异性对温度特征的影响。结果表明，导热系数的变异系数和比热容的变异系数越大，温度标准差越大，变异性越强；在计算模型范围内，波动范围越大，温度标准差越大，变异性越强；当选用不同类型的相关函数时，冻结壁随机温度场的离散程度也有明显差异。 |
| 作者： | 李帅 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 王涛 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国矿业大学(江苏) |
| 学位年度： | 2022 |
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