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液氮地层冻结温度场形成规律研究
| 论文题名： | 液氮地层冻结温度场形成规律研究 |
| 关键词： | 地下铁路;液氮冻结;模型试验;温度场;数值模拟;冻结帷幕 |
| 摘要： | 随着我国城市建设的快速发展，城市轨道在建工程规模已居世界首位。城市地铁施工穿越富水复杂工程地质地层时，地铁隧道工作面涌水、溃砂事故时有发生。液氮冻结法具有降温速度快、冻土强度高等优点，是一种适用于快速封水、加固地层抢险修复工程的工法之一。由于目前国内外对液氮冻结法设计理论与施工技术少有研究，以致在工程应用中存在较大盲目性。为此，开展液氮冻结法温度分布规律研究，对完善该工法设计理论，指导优化冻结方案，合理选择冻结参数等具有一定的理论意义与较高的应用价值。 本文以取自南通市轨道交通2号线12.4m～18.7m埋深粉砂夹砂质粉土为研究对象，采用模型试验、数值模拟相结合的研究方法，开展了不同冻结形式下的液氮冻结土体温度场形成规律研究，并获得以下主要研究结果: (1)研发了液氮冻结模型试验装置。该装置由绝热模型箱、液氮制冷系统、温度数据采集系统组成，可实现对不同冻结管布管方式的液氮快速冻结温度场形成过程的试验与数据采集。为下一步开展不同冻结管个数、间距、排数，不同冻结温度下液氮冻结模型试验提供经验参考。 (2)以冻结管为中心的温度场梯度呈对数函数衰减分布;双管、三管冻结因温度场的叠加作用，管、管之间温度场交集处的土体温度明显低于等距离其它部位;前期冻结降温速率大于后期，多管冻结降温速率大于单管冻结，冻结管近处降温速率大于远处。 (3)试验表明:单管冻结壁达到多管冻结壁交圈位置的时间为10.5h，双管、三管冻结壁交圈时间分别为5.7h、4.2h，三管冻结较单管冻结交圈时间缩短60％，表明采用梅花形布置的冻结管布孔方式可大幅缩短冻结帷幕交圈时间。冻结13h时，三管冻结相比于单管冻结，冻结帷幕面积增长约4.9倍，双管冻结相比于单管冻结，冻结帷幕面积增长约1.9倍。 (4)试验表明:因土体热物理性质的非均质性，冻结前期的冻结温度场等温线形状有一定的不规则性，其后随着冻结时间的增加，形成的冻结壁形状呈现较好的对称性。即:单管、双管、三管冻结分别为圆形、哑铃形、椭圆形。 (5)试验表明:液氮冻结进液管、管壁、出气管温度存在较大差异。当冻结温度为-80℃左右时，进液管与出气管最大温差约为20℃，但在冻结过程中三管温度变化趋势基本一致。 (6)数值分析表明:当增大液氮流量（降低冻结温度）、缩短冻结管间距、增加冻结管个数时，都会对冻结帷幕面积、交圈时间、最终冻结温度效果有所提高。当增加冻结管间距时，在一定范围内冻结帷幕面积有所提高，但不总是随着冻结间距的增加而提高。 |
| 作者： | 徐峰 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 程桦 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 安徽理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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