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《中南大学》 2003年
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浅表隧道工程多冷源冻结温度、应力、水分场耦合研究

程知言  
【摘要】:在对人工地层冻结研究现状分析讨论的基础上,本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。分析了三种软土的起始冻结温度及冻、融土导热、导温系数的影响因素、低温土体未冻水含量、弹性模量、泊松比与温度的定量关系;研究比较了封闭系统中上海三种软土的冻胀特性;讨论了低温土体无侧限抗压强度、三轴剪切强度的变化规律。 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,首先建立了单一冷源冻结轴对称温度、应力、水分场耦合模型;接着利用势场的迭加原理,将单一冷源情况的三场耦合问题推广到多冷源情况的三场耦合;最后根据能量守恒平衡方程、应力平衡方程、质量守恒平衡方程、几何方程、物理方程、初始及边界条件,解出了单一冷源平面轴对称问题的解析解。 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。
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