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滨海地层液氮冻结温度场形成机理研究

刘子昕  
【摘要】:本文以福州地铁盾构实例项目始发为背景,通过对液氮对流传热理论深入研究、滨海人工冻土物理力学试验以及通过ANSYS软件实现了对盾构左线液氮冻结二维温度场的数值模拟,然后将其与实际工程中得到的结果进行比较,研究地层液氮冻结温度场形成机理。主要结论有:(1)各类土体比热介于0.78~1.52kJ/(kg.℃)之间;常温下的土体导热系数处于1.005~2.232 W/(m.℃)范围内,在低温下土体导热系数会明显增大,一般处于1.654~2.868 W/(m·℃)范围内;不同地层结冰温度处于-0.90℃~-1.60℃。(2)各个地层冻土的冻胀力处于1.29MPa~1.55MPa范围内,冻胀率的范围是1.23%~1.56%,在我国的冻土冻胀性分类中将土层划分为弱冻胀土。(3)相关研究证明,冻土的单轴抗压强度和冻结温度之间存在明显的线性相关性,当温度降低1℃时,冻土强度大约会增大0.112MPa~0.497MPa。因此在实际建设中可以采用降低冻结壁平均温度的方式来增强冻结壁的承载力。(4)在本次数值模拟中得到的地铁工程的冻结时间、平均温度等结果和实测的真实结果基本一致。将在工程建设中的实测值与数值模拟的结果进行比较,如果存在较大的差异性,则需要及时进行调整。(5)此例工程得知液氮积极冻结期第四天,已经达到设计冻结壁厚度1.8m,比原设计时间提前3天,由于液氮冻结具有冻结速度快、温度低和强度高等特点,如果设计更没有得到优化,冻结壁厚度会大于设计厚度,此时容易形成多余的冻胀危害。另外液氮冻结的成本较大,很容易出现能量损失,当前在此方面也缺乏规范的液氮温度场模拟方法。本文主要对液氮冻结问题进行了研究,设计了液氮温度场有限元计算模型,并将模拟计算出的结果与实际工程中的数据进行对比,得出模拟数据为此类工程提供参考,达到应尽可能的高效利用液氮,节约能源,提高工程的经济效益。图[52]表[19]参[70]


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