深土冻结壁形成过程水热力耦合作用及其诱导非均质效应研究

For the design of artificial ground freezing technique in shaft engineering, the nonuniformity of the frozen wall attracts more attention since the position of the mining exploration gets deeper. However,for the mechanism of the nonuniformity - the coupled heat-fluid-mechanic process during the forming stage of the frozen wall,there is very little analysis,and there is no mathematical model; for the thermal properties of deep soils and deep frozen soils,there is nearly no research.This project will investigate these under-studied but significant issues. Experimental tests will be conducted to study the effect of k0 consolidation on the soil freezing characteristic, and the thermal conductivities of soils and frozen soils. Experiential formulas for these parameters will be amended so that they can be used for deep soils and deep frozen soils. An experimental apparatus for the hydraulic properties of deep soils and deep frozen soils will be constructed. The permeability of deep soils and deep frozen soils will be tested;fundamental equations and parameters to describe the hydraulic properties of these soils will be obtained. Based on the heat transfer equation, the hydraulic properties of deep soils and deep frozen soils, the mechanical model of deep soils and deep frozen soils, a coupled heat-fluid-mechanic model for the forming process of the frozen wall will be established, and a numerical simulation platform will be built.Large-scale experimental tests will be conducted to verify the similated results and amend the mathematical model.Based on the nonuniform physical fields of the frozen wall,using the mechanical model suitable for deep frozen soils as fundamental elements, the mechanical model of the nonuniform frozen wall will be constucted. This model will be embedded into commercial software such as Abaqus, the excavation process will be simulated, and the effect of the nonuniform physical fields on the general strength,the weak area of the frozen wall will be analyzed. Some procedures to optimize the design of the frozen wall will be proposed.

深部凿井冻结设计中，冻结壁的非均质性逐渐受到重视，然而目前对非均质性的诱因-冻结壁形成过程中的水热力耦合作用分析较少，也无数学模型，对深部土及冻土的热物理性质也基本没有研究。课题围绕这一系列没有研究但又很有工程及科学意义的问题展开。通过试验测试，分析K0固结过程对土体(冻土)冻结特性、导热性能的影响，并修正相关计算公式；建立深部土及冻土渗透性试验平台，通过试验获得深部土及冻土渗透规律基本方程及参数。以传热基本方程、深部土及冻土渗透规律、力学模型为基本元素，建立冻结壁形成过程水热力耦合模型，并开发数值仿真平台；进行多圈冻结物理模拟试验，以试验数据对数学模型进行验证与修正。以冻结壁非均匀物理场为基础，以适用于深部冻土卸载过程的力学模型为元素，建立冻结壁非均质力学模型并嵌入Abaqus等有限元软件，进行冻结壁开挖卸载过程数值模拟，分析非均匀物理场对冻结壁整体性能的影响，以优化冻结壁设计。

课题以深厚表土层中人工冻结法凿井中的冻土问题为背景，开展了三部分内容的研究。第一方面内容是针对土壤冻结过程中的若干相关问题，获得了温度场的解析解答。首先是直角坐标系中土体一维冻结问题，该问题考虑半无限大土体初始温度均匀，表面受到低于土体冻结温度的作用，利用相似变换方法获得了该问题的解析解；其次考虑的是半无限大土体的一般导热问题，分别考虑了三类边界条件的情形，土体初始温度场为位置坐标的多项式型函数，边界温度为时间的多项式型函数，利用误差补函数累次积分函数的理论获得了问题的解析解；然后考虑的是土中液态水随位置坐标呈整数次幂及实数次幂变化的两个问题，基于相似变换，分别利用误差补函数的累次积分函数以及库末函数的相关理论获得了该问题的解析解；最后是非线性线热源问题，通过将一般的非线性热物性用阶梯状的热物性代替，将问题转化为径向多相相变导热问题，利用相似变换方法，获得了该问题的解析解。第二方面内容是进行了近相变区冻土导热系数的测试。传统的热盘或热针法是基于常物性材料热传导解析解设计的，用于变物性材料时测试结果不可靠；利用一维导热达到稳态时温度场分布仅与导热系数分布有关这一特点，设计了用于测试近相变区冻土导热系数的广义平板法，并进行了相关实验；试验结果表明，近相变区冻土导热系数随温度呈线性变化，进一步对含水量和干密度的影响进行了研究，结果表明，近相变区冻土导热系数随含水量呈近似线性变化，而随干密度呈抛物线形式变化，通过进一步的曲线拟合，我们给出了近相变区冻土导热系数随温度、含水量、干密度变化的关系式。第三方面内容是建立了考虑力场作用的水热力耦合分离冰冻胀模型。该模型针对外荷载作用下的土体一维冻结过程，将土柱分为同质区和异质区，同质区指的是土体区域，包括冻土和未冻土区域，异质区指的是冰透镜体区域；同质区中以热量守恒、水分守恒、冻结特性曲线为基础建立水热耦合部分方程，其中水分流动以等效水压力梯度为动力，同质区力学部分的方程以原位冻胀变形、本构关系为基础构建，对于水热耦合部分与力学部分的联系则采用克拉贝隆方程和冰压力公式；异质区即冰透镜体区的控制方程由其冷端无水流边界，暖端生长边界以及力学方程组成；利用有限差分法对水热耦合部分方程进行了离散，同时建立其力学部分的有限元格式，进行了计算结果与室内试验结果的对比，验证了模型的正确性。