基于ADINA模拟静水下联络通道冻结加固的温度场分析方法技术

本发明专利技术属于现场实测和数值模拟技术领域，具体涉及基于ADINA模拟静水下联络通道冻结加固的温度场分析方法，具体研究内容如下：S1，数值模拟基本假设；S2，几何模型建立及网格划分；S3，相关参数选择，包括选择边界条件与初值问题、选择土体热物理参数选取以及观察路径的选取；S4，数值模拟计算结果，包括分析测温点处温度发展变化规律以及分析冻土帷幕的发展情况；在S4中对冻土帷幕发展情况的分析，包括取隧道在X方向所在剖面进行分析以及取隧道在Y方向所在剖面进行分析。本发明专利技术能够通过得到实时冻结温度监测数据以及渗流声呐监测数据，分析温度场和渗流场实际发展规律，便于最后讨论调整施工方案，观察其温度场发展情况，优化施工方案。案。案。

【技术实现步骤摘要】
基于ADINA模拟静水下联络通道冻结加固的温度场分析方法


[0001]本专利技术属于现场实测和数值模拟
，具体涉及基于ADINA模拟静水下联络通道冻结加固的温度场分析方法。

技术介绍

[0002]地铁是城市交通的重要组成部分，解决了所在城市市内内极大通勤需求，它凭借自身的核心枢纽功能，重新整合和配置城市的经济和社会资源，从而极大地提高资源利用率；地铁的重要性引出安全性的需求，作为联通地铁两隧道的临时通道，联络通道应运而生，其安全疏散人群、隧道排水和防火的重要特点，决定了其施工工法必然成为研究的重点，传统的联络通道加固工法有明挖法、暗挖法、先明挖后暗挖法、顶管法等工法；人工地层冻结法顾名思义就是通过人工制冷技术，冻结土体中的水，有效阻挡地下水渗流，形成的冻结壁能够保护地下工程的稳定性，增加其强度，以便更安全有效地进行地下工程施工冻结法相比传统工法具有能有效阻挡地下水渗流、施工环境友好、复杂地层所耗成本较低等特点；其应用越来越广泛。
[0003]但冻结法也具有不可忽视的明显缺点，即冻胀融沉的问题，该问题会导致土体在冻结前后体积变化较大，对周围环境设施造成较大影响。因此对于冻结过程的土体温度变化规律以及对冻胀、融沉问题的控制必须充分研究，以保证最大化减小冻结法的负面影响；
[0004]另外，国内外学者进行了对于渗流场与温度场水
‑
热耦合的研究，分别运用到了理论推导、现场实测、模型试验以及数值模拟等方法，但所研究对象多为天然冻土、裂隙岩体与渗流场的耦合，而人工冻结中温度场与渗流场的研究主要集中于单排、双排冻结管，对于多排冻结管在复杂的排布方式下其温度场发展规律、渗流场温度场耦合机理的研究较少，而实测方面也主要集中在对于温度场方面的实测，渗流场方面的实测研究极少。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供基于ADINA模拟静水下联络通道冻结加固的温度场分析方法，基于对南宁地铁新广区间1#联络通道冻结加固施工过程现场实测，能够通过得到实时冻结温度监测数据以及渗流声呐监测数据，分析温度场和渗流场实际发展规律，便于最后讨论调整施工方案，观察其温度场发展情况，优化施工方案。
[0006]本专利技术采取的技术方案具体如下：
[0007]基于ADINA模拟静水下联络通道冻结加固的温度场分析方法，包括温度场和渗流场的研究，具体研究内容如下：
[0008]S1：数值模拟基本假设
[0009]由于土层温度变化差异性较小，可忽略不计，假设土层初始温度场均匀，土层视为均质、热各向同性材料；由实测报告得到：当土体温度降至
‑
1℃时开始冻结，降至
‑
10℃时冻土帷幕稳定形成，通过
‑
1℃、
‑
10℃等温线，能够较为直观观察到冻土帷幕发展情况；忽略低温盐水循环冷量损失，冻结外壁恒温边界用冷量循环入口温度代替，温度荷载直接加到冻
结管管壁上；忽略土体内水分迁移的影响，假设热物理参数稳定；
[0010]S2：几何模型建立及网格划分
[0011]根据现场实际施工方案，基于ADINA瞬态模块建立符合工程实际的带相变的三维瞬态导热模型；取土体模型几何尺寸为：纵向长度(X轴方向)
×
横向宽度(Y轴方向)
×
垂直深度(Z轴方向)；
[0012]S3：相关参数选择
[0013]包括选择边界条件与初值问题、选择土体热物理参数选取以及观察路径的选取；
[0014]S4：数值模拟计算结果
[0015]包括分析测温点处温度发展变化规律以及分析冻土帷幕的发展情况。
[0016]进一步的，在S3中的选择边界条件与初值问题
[0017]边界条件：假设冻结管与土壤接触边界为第一类边界条件，冻结管内温度荷载直接作用在与之接触的土体表面，计算区域外边界为绝热边界；
[0018]初值问题：根据勘察报告，土体原始地温取26.5℃，即为冻结期间的初始温度。
[0019]进一步的，在S3中观察路径的选取，每条路径的均匀选取4个点作为观测点。
[0020]进一步的，在S4中对测温点处的温度以及发展变化规律的分析，依据实测与数值模拟数据对比，根据最不利原则，选取各个测温孔中温度最高值与模拟进行对比；
[0021]数值模拟是按照绝对理想条件下进行，而实际冻结过程中要结合考虑冻结管打孔偏斜、盐水不完全匀速循环等不确定因素以及天气、环境等不可预测因素的影响。
[0022]进一步的，在S4中对冻土帷幕发展情况的分析，包括取隧道在X方向所在剖面进行分析以及取隧道在Y方向所在剖面进行分析。
[0023]进一步的，在取隧道在X方向所在剖面进行冻土帷幕发展情况的分析中，其中两个剖面选择分别靠近隧道的左右线为剖面；其中一个剖面选择左右边隧道连线中部的垂直面，且位于理论上冻结效果相对较差；最后两个剖面选择左右边隧道连线中部垂直面与隧道开挖截面中点。
[0024]进一步的，在S4中对冻土帷幕发展情况的分析，选取T＝
‑
1℃、T＝
‑
10℃等温线图观察到冻土帷幕的发展，其中，
‑
1℃为土体结冰温度，
‑
10℃为冻结壁设计平均温度。
[0025]本专利技术取得的技术效果为：
[0026](1)本专利技术，创新地采用了三维流速矢量声纳测量仪对新广区间联络通道冻结工程进行渗流声呐检测，并结合现场温度检测数据分析温度场与渗流场的相互影响规律，在此基础上结合数值模拟的方法研究其水热耦合一般规律，随后通过改变相关参数来对冻结方案进行优化。
[0027](2)本专利技术，基于ADINA和COMSOL有限元软件建立原尺寸三维数值模型，分析温度场发展规律以及渗流场与温度场水
‑
热耦合发展规律并与现场实测数据作对比，可考虑在误差允许范围内验证数值模型正确性；根据不同工况进一步分析温度场发展规律和温度场与渗流场水
‑
热耦合发展规律并探讨其各因素的影响，便于最后讨论调整施工方案，改变冻结管根数、排布方式，观察其温度场发展情况，优化施工方案。
附图说明
[0028]图1是本专利技术的实施例所提供的研究思路和技术路线示意图；
[0029]图2是本专利技术的实施例所提供的整体土体模型图；
[0030]图3是本专利技术的实施例所提供的网格划分示意图；
[0031]图4是本专利技术的实施例所提供的现场实测与数值模拟数据对比分析图；
[0032]图5是本专利技术的实施例所提供的不同路径各测点温度随时间变化图；
[0033]图6是本专利技术的实施例所提供的冻结40天沿X轴不同剖面温度分布示意图；
[0034]图7是本专利技术的实施例所提供的不同剖面
‑
1℃、
‑
10℃等温线随时间发展变化图；
[0035]图8是本专利技术的实施例所提供的Y轴各剖面冻结40天后温度场云图和等温线图情况。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于ADINA模拟静水下联络通道冻结加固的温度场分析方法，包括温度场和渗流场的研究，其特征在于，具体研究内容如下：S1：数值模拟基本假设由于土层温度变化差异性较小，可忽略不计，假设土层初始温度场均匀，土层视为均质、热各向同性材料；由实测报告得到：当土体温度降至
‑
1℃时开始冻结，降至
‑
10℃时冻土帷幕稳定形成，通过
‑
1℃、
‑
10℃等温线，能够较为直观观察到冻土帷幕发展情况；忽略低温盐水循环冷量损失，冻结外壁恒温边界用冷量循环入口温度代替，温度荷载直接加到冻结管管壁上；忽略土体内水分迁移的影响，假设热物理参数稳定；S2：几何模型建立及网格划分根据现场实际施工方案，基于ADINA瞬态模块建立符合工程实际的带相变的三维瞬态导热模型；取土体模型几何尺寸为：纵向长度(X轴方向)
×
横向宽度(Y轴方向)
×
垂直深度(Z轴方向)；S3：相关参数选择包括选择边界条件与初值问题、选择土体热物理参数选取以及观察路径的选取；S4：数值模拟计算结果包括分析测温点处温度发展变化规律以及分析冻土帷幕的发展情况。2.根据权利要求1所述的基于ADINA模拟静水下联络通道冻结加固的温度场分析方法，其特征在于：在S3中的选择边界条件与初值问题边界条件：假设冻结管与土壤接触边界为第一类边界条件，冻结管内温度荷载直接作用在与之接触的土体表面，计算区域外边界为绝热边界；初值问题：根据勘察报告，土体原始地温取26.5℃，即为冻结期间的初始温度。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：候文涛，闫艳军，胡俊，
申请(专利权)人：鹤壁市工程质量监督站，
类型：发明
国别省市：