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人工地層凍結(jié)法的仿真研究
發(fā)布時(shí)間：
2022-02-22
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人工地層凍結(jié)法的仿真研究
德國(guó)工程師 F. H. Poetsch 于 1883 年開發(fā)了人工地層凍結(jié)（artificial ground freezing，簡(jiǎn)稱 AGF）法，用于應(yīng)對(duì)比利時(shí)煤礦內(nèi)滲水問(wèn)題。這種方法在 19 世紀(jì)晚期首次獲到認(rèn)可，時(shí)至今日，AGF 雖然與最初的形式相比并無(wú)太多變化，但仍然具有非常高的應(yīng)用價(jià)值。我們可以利用仿真分析來(lái)開發(fā)一種更加有效的 AGF 方法。
什么是人工地層凍結(jié)法？
人工地層凍結(jié)是一項(xiàng)通過(guò)地下管道運(yùn)送人工制冷劑的施工技術(shù)。制冷劑在管道中循環(huán)時(shí)，熱量會(huì)從地面排出，使管道周圍開始結(jié)冰，進(jìn)而導(dǎo)致土壤凍結(jié)。也就是說(shuō)，這個(gè)過(guò)程將土壤水分轉(zhuǎn)化為了冰。一旦土壤凍結(jié)，就會(huì)變得更堅(jiān)固（有時(shí)堅(jiān)硬如混凝土），具有更強(qiáng)的防水性能。這樣的土壤能夠?yàn)橄嚓P(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施提供有效的支撐，尤其是那些復(fù)雜的大型基礎(chǔ)設(shè)施。
為了保證 AGF 法產(chǎn)生效果，我們需要了解系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布。對(duì)于發(fā)生在 AGF 中的物理過(guò)程，最突出的是伴隨相變的瞬態(tài)傳熱現(xiàn)象。此外，相變和地下水流之間的關(guān)系——尤其是當(dāng)流速較大時(shí)——也是一個(gè)重要的考慮因素。這些因素影響著凍結(jié)壁的形成，從而影響
AGF 法的強(qiáng)度和可靠性。
為了研究 AGF 法，河海大學(xué)的一組研究人員采用了 COMSOL Multiphysics? 軟件。他們的案例研究涉及使用 AGF 法加固中國(guó)廣州地鐵區(qū)間隧道入口處的土壤。
模擬人工地層凍結(jié)法和地下水流
在這個(gè)案例中，凍結(jié)液是在整個(gè)管道系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)的 -30oC 鹽水。地下溫度逐漸降低，直至孔隙水凍結(jié)，形成凍結(jié)壁。凍結(jié)區(qū)的形成物由泥砂組成，地下水流方向主要為水平方向，且與隧道的軸向保持垂直。
為了簡(jiǎn)化飽和含水層中的熱傳遞建模，研究人員使用了基于溫度場(chǎng)和流場(chǎng)耦合的二維模型。模型的長(zhǎng)度和高度均為 20 米，如下圖所示?？梢钥吹?，圖中包含五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)的目的是對(duì)比溫度的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，借此驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。
此分析作出了如下假設(shè)：
- 冰不能移動(dòng)，介質(zhì)不能變形
- 含水層完全飽和，總孔隙率保持不變
- 由溶質(zhì)濃度引起的凝固點(diǎn)降低可忽略不計(jì)
根據(jù)凍結(jié)區(qū)之前的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，初始地面溫度為 15° C。下圖顯示了不同熱觀測(cè)孔的初始溫度。
凍結(jié)系統(tǒng)的冷卻源是凍結(jié)管的側(cè)壁。側(cè)壁溫度的變化對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部溫度分布影響最大。他們將主管道的溫度監(jiān)測(cè)值用作側(cè)壁估算溫度的近似值。下圖顯示了經(jīng)過(guò) 40 天的監(jiān)測(cè)后，主管道側(cè)壁溫度的擬合函數(shù)和曲線。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得知地下水流的流速為 0.2 米/天，并計(jì)算出上游和下游之間的水頭差為 0.8 米。
下面來(lái)研究結(jié)果。首先觀察一段時(shí)間內(nèi)的溫度分布和滲透系數(shù)之間的關(guān)系。在溫度方面，隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，凍結(jié)管道的低溫主要向下游擴(kuò)散，對(duì)上游的影響較小。滲透系數(shù)的計(jì)算結(jié)果可以表現(xiàn)凍結(jié)壁的形成過(guò)程，說(shuō)明了頂、底部?jī)鼋Y(jié)壁的形成速度比上、下游凍結(jié)壁的形成速度更快。請(qǐng)注意，凍結(jié)壁在 35 天后完全閉合。
在比較凍結(jié)壁的閉合和流速時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)隨流速增大，閉合時(shí)間呈非線性增加。當(dāng)流速大于 1.5 米/天時(shí)，閉合時(shí)間會(huì)顯著增加。通過(guò)比較所有方向的平均壁厚和相對(duì)流速，他們發(fā)現(xiàn)流速對(duì)上游壁厚度的影響最為顯著。
模型的成功驗(yàn)證為中國(guó)廣州地鐵隧道工程提供了指導(dǎo)。研究人員下一步計(jì)劃繼續(xù)開發(fā)這一模型，希望將它用作優(yōu)化 AGF 法的實(shí)際應(yīng)用的資源。
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