渗流条件下温度梯度对人工冻结壁形成过程的影响作用研究

Construction of underground works in seepage soil is a major technical problem faced in human engineering, artificial ground freezing(AGF) is an effective way to solve the problem. However, in some engineering practice, soil penetration rate is too large, which prevents the frozen wall to form a continuous structure or to meet the design thickness. Lack of knowledge of hydrothermal coupling of seepage freezing becomes a major bottleneck restricting the AGF technology. This project studies the temperature gradient distribution characteristics and the effects of the temperature gradient in the coupling conditions. It includes: the theoretical analysis of hydrothermal coupling processes, a reasonable simplification of the parameters, the numerical solution of the coupled equations and analyzing of the temperature gradient distribution. Through the similarity model testing, frozen penetration under the effect of the temperature gradient is studied, and forecast model of frozen wall formation is structured. The project aims at studying the relationship between temperature gradient and seepage freezing, reveals the law of the development process of frozen wall and provides guidance for the effective control of artificial ground freezing design.

在渗流土层中进行地下结构施工是人类工程领域面临的重大技术难题，人工冻结技术是解决该问题的有效途径。然而，工程实践中土层渗流速度过大时，冻结壁将很难交圈或者达到设计厚度，人们对渗流冻结过程的水热耦合机理认识不足成为制约该项技术推广应用的主要瓶颈。本项目以渗流冻结土体为研究对象，对水热耦合条件下冻结壁的温度梯度分布特征及其对冻结壁的影响作用进行研究。具体内容包括：理论分析冻结壁中的水热耦合过程、对土体物理参数进行合理假设、数值求解水热耦合方程并分析温度梯度分布特征；通过相似模型试验，分析渗流冻结温度场，构建渗流作用下反映温度梯度影响的冻结壁发展速度定量预测模型。本项目旨在研究温度梯度对渗流冻结的影响作用，揭示渗流作用下冻结壁发展规律，为有效控制人工冻结过程和指导冻结工程设计提供理论支持。

深入认识渗流冻结过程的水热耦合作用是推广人工冻结技术的关键。本项目以渗流冻结土体为研究对象，分析了水热耦合条件下冻结壁的温度梯度分布特征，并研究了其对冻结壁发展的影响作用。研制了适用于渗流冻结条件的水—热耦合试验系统，通过相似模型试验揭示了渗流冻结条件下冻结壁温度、温度梯度的变化规律及温度场—渗流场耦合作用规律。建立了渗流条件下冻结壁水—热耦合数学模型，提出了耦合方程的简化及数值求解方法。通过COMSOL有限元软件实现了对耦合方程的求解，定性验证了模型试验结果，检验了规律的一致性。研究结果表明，渗流造成冻结壁形成过程中温度梯度分布的时空不均匀性，温度梯度变化与渗流场密切相关。冻结壁交圈前上游温度梯度数值显著大于下游温度梯度，随着冻结壁的形成，这种差异在逐渐减小，趋近于无渗流时的上下游相等为止。温度梯度在冻结管列位置处存在峰值，主面峰值会随着冻结逐渐减小，而界面峰值则相对稳定。在半对数坐标图中，温度梯度曲线呈现较好的线性化特征。上述成果的获得将为冻结壁设计和人工冻结技术推广提供重要科学依据。