广州地铁冻结法施工中冻胀融沉的数值模拟及全程的力学分析

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本人的硕士论文,下周即将答辩,在这毕业之际,将自己三年学习所完成的论文的数值模拟原程序,发布上来,希望对做冻结法的朋友有很大的帮助!同时也感谢曾经给我我帮助的朋友还有simwe的斑竹们,尤其是Dynamic斑竹哦!谢谢哦!
同时也希望斑竹给我加个10分鼓励一下拉!9月我去同济读博,以后还是有很多的机会来simewe,跟大家更好的学习!
     将工程概况以及相关说明一一贴出,以便大家更好的了解!

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建立模型:
      本工程属于浅埋隧道工程，隧道顶距地表平均位置约8m，隧道截面形状为马蹄形，隧道周边具体是由10段对称的光滑弧线组成,在FLAC3D的中无法完成网格的连接,于是采用ANSYS和FLAC3D的接口程序,利用ANSYS建模的快捷方便,建立出合理的模型,然后利用转换程序将ANSYS中的单元、节点以及材料信息转化为FLAC3D能直接识别的文本文件，这样建立完整的分析模型。

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1.工程概况
     广州市轨道交通三号线天河客运站折返线及风道位于广州市天河区广汕公路之下。折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥，风道在折返线北端。附近有新天河商贸城和天河汽车客运站。由于该区段道路两侧地下管线纵横交错，数目较多，有电信管线、给水管线、电力管线、排水管线和煤气管线等；其次，广汕公路是连接广州与汕头、增城之间的重要交通干道，交通繁忙，不能封路施工。因此拟采用暗挖法施工，避免明挖所带来的地下管线改移困难，以及受沙河立交桥引桥的限制。折返线设计起始里程为SK0+102.60，终点里程支SK0+250.40，长为147.8m。折返线北端暗挖风道长23.68m。隧道顶面距离地表最小约为8m。双线隧道净断面为马蹄形，隧道净高9146mm，净宽11400mm。隧道临时支护为厚350 mm的C20网喷混凝土，内衬为C30厚450mm的S8模筑钢筋混凝土。
      广州地铁三号线天河客运站折返线隧道拟采用水平冻结法加固地层，矿山法开挖、构筑。折返线双线隧道地层冻结长度约为136.4～140.8m，采用全断面帷幕冻结。

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2.工程地质条件
构造、地形、地貌
     广州地铁三号线天河折返线处于白云山～罗岗断隆区，无断层通过。地形较为平缓，地面高程为22.19～25.36m。线路在新天河商贸城下，地面现多为建筑商铺。
地面交通现状
     广汕公路是连接广州与汕头、增城之间的重要交通干道，交通繁忙。华南快速干线广汕路立交桥的主桥及B匝道桥还未修建，立交桥的E匝道桥已建成通车。车辆可在广汕公路前方新建的沙河立交桥下掉头。华南快速干线广汕路立交桥以南是横跨广汕公路的北环高速路的高架桥。新天河商贸城与天河汽车客运站之间有一条交通量较小的沙河路。
岩土分层及其特征
      共分为8层:1)人工填土层;2)砂层; 3）冲-洪积土层; 4）残积土层; 5）岩石全风化带 ;6）岩石强等风化带;7）岩石中等风化带;8）岩石微风化带

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在转化模型的基础上,对整个冻结施工的全过程进行计算,包括三个主要过程:
       1.冻结积极期的温度场分析
       2.冻结维护期开挖支护分析
       3.解冻期融化沉降预测分析

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冻结管布置分布图

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由于计算时间非常漫长,本人计算完所有的过程,共花了约一周时间,每天24小时开机运行,所以贴出一些效果图,供大家参考和指导!
冻结5月后的温度场分布图.

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冻胀位移分布图,与现场监测比较吻合

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水平冻胀位移分布

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冻胀所造成的剪应力重分布图

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为采取任何措施下的融沉位移量,同时预测出地层解冻时间,得到了64天完全融化,需在解冻20天时即进行分时段注浆.

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本文模拟时并不是真正意义上的三场耦合,其实是将冻土看作一种特殊的冰透镜体,在模拟上还存在一些问题,需要改善:
      1）初始条件及边界条件的选取中，温度场计算时通过稳态热分析求得土层初始温度场，其边界条件考虑较为简单，计算的结果也不可能真实反映地层温度。对计算结果会有一定的影响，如果能根据现场实际情况选用地层温度计算结果会更加接近实际。
      2）冻结帷幕的力学参数问题，因为时间上的原因及条件的限制，本文选取了同种土层类似工程的经验参数，该参数是冻结帷幕在平均温度下的力学参数，而在温度与力学的耦合问题中这个参数应是个随温度变化的函数；冻胀阶段没有考虑水的变化带来的影响，仅把水结冰后的土体看作一种特殊的透镜体，其具备了冻胀融沉的性质，同时在FLAC3D中无法考虑水结冰过程的相变潜热的问题，因此，如能在以后的工作中，把实验得出冻结帷幕的随温度变化的力学参数用于耦合问题的分析，同时对冻土的本构模型进行FISH优化，无疑能实现真正意义上三场耦合。
      3）人工地层冻结消融后必然要产生冻融固结下沉，造成对周围环境的影响，在一定程度上制约了冻结法的推广应用。土体融化而产生固结沉降位移时，土体内的孔隙含水率是不断变化的，同时土体压密后，其自身属性也在变化，本文研究融沉的过程中，忽略了土体中孔隙水压力和土体属性变化的影响，这无疑使计算结果比实际值偏大；同时关键性参数融沉率的选取缺乏科学的研究分析和试验的支持，为了更好的模拟出融沉对施工的影响，需要研究孔隙水压力、温度、水的饱和度、含冰量与冻土融化下沉的关系，融化固结速率和时间过程特征，以及多孔介质和可变形体系的冻土热、质、力耦合场问题，通过试验和理论研究，建立更简便、更适用于工程实践的融化固结理论模型及可靠的计算方法。

hh199422

请问你的冻涨融沉是怎么实现的?

wyb8254

不错

phonixs

非常感谢楼主

flyingdream

呵呵，没能考虑相变潜热，那估计不是误差的问题了．冻胀和融沉大部分发生在相变区，这样简化问题有点．．．．．．

chensha

ini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0
ini xvel 0 yvel 0 zvel 0
ini state 0
这个有些问题吧？ ini xvel 0 yvel 0 zvel 0是不应该用的。

yjchen8

3x

sunston

good!

lakewater

非常好！加分鼓励！