大流速滲透地層人工凍結(jié)壁：形成機(jī)理與力學(xué)特性深度剖析

大流速滲透地層人工凍結(jié)壁：形成機(jī)理與力學(xué)特性深度剖析一、緒論1.1研究背景與意義在現(xiàn)代地下工程建設(shè)中，人工地層凍結(jié)技術(shù)憑借其獨特的優(yōu)勢，如對周圍環(huán)境影響小、適應(yīng)性強(qiáng)等，被廣泛應(yīng)用于礦山建設(shè)、地鐵隧道施工、地下空間開發(fā)等眾多領(lǐng)域。該技術(shù)通過在土壤或巖土表面敷設(shè)冷卻管道，利用制冷劑循環(huán)冷卻，使土體凍結(jié)形成具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的凍結(jié)壁，以此來滿足工程施工對土體強(qiáng)度和止水的要求。大流速滲透地層條件下，人工凍結(jié)壁的形成與穩(wěn)定面臨諸多挑戰(zhàn)。地下水流速大，會導(dǎo)致凍結(jié)管冷量大量被帶走，凍結(jié)壁交圈困難甚至無法按時交圈。例如在深圳地鐵一期工程4A標(biāo)段暗挖隧道工程中，該區(qū)間隧道穿越古河道回填區(qū)域，地下水位變化及流速極大，原旋噴樁止水措施失效，在豎井開挖過程中出現(xiàn)多次大的突水涌沙事故，致使廣深鐵路橋產(chǎn)生不均勻沉降。后采用凍結(jié)法止水，雖成功完成了凍結(jié)施工任務(wù)，但在凍結(jié)過程中也遇到了諸多問題，如A、E線10m水平測點溫度下降很慢，經(jīng)分析是由于該區(qū)域地下水流速過大，冷凍管冷量大量被地下水帶走，造成該段測溫偏高，若不采取有效措施，凍結(jié)壁將無法形成。此外，在里必礦富水地層礦井開挖時，受大流速地下水影響，凍結(jié)壁交圈困難，給工程進(jìn)度和安全帶來極大威脅。大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的形成機(jī)理復(fù)雜，力學(xué)特性也與常規(guī)地層存在顯著差異。深入研究其形成機(jī)理，有助于揭示在大流速地下水作用下，熱量傳遞、水分遷移以及土體凍結(jié)過程中的內(nèi)在規(guī)律，從而為優(yōu)化凍結(jié)設(shè)計提供理論依據(jù)。研究其力學(xué)特性，包括承載能力、穩(wěn)定性、變形規(guī)律等，對于確保凍結(jié)壁在復(fù)雜受力條件下能夠安全穩(wěn)定地承受外部荷載，保障工程的順利進(jìn)行具有重要意義。只有準(zhǔn)確掌握大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的形成機(jī)理和力學(xué)特性，才能更好地解決凍結(jié)壁交圈困難、強(qiáng)度不足等工程難題，提高工程施工的安全性和效率，降低工程風(fēng)險和成本。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在人工地層凍結(jié)技術(shù)的發(fā)展歷程中，大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的研究一直是工程領(lǐng)域的重點和難點。國內(nèi)外眾多學(xué)者從理論研究、實驗研究以及工程應(yīng)用等多個維度展開深入探索，取得了一系列具有重要價值的成果。1.2.1理論研究在理論研究方面，國外學(xué)者起步較早。例如，瑞典的LunardiniVJ在其著作《HeatTransferinColdClimates》中，率先對凍土中的熱傳導(dǎo)理論進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，為后續(xù)人工凍結(jié)壁的理論研究奠定了基礎(chǔ)。他通過對不同土質(zhì)條件下熱傳導(dǎo)系數(shù)的研究，分析了土體凍結(jié)過程中的熱量傳遞機(jī)制。美國的PennerE則從熱力學(xué)角度出發(fā)，研究了凍結(jié)過程中水分遷移與相變潛熱的關(guān)系，建立了初步的數(shù)學(xué)模型，解釋了在溫度梯度作用下，水分如何從高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移并凍結(jié)的現(xiàn)象。國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)工程實際情況，也進(jìn)行了大量創(chuàng)新性的理論研究。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的程樺教授團(tuán)隊建立了飽和砂層含相變?nèi)珔?shù)滲流凍結(jié)耦合模型，該模型充分考慮了飽和砂層中土體骨架、孔隙水和冰三相之間的相互作用，以及滲流對凍結(jié)過程的影響。通過相似理論模型試驗，驗證了該模型的準(zhǔn)確性，為滲流地層凍結(jié)提供了堅實的數(shù)學(xué)與試驗基礎(chǔ)。同濟(jì)大學(xué)的徐光苗基于孔隙介質(zhì)的對熱流理論，考慮水分遷移對熱傳導(dǎo)的影響與溫度梯度對滲流的影響，建立了低溫巖體的對流熱傳熱的溫度與滲流耦合數(shù)學(xué)模型。該模型對于理解低溫巖體在凍結(jié)過程中的熱-滲流耦合機(jī)制具有重要意義，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測凍結(jié)壁的形成和發(fā)展過程。1.2.2實驗研究實驗研究是深入了解大流速滲透地層人工凍結(jié)壁特性的重要手段。國外的一些研究機(jī)構(gòu)，如俄羅斯的全俄礦山測量科學(xué)研究院，通過大型凍土實驗裝置，模擬不同地下水流速條件下的凍結(jié)過程，研究凍結(jié)壁的形成規(guī)律和力學(xué)性能。他們通過在實驗裝置中設(shè)置不同流速的水流通道，觀察凍結(jié)管周圍土體的凍結(jié)情況，測量凍結(jié)壁的厚度、溫度分布以及力學(xué)強(qiáng)度等參數(shù)，分析地下水流速對凍結(jié)壁形成的影響。國內(nèi)學(xué)者在實驗研究方面也取得了豐碩成果。安徽理工大學(xué)的姜曉剛等人針對大流速滲透地層立井凍結(jié)問題，進(jìn)行了物理模型試驗。通過自主設(shè)計的實驗系統(tǒng)，模擬里必礦原單圈凍結(jié)方案，并提出“注漿+加強(qiáng)凍結(jié)”優(yōu)化方案。在實驗過程中，對不同注漿區(qū)域布置角度（20°、30°、40°、50°、60°）、不同加強(qiáng)凍結(jié)管布置角度（5°、10°、15°、20°）的優(yōu)化效果進(jìn)行了研究。通過測量溫度場、凍結(jié)壁交圈時間等參數(shù)，分析了不同方案下凍結(jié)壁的形成過程和穩(wěn)定性，為工程實踐提供了可靠的實驗依據(jù)。1.2.3工程應(yīng)用在工程應(yīng)用領(lǐng)域，國外有許多成功的案例。例如，在英吉利海峽隧道的建設(shè)過程中，面對復(fù)雜的地質(zhì)條件和高流速地下水，采用了人工地層凍結(jié)技術(shù)。通過合理設(shè)計凍結(jié)管布置和制冷系統(tǒng)，成功解決了隧道施工中的土體穩(wěn)定和止水問題。在施工過程中，對凍結(jié)壁的溫度、位移等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)，確保了工程的順利進(jìn)行。國內(nèi)在大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的工程應(yīng)用方面也積累了豐富經(jīng)驗。深圳地鐵一期工程4A標(biāo)段暗挖隧道工程，該區(qū)間隧道穿越古河道回填區(qū)域，地下水位變化及流速極大，原旋噴樁止水措施失效，在豎井開挖過程中出現(xiàn)多次大的突水涌沙事故，致使廣深鐵路橋產(chǎn)生不均勻沉降。后采用凍結(jié)法止水，通過縮小凍結(jié)孔間距、加大凍結(jié)管徑等措施，成功完成了凍結(jié)施工任務(wù)。在凍結(jié)過程中，通過對測溫數(shù)據(jù)的分析判斷，及時發(fā)現(xiàn)了由于地下水流速過大導(dǎo)致凍結(jié)壁難以形成的問題，并采取了相應(yīng)的補(bǔ)救措施，如增加凍結(jié)時間、調(diào)整凍結(jié)管布置等，確保了工程的安全。又如，在里必礦富水地層礦井開挖時，受大流速地下水影響，凍結(jié)壁交圈困難。通過采用“注漿+加強(qiáng)凍結(jié)”優(yōu)化方案，有效解決了凍結(jié)壁交圈問題，保障了礦井的順利開挖。在工程實施過程中，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方式，對凍結(jié)壁的形成過程和力學(xué)性能進(jìn)行實時評估，為工程決策提供了科學(xué)依據(jù)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容滲透地層相似材料的熱物理特性分析：通過對滲透地層相似材料的選擇與制備，運(yùn)用低場核磁共振試驗等手段，深入研究其在不同溫度條件下的未凍水變化規(guī)律。分析相似材料的T?譜分布規(guī)律，建立未凍水含量數(shù)學(xué)模型，并確定相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)模型試驗和數(shù)值模擬提供準(zhǔn)確的熱物理參數(shù)依據(jù)。大流速滲透地層凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律模型試驗研究：依據(jù)相似準(zhǔn)則，設(shè)計并搭建大流速滲透地層凍結(jié)溫度場模型試驗系統(tǒng)。通過控制滲流速度、凍結(jié)時間等參數(shù)，研究滲流場作用下單管凍結(jié)溫度場的時空演化機(jī)理，包括溫度場隨時間的變化規(guī)律以及空間分布規(guī)律。同時，探究滲流場作用下三管凍結(jié)溫度場的形成機(jī)理，分析凍結(jié)壁交圈時間隨滲流速度的變化規(guī)律以及凍結(jié)溫度場的分布規(guī)律。大流速滲透地層人工凍結(jié)壁發(fā)展規(guī)律預(yù)測及凍結(jié)孔優(yōu)化設(shè)計研究：建立考慮溫度場與滲流場耦合作用的水熱耦合模型，明確溫度場方程、滲流場方程以及邊界條件。利用該模型對大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行預(yù)測分析，研究不同流速地下水作用下單圈管和雙圈管的凍結(jié)規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行大流速滲透地層凍結(jié)孔的優(yōu)化設(shè)計，包括單圈凍結(jié)孔和雙圈凍結(jié)孔的優(yōu)化，以提高凍結(jié)壁的形成效率和穩(wěn)定性。滲流場作用下單管凍結(jié)穩(wěn)態(tài)溫度場解析解：在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)滲流作用下單凍結(jié)管穩(wěn)態(tài)溫度場的解析解。通過與數(shù)值模擬結(jié)果或?qū)嶋H工程數(shù)據(jù)對比，驗證解析解的合理性。利用解析解對滲流作用下單管凍結(jié)穩(wěn)態(tài)溫度場進(jìn)行計算與分析，探討地下水流速、凍結(jié)管間距等因素對溫度場分布的影響。大流速滲透地層人工凍結(jié)壁力學(xué)特性分析：研究地下水流速對單圈凍結(jié)溫度場以及凍結(jié)壁厚度的影響規(guī)律，明確流速與凍結(jié)壁厚度之間的定量關(guān)系。確定凍土的力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、粘聚力等與溫度的關(guān)系，選擇合適的凍土強(qiáng)度準(zhǔn)則。建立凍結(jié)壁力學(xué)計算模型，推導(dǎo)彈性應(yīng)力和彈塑性應(yīng)力計算公式，并通過工程算例分析，驗證模型和公式的有效性，為工程設(shè)計提供力學(xué)依據(jù)。1.3.2研究方法理論分析：基于傳熱學(xué)、滲流力學(xué)、凍土力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基本理論，建立大流速滲透地層人工凍結(jié)壁形成與力學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型。對模型進(jìn)行求解和分析，推導(dǎo)相關(guān)公式和理論，從理論層面揭示凍結(jié)壁的形成機(jī)理和力學(xué)特性。例如，在建立溫度場方程時，考慮多孔介質(zhì)體的等效導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙水流動對溫度的影響以及相變潛熱等因素，運(yùn)用傅里葉傳熱定律和能量守恒原理進(jìn)行推導(dǎo)。數(shù)值模擬：運(yùn)用COMSOL等有限元軟件，對大流速滲透地層人工凍結(jié)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過建立幾何模型、設(shè)置材料參數(shù)、定義邊界條件和初始條件等，模擬不同工況下凍結(jié)溫度場、滲流場的分布和演變規(guī)律。與理論分析結(jié)果相互驗證，分析各種因素對凍結(jié)壁形成和力學(xué)特性的影響，為工程設(shè)計提供參考。如在模擬大流速地下水作用下的凍結(jié)過程時，通過設(shè)置不同的流速值，觀察凍結(jié)壁的交圈時間和溫度分布變化。實驗研究：設(shè)計并開展大流速滲透地層凍結(jié)溫度場模型試驗。根據(jù)相似準(zhǔn)則，制作相似材料模型，搭建實驗系統(tǒng)，模擬真實的工程地質(zhì)條件和凍結(jié)過程。通過測量溫度、位移、應(yīng)力等參數(shù)，獲取凍結(jié)壁形成過程中的數(shù)據(jù)，驗證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，在模型試驗中，通過布置熱電偶測量不同位置的溫度，記錄凍結(jié)鋒面的發(fā)展過程，為研究凍結(jié)壁的形成機(jī)理提供實驗依據(jù)。1.4技術(shù)路線本研究采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，全面深入地探究大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的形成機(jī)理及其力學(xué)特性，技術(shù)路線具體如下：理論分析：基于傳熱學(xué)、滲流力學(xué)、凍土力學(xué)等相關(guān)學(xué)科理論，構(gòu)建大流速滲透地層人工凍結(jié)壁形成與力學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)溫度場方程時，依據(jù)混合物理論確定多孔介質(zhì)體的等效導(dǎo)熱系數(shù)，考慮單位時間內(nèi)多孔介質(zhì)體溫度變化所需能量、孔隙水流動對溫度的影響以及孔隙水相變釋放的能量等因素，結(jié)合傅里葉傳熱定律得出溫度場控制方程。在推導(dǎo)滲流場方程時，運(yùn)用達(dá)西定律，考慮地下水的流動特性以及與土體的相互作用。通過對這些方程的求解和分析，從理論層面揭示凍結(jié)壁的形成機(jī)理和力學(xué)特性，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬：運(yùn)用COMSOL等有限元軟件，對大流速滲透地層人工凍結(jié)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。首先建立幾何模型，精確模擬實際工程中的凍結(jié)管布置、地層結(jié)構(gòu)等；設(shè)置材料參數(shù)，包括地層的熱物理參數(shù)、凍土的力學(xué)參數(shù)等；定義邊界條件和初始條件，如溫度邊界條件、流量邊界條件等。通過模擬不同工況下凍結(jié)溫度場、滲流場的分布和演變規(guī)律，分析各種因素對凍結(jié)壁形成和力學(xué)特性的影響。將數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果相互驗證，進(jìn)一步完善理論模型，為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。實驗研究：設(shè)計并開展大流速滲透地層凍結(jié)溫度場模型試驗。根據(jù)相似準(zhǔn)則，選擇合適的相似材料制作模型，搭建包含滲流系統(tǒng)、凍結(jié)系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)等的實驗系統(tǒng)，模擬真實的工程地質(zhì)條件和凍結(jié)過程。在實驗過程中，精確控制滲流速度、凍結(jié)時間等參數(shù)，通過布置熱電偶測量不同位置的溫度，使用位移傳感器測量位移，利用應(yīng)力傳感器測量應(yīng)力等，獲取凍結(jié)壁形成過程中的數(shù)據(jù)。將實驗結(jié)果與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗證理論模型和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，為深入研究凍結(jié)壁的形成機(jī)理和力學(xué)特性提供實驗依據(jù)。綜合分析與應(yīng)用：對理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，深入研究大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的形成機(jī)理和力學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上，提出大流速滲透地層凍結(jié)孔的優(yōu)化設(shè)計方案，包括單圈凍結(jié)孔和雙圈凍結(jié)孔的優(yōu)化，以提高凍結(jié)壁的形成效率和穩(wěn)定性。將研究成果應(yīng)用于實際工程案例分析，驗證優(yōu)化方案的可行性和有效性，為大流速滲透地層人工凍結(jié)技術(shù)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。二、大流速滲透地層特性分析2.1大流速滲透地層的地質(zhì)特點大流速滲透地層在地質(zhì)特性上呈現(xiàn)出獨特的性質(zhì)，這些特性對人工凍結(jié)壁的形成有著關(guān)鍵影響。從土質(zhì)方面來看，該地層主要由砂質(zhì)土、礫石土等顆粒較粗的土體組成。砂質(zhì)土顆粒間的黏聚力較小，結(jié)構(gòu)相對松散；礫石土則含有較大粒徑的礫石，其顆粒大小分布不均勻。這種土質(zhì)特點使得地層的孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)育，為地下水的流動提供了良好的通道。孔隙率是衡量地層孔隙發(fā)育程度的重要指標(biāo)。大流速滲透地層的孔隙率相對較高，一般在30%-50%之間。例如，在一些典型的砂質(zhì)含水層中，孔隙率可達(dá)40%左右。較高的孔隙率意味著地層中存在大量可供地下水儲存和流動的空間，這是地下水流速較大的一個重要前提條件。滲透系數(shù)是反映地層滲透性能的關(guān)鍵參數(shù)。大流速滲透地層的滲透系數(shù)通常較大，一般在10?2-1cm/s之間。以粗砂地層為例，其滲透系數(shù)可達(dá)10?2cm/s量級，這表明該地層對地下水的傳導(dǎo)能力較強(qiáng)，能夠使地下水在其中快速流動。這些地質(zhì)特性對凍結(jié)壁形成的影響是多方面的。首先，大的滲透系數(shù)和高孔隙率導(dǎo)致地下水流速大，在凍結(jié)過程中，地下水會不斷帶走凍結(jié)管散發(fā)的冷量，使得凍結(jié)管周圍的土體難以降溫至冰點以下，從而增加了凍結(jié)壁交圈的難度。例如，在里必礦富水地層礦井開挖時，由于地下水流速過大，凍結(jié)管的冷量大量被帶走，致使凍結(jié)壁交圈困難，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)度。其次，較大的地下水流速會改變凍結(jié)鋒面的形狀和推進(jìn)方向。在水流的作用下，凍結(jié)鋒面會發(fā)生變形，向水流下游方向偏移，導(dǎo)致凍結(jié)壁厚度分布不均勻，影響其承載能力和穩(wěn)定性。此外，地層的土質(zhì)特性還會影響土體凍結(jié)后的力學(xué)性能。砂質(zhì)土和礫石土凍結(jié)后，其強(qiáng)度和變形特性與細(xì)粒土有所不同，這對凍結(jié)壁的力學(xué)分析和工程設(shè)計提出了更高的要求。2.2地下水流動特性大流速滲透地層中的地下水流動特性復(fù)雜，主要包括流速、流向和水力坡度等方面，這些特性在人工凍結(jié)壁的形成過程中扮演著關(guān)鍵角色。地下水流速是影響凍結(jié)壁形成的重要因素之一。在大流速滲透地層中，地下水流速通常較大，一般可達(dá)1-10m/d，甚至更高。例如，在一些靠近河流或大型含水層的工程場地，地下水流速可能超過5m/d。地下水流速的大小直接影響著凍結(jié)管周圍土體的熱交換過程。流速越大，單位時間內(nèi)帶走的熱量就越多，凍結(jié)管的冷量難以在周圍土體中有效積聚，導(dǎo)致土體降溫緩慢，凍結(jié)壁交圈困難。有研究表明，當(dāng)?shù)叵滤魉購?m/d增加到5m/d時，凍結(jié)壁的交圈時間可能會延長2-3倍。流向方面，地下水的流向受到地形、地質(zhì)構(gòu)造以及含水層分布等多種因素的影響。在大流速滲透地層中，地下水可能呈現(xiàn)單向流動、多向流動或復(fù)雜的環(huán)流形式。單向流動時，地下水沿著一定的方向持續(xù)流動，這種情況下，凍結(jié)壁在水流上游和下游的發(fā)展情況會有明顯差異。下游方向由于水流不斷帶走冷量，凍結(jié)壁的厚度相對較薄，且形成時間較長。多向流動或環(huán)流則使得凍結(jié)壁的溫度場和厚度分布更加復(fù)雜，增加了凍結(jié)壁形成的不確定性。水力坡度是指沿滲流途徑的水頭損失與相應(yīng)滲透途徑長度的比值，它反映了地下水流動的驅(qū)動力。大流速滲透地層的水力坡度一般較大，通常在0.01-0.1之間。較大的水力坡度意味著地下水具有較強(qiáng)的流動能力，能夠快速地傳遞熱量和物質(zhì)。在凍結(jié)過程中，水力坡度會影響地下水與凍結(jié)管之間的熱交換效率。當(dāng)水力坡度增大時，地下水與凍結(jié)管表面的接觸時間縮短，熱交換不充分，不利于凍結(jié)壁的形成。同時，水力坡度還會對地下水的流速和流向產(chǎn)生影響，進(jìn)而間接影響凍結(jié)壁的發(fā)育。在凍結(jié)過程中，地下水的流動特性對熱量傳遞和水分遷移有著重要影響。從熱量傳遞角度來看，地下水的流動會打破凍結(jié)管周圍原本相對穩(wěn)定的溫度場?？焖倭鲃拥牡叵滤畬鼋Y(jié)管散發(fā)的熱量迅速帶走，使得凍結(jié)管周圍的溫度分布不均勻，形成溫度梯度。這種溫度梯度會導(dǎo)致熱量向水流方向傳遞，使得凍結(jié)鋒面的推進(jìn)方向發(fā)生改變，凍結(jié)壁的形狀也會隨之發(fā)生變化。在地下水單向流動的情況下，凍結(jié)壁在水流上游方向相對較厚，而在下游方向較薄，呈現(xiàn)出不對稱的形態(tài)。水分遷移方面，地下水的流動會帶動土體中的水分一起運(yùn)動。在凍結(jié)過程中，由于溫度梯度的存在，水分會從高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移。而地下水的流動會加劇這種水分遷移現(xiàn)象，使得水分在土體中的分布更加不均勻。一方面，水分的遷移會導(dǎo)致凍結(jié)壁內(nèi)部的水分含量發(fā)生變化，影響凍結(jié)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。如果水分在凍結(jié)壁某一區(qū)域過度積聚，凍結(jié)后該區(qū)域的冰含量增加，可能會導(dǎo)致凍結(jié)壁出現(xiàn)局部膨脹或開裂。另一方面，水分遷移還會影響凍結(jié)壁的形成速度。當(dāng)水分快速遷移時，凍結(jié)鋒面的推進(jìn)速度也會受到影響，可能會出現(xiàn)凍結(jié)壁交圈不均勻的情況。2.3地層與地下水相互作用地層與地下水之間存在著復(fù)雜的相互作用，這種相互作用涵蓋物質(zhì)交換和力學(xué)作用等多個方面，對人工凍結(jié)壁的形成和穩(wěn)定性有著深遠(yuǎn)影響。從物質(zhì)交換角度來看，地下水在流動過程中，會與地層中的顆粒發(fā)生物理和化學(xué)作用。當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)地層時，水中的溶解物質(zhì)，如各種離子、礦物質(zhì)等，會與地層顆粒表面進(jìn)行離子交換。在富含鈣離子的地層中，地下水中的鈉離子可能會與地層顆粒表面的鈣離子發(fā)生交換，這種交換會改變地層顆粒的表面性質(zhì)和相互之間的作用力，進(jìn)而影響地層的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。此外，地下水還可能攜帶一些懸浮物質(zhì)，這些懸浮物質(zhì)在流動過程中會在地層孔隙中沉積，堵塞孔隙，降低地層的滲透性。而地層中的一些可溶物質(zhì)，也會被地下水溶解帶走，導(dǎo)致地層結(jié)構(gòu)的變化。在巖溶地區(qū)，地下水對石灰?guī)r地層的溶蝕作用，會形成溶洞和裂隙，改變地層的原有結(jié)構(gòu)，使得地下水的流動通道更加復(fù)雜，這在大流速滲透地層中，會進(jìn)一步加劇地下水對凍結(jié)壁形成的影響，因為復(fù)雜的地層結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致地下水流速和流向的不確定性增加，從而增加凍結(jié)壁形成的難度。力學(xué)作用方面，地下水對地層施加的滲流力是一個重要因素。滲流力是指地下水在流動過程中對單位體積土體顆粒所施加的作用力，其大小與水力坡度和地下水的重度有關(guān)。根據(jù)達(dá)西定律，滲流力可表示為J=\gamma_wi，其中J為滲流力，\gamma_w為水的重度，i為水力坡度。在大流速滲透地層中，由于水力坡度較大，滲流力也相對較大。這種滲流力會對地層顆粒產(chǎn)生拖曳作用，使地層顆粒有被沖走的趨勢。當(dāng)滲流力超過地層顆粒之間的摩擦力和黏聚力時，地層就會發(fā)生變形甚至破壞，這在凍結(jié)壁形成過程中，會導(dǎo)致凍結(jié)壁周圍地層的穩(wěn)定性下降，影響凍結(jié)壁的承載能力。如果凍結(jié)壁周圍地層因滲流力作用而出現(xiàn)局部塌陷或松動，凍結(jié)壁就會失去部分支撐，容易發(fā)生變形和破壞。地層對地下水也存在反作用力。當(dāng)?shù)叵滤诳紫吨辛鲃訒r，會受到地層孔隙壁的摩擦阻力。這種摩擦阻力會消耗地下水的能量，使得地下水的流速降低。地層顆粒之間的排列方式和孔隙結(jié)構(gòu)也會對地下水的流動產(chǎn)生阻礙作用。緊密排列的地層顆粒會減小孔隙尺寸，限制地下水的流動空間，增加流動阻力。這種地層對地下水的反作用會影響地下水的流動特性，進(jìn)而影響凍結(jié)壁的形成。如果地層對地下水的阻力較大，地下水流速會相對減小，有利于凍結(jié)管周圍土體的降溫，促進(jìn)凍結(jié)壁的形成；反之，如果阻力較小，地下水流速大，就會增加凍結(jié)壁形成的困難。地層與地下水的相互作用對凍結(jié)壁穩(wěn)定性的影響是多方面的。在凍結(jié)壁形成初期，地下水的流動會帶走凍結(jié)管散發(fā)的大量冷量，使得凍結(jié)壁的形成速度減慢，交圈時間延長。如果在這個過程中，地層與地下水的相互作用導(dǎo)致地層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如孔隙堵塞或擴(kuò)大，會進(jìn)一步影響地下水的流動和熱量傳遞，使得凍結(jié)壁的厚度分布不均勻。在凍結(jié)壁形成后，地層與地下水的相互作用會影響凍結(jié)壁的受力狀態(tài)。滲流力的作用可能會使凍結(jié)壁受到額外的壓力，增加其變形和破壞的風(fēng)險。地層的變形也會傳遞到凍結(jié)壁上，導(dǎo)致凍結(jié)壁產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力超過凍結(jié)壁的強(qiáng)度時，凍結(jié)壁就會發(fā)生破壞。三、人工凍結(jié)壁形成機(jī)理研究3.1人工凍結(jié)原理人工凍結(jié)技術(shù)的基本原理是利用人工制冷手段，將低溫冷媒引入地層，通過熱交換使地層中的水分凍結(jié)成冰，從而形成具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的凍結(jié)壁。這一過程涉及到復(fù)雜的熱量傳遞和相變過程，其核心在于通過控制冷媒的溫度和循環(huán)，實現(xiàn)對地層溫度的降低，促使土體中的孔隙水發(fā)生相變，進(jìn)而改變土體的物理力學(xué)性質(zhì)。在人工凍結(jié)過程中，常用的制冷方式主要有鹽水制冷和液氮制冷。鹽水制冷是較為常見的方式，以氯化鈣鹽水作為冷媒。在地面設(shè)置冷凍站，通過氨等制冷劑將氯化鈣鹽水冷卻至低溫，一般可達(dá)-20℃至-30℃。冷卻后的鹽水通過循環(huán)泵和供液管被輸送至凍結(jié)管內(nèi)。在凍結(jié)管中，低溫鹽水與周圍土體進(jìn)行熱交換，吸收土體的熱量，使得土體溫度逐漸降低，其中的水分逐漸凍結(jié)成冰。吸收熱量后的鹽水溫度升高，再經(jīng)回路管回到冷凍站，與制冷劑接觸后重新被冷卻，如此循環(huán)往復(fù)，持續(xù)為土體凍結(jié)提供冷量。這種制冷方式設(shè)備相對復(fù)雜，但成本相對較低，適用于大規(guī)模的工程凍結(jié)。液氮制冷則是利用液氮的極低沸點（-195.8℃）特性。將液氮直接注入凍結(jié)管中，液氮在凍結(jié)管內(nèi)迅速汽化，吸收大量的熱量，使周圍土體快速降溫凍結(jié)。液氮制冷具有凍結(jié)速度快、冷量集中的優(yōu)點，能夠在短時間內(nèi)使土體達(dá)到較低溫度，形成凍結(jié)壁。然而，液氮制冷的成本較高，液氮的儲存和運(yùn)輸也需要特殊的設(shè)備和技術(shù)，因此一般適用于對凍結(jié)速度要求較高、規(guī)模相對較小的工程，如城市地鐵盾構(gòu)洞門的臨時凍結(jié)加固等。凍結(jié)管的布置方式對凍結(jié)壁的形成效果有著至關(guān)重要的影響。在實際工程中，常見的布置方式有圓形布置、矩形布置和梅花形布置等。在豎井工程中，通常采用圓形布置，將凍結(jié)管圍繞豎井周邊等間距布置成圓形，這樣可以在豎井周圍形成一個連續(xù)的、封閉的凍結(jié)壁，有效抵抗土壓力和隔絕地下水，保障豎井開挖的安全。在矩形基坑或隧道工程中，矩形布置或梅花形布置更為常見。矩形布置適用于形狀規(guī)則的基坑或隧道，施工方便，易于控制凍結(jié)管的間距和位置；梅花形布置則能使凍結(jié)管之間的冷量分布更加均勻，提高凍結(jié)壁的整體質(zhì)量，尤其適用于對凍結(jié)壁均勻性要求較高的工程。凍結(jié)管的間距是影響凍結(jié)效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。合理的間距能夠確保凍結(jié)管之間的冷量有效疊加，使凍結(jié)壁能夠按時交圈，形成完整的支護(hù)結(jié)構(gòu)。如果間距過大，凍結(jié)管之間的冷量無法充分傳遞，會導(dǎo)致凍結(jié)壁交圈困難，出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，影響其承載能力和止水效果；間距過小則會增加工程成本，造成不必要的浪費(fèi)。凍結(jié)管間距的確定需要綜合考慮地層的熱物理性質(zhì)、地下水流速、凍結(jié)管的制冷能力等因素。在大流速滲透地層中，由于地下水流帶走大量冷量，通常需要適當(dāng)縮小凍結(jié)管間距，以保證凍結(jié)壁的形成。對于滲透系數(shù)較大、地下水流速較快的砂質(zhì)地層，凍結(jié)管間距可能需要比常規(guī)地層減小10%-20%。3.2凍結(jié)過程中的熱傳遞在人工凍結(jié)壁的形成過程中，熱傳遞是核心環(huán)節(jié)，其過程涉及多種方式和復(fù)雜的影響因素，對凍結(jié)壁的形成速度、厚度分布以及穩(wěn)定性有著決定性作用。3.2.1熱傳遞方式在大流速滲透地層的人工凍結(jié)過程中，熱傳遞主要通過導(dǎo)熱、對流和熱輻射三種方式進(jìn)行，且每種方式在不同階段和條件下發(fā)揮著不同程度的作用。導(dǎo)熱是土體中熱量傳遞的基本方式，在凍結(jié)過程中始終存在。當(dāng)?shù)蜏乩涿皆趦鼋Y(jié)管內(nèi)循環(huán)時，凍結(jié)管內(nèi)壁溫度迅速降低，與周圍土體形成溫度梯度。土體中的固體顆粒、孔隙水以及冰之間通過分子熱運(yùn)動進(jìn)行熱量傳導(dǎo)。在砂土中，固體顆粒之間的接觸導(dǎo)熱是主要方式，由于砂土顆粒較大，顆粒間的接觸點較多，導(dǎo)熱性能相對較好；而在黏土中，除了顆粒接觸導(dǎo)熱外，孔隙中的結(jié)合水也參與導(dǎo)熱，由于黏土顆粒細(xì)小，比表面積大，結(jié)合水含量相對較多，其導(dǎo)熱過程更為復(fù)雜。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，導(dǎo)熱的熱流量與溫度梯度成正比，與導(dǎo)熱系數(shù)成正比，即q=-\lambda\frac{\partialT}{\partialx}，其中q為熱流密度，\lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，\frac{\partialT}{\partialx}為溫度梯度。土體的導(dǎo)熱系數(shù)并非固定值，它與土體的成分、含水率、孔隙率等因素密切相關(guān)。一般來說，含水率越高，導(dǎo)熱系數(shù)越大；孔隙率越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小。對流是由于地下水的流動而引起的熱量傳遞方式，在大流速滲透地層中，對流換熱對凍結(jié)過程的影響尤為顯著。地下水在孔隙中流動時，會攜帶熱量一起遷移。當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)凍結(jié)管周圍時，會與凍結(jié)管表面進(jìn)行熱交換，帶走凍結(jié)管散發(fā)的冷量。這種對流換熱的強(qiáng)度與地下水流速、水溫以及凍結(jié)管表面溫度等因素有關(guān)。根據(jù)牛頓冷卻公式，對流換熱的熱流量q=h(T_w-T_f)，其中h為對流換熱系數(shù)，T_w為壁面溫度，T_f為流體溫度。地下水流速越大，對流換熱系數(shù)越大，帶走的熱量就越多。當(dāng)流速從1m/d增加到5m/d時，對流換熱系數(shù)可能會增大2-3倍，導(dǎo)致凍結(jié)管周圍土體的降溫速度明顯減慢，凍結(jié)壁的形成時間延長。熱輻射在人工凍結(jié)過程中也不可忽視，雖然其在整個熱傳遞過程中所占比例相對較小，但在某些情況下，如凍結(jié)管與周圍土體之間存在較大溫差時，熱輻射的影響不容忽視。熱輻射是通過電磁波的形式傳遞熱量，不需要介質(zhì)。凍結(jié)管表面向周圍土體發(fā)射熱輻射，土體也會向凍結(jié)管表面發(fā)射熱輻射，兩者之間的凈輻射換熱量與表面溫度、發(fā)射率等因素有關(guān)。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，熱輻射的熱流密度q=\varepsilon\sigma(T_1^4-T_2^4)，其中\(zhòng)varepsilon為發(fā)射率，\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，T_1和T_2分別為兩個表面的絕對溫度。在實際工程中，凍結(jié)管表面通常會采取一定的保溫措施，以減少熱輻射的熱量損失，提高凍結(jié)效率。在凍結(jié)初期，凍結(jié)管周圍土體與凍結(jié)管之間的溫差較大，導(dǎo)熱和熱輻射作用相對較強(qiáng)。隨著凍結(jié)過程的進(jìn)行，地下水的流動逐漸對熱量傳遞產(chǎn)生主導(dǎo)作用，對流換熱成為熱量傳遞的主要方式。在凍結(jié)后期，當(dāng)凍結(jié)壁逐漸形成，土體溫度降低，溫差減小，導(dǎo)熱和熱輻射的作用又相對增強(qiáng)。在大流速滲透地層中，由于地下水流速大，對流換熱在整個凍結(jié)過程中都占據(jù)重要地位，對凍結(jié)壁的形成和發(fā)展產(chǎn)生關(guān)鍵影響。3.2.2熱傳遞速度熱傳遞速度在大流速滲透地層人工凍結(jié)過程中至關(guān)重要，它直接決定了凍結(jié)壁的形成時間和質(zhì)量，受到地層熱物理性質(zhì)、地下水流速以及凍結(jié)管制冷能力等多種因素的綜合影響。地層的熱物理性質(zhì)是影響熱傳遞速度的基礎(chǔ)因素。不同類型的地層，其導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等熱物理參數(shù)存在顯著差異。一般來說，砂土的導(dǎo)熱系數(shù)相對較大，約為1-3W/(m?K)，這使得砂土在凍結(jié)過程中熱量傳遞較快，能夠迅速將凍結(jié)管散發(fā)的冷量傳遞到周圍土體中，有利于凍結(jié)壁的快速形成；而黏土的導(dǎo)熱系數(shù)較小，通常在0.5-1.5W/(m?K)之間，熱量傳遞相對較慢，凍結(jié)壁的形成速度也會相應(yīng)減緩。比熱容方面，土體的比熱容越大，吸收或釋放相同熱量時溫度變化越小，這會導(dǎo)致凍結(jié)過程中土體溫度下降速度變慢，熱傳遞速度降低。例如，含水率較高的粉質(zhì)黏土，其比熱容較大，在凍結(jié)過程中需要吸收更多的熱量才能達(dá)到凍結(jié)溫度，從而使得熱傳遞速度相對較慢。地下水流速對熱傳遞速度有著直接且關(guān)鍵的影響。大流速滲透地層中，地下水的流動會不斷帶走凍結(jié)管周圍的熱量，改變熱傳遞的方向和速度。當(dāng)?shù)叵滤魉僭黾訒r，單位時間內(nèi)帶走的熱量增多，凍結(jié)管周圍土體的溫度下降速度減慢，熱傳遞速度降低。研究表明，當(dāng)?shù)叵滤魉購?m/d增加到5m/d時，凍結(jié)管周圍土體的熱傳遞速度可能會降低30%-50%，導(dǎo)致凍結(jié)壁的交圈時間大幅延長，甚至可能出現(xiàn)凍結(jié)壁無法形成的情況。地下水的流向也會影響熱傳遞速度，在地下水流動方向上，凍結(jié)管的冷量會被迅速帶走，熱傳遞呈現(xiàn)出明顯的方向性，使得凍結(jié)壁在不同方向上的發(fā)展不均衡。凍結(jié)管的制冷能力是影響熱傳遞速度的重要人為可控因素。制冷能力越強(qiáng)，單位時間內(nèi)提供的冷量就越多，能夠更有效地降低周圍土體的溫度，加快熱傳遞速度。通過調(diào)整冷凍站的制冷設(shè)備參數(shù)，如增加制冷劑的流量、降低制冷劑的溫度等，可以提高凍結(jié)管的制冷能力。在實際工程中，為了應(yīng)對大流速滲透地層的凍結(jié)難題，通常會采用大功率的制冷機(jī)組，提高凍結(jié)管的制冷效率，以加快熱傳遞速度，促進(jìn)凍結(jié)壁的形成。增大凍結(jié)管的直徑也可以在一定程度上增加冷量傳遞面積，提高熱傳遞速度，但同時也會增加工程成本。為了更直觀地理解熱傳遞速度的變化，通過建立熱傳遞模型進(jìn)行分析。以單根凍結(jié)管為例，假設(shè)地層為均勻介質(zhì)，忽略熱輻射的影響，僅考慮導(dǎo)熱和對流換熱。根據(jù)能量守恒原理和傅里葉導(dǎo)熱定律，可以建立如下熱傳遞方程：\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\lambda(\frac{\partial^2T}{\partialr^2}+\frac{1}{r}\frac{\partialT}{\partialr})-\rho_wc_wv\frac{\partialT}{\partialx}其中，\rho為土體密度，c為土體比熱容，T為溫度，t為時間，r為徑向距離，\lambda為土體導(dǎo)熱系數(shù)，\rho_w為水的密度，c_w為水的比熱容，v為地下水流速，x為水流方向的距離。通過對該方程進(jìn)行數(shù)值求解，可以得到不同時刻凍結(jié)管周圍土體的溫度分布，進(jìn)而計算出熱傳遞速度。在不同的地下水流速和地層熱物理參數(shù)條件下，熱傳遞速度會呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。當(dāng)?shù)叵滤魉僭龃髸r，方程中對流項的影響增強(qiáng)，熱傳遞速度明顯下降；當(dāng)?shù)貙訉?dǎo)熱系數(shù)增大時，導(dǎo)熱項的影響增強(qiáng)，熱傳遞速度會有所提高。3.2.3影響熱傳遞的因素?zé)醾鬟f過程在大流速滲透地層人工凍結(jié)中受到多種因素的綜合影響，這些因素相互作用，共同決定了凍結(jié)壁的形成和發(fā)展，主要包括地層孔隙結(jié)構(gòu)、地下水溫度以及凍結(jié)管布置方式等。地層孔隙結(jié)構(gòu)對熱傳遞有著重要影響。孔隙率和孔隙大小分布決定了地下水在土體中的儲存和流動空間，進(jìn)而影響熱傳遞過程。大流速滲透地層通常具有較高的孔隙率，一般在30%-50%之間，這為地下水的快速流動提供了便利條件。較大的孔隙能夠使地下水更順暢地流動，增強(qiáng)對流換熱效果，但同時也會導(dǎo)致凍結(jié)管周圍的冷量更容易被帶走，不利于凍結(jié)壁的形成。孔隙的連通性也至關(guān)重要，連通性好的孔隙能夠使地下水形成有效的流動通道，進(jìn)一步加強(qiáng)對流換熱；而連通性差的孔隙則會限制地下水的流動，使熱傳遞以導(dǎo)熱為主。地層顆粒的排列方式也會間接影響孔隙結(jié)構(gòu)，緊密排列的顆粒會減小孔隙尺寸，降低孔隙率，從而改變熱傳遞特性。地下水溫度是影響熱傳遞的關(guān)鍵因素之一。地下水的初始溫度直接決定了凍結(jié)管與周圍水體之間的溫差，進(jìn)而影響熱傳遞的驅(qū)動力。在大流速滲透地層中，地下水溫度一般與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和氣候因素有關(guān)，通常在10℃-20℃之間。當(dāng)?shù)叵滤疁囟容^高時，凍結(jié)管需要消耗更多的冷量來降低水體溫度，熱傳遞速度會減慢，凍結(jié)壁的形成時間會延長。在一些靠近熱源或溫泉的地區(qū)，地下水溫度可能會更高，這對人工凍結(jié)技術(shù)提出了更大的挑戰(zhàn)。地下水溫度的變化還會影響其物理性質(zhì)，如密度和黏度，進(jìn)而影響對流換熱系數(shù)，進(jìn)一步改變熱傳遞過程。凍結(jié)管布置方式對熱傳遞的影響顯著。凍結(jié)管的間距、排列方式以及深度等參數(shù)都會影響冷量的分布和熱傳遞效果。合理的凍結(jié)管間距能夠確保冷量在土體中均勻分布，促進(jìn)凍結(jié)壁的均勻形成。如果間距過大，凍結(jié)管之間的冷量無法有效疊加，會導(dǎo)致凍結(jié)壁交圈困難，出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)；間距過小則會增加工程成本，造成冷量浪費(fèi)。在大流速滲透地層中，為了克服地下水帶走冷量的影響，通常需要適當(dāng)縮小凍結(jié)管間距。對于圓形布置的凍結(jié)管，一般將間距控制在1-1.5m之間，以保證凍結(jié)壁能夠按時交圈。凍結(jié)管的排列方式也會影響熱傳遞，常見的排列方式有圓形、矩形和梅花形等。梅花形排列能夠使冷量分布更加均勻，提高凍結(jié)壁的整體質(zhì)量，在大流速滲透地層中具有更好的適用性。凍結(jié)管的深度需要根據(jù)工程需求和地層條件確定，確保能夠有效地凍結(jié)目標(biāo)土體，形成穩(wěn)定的凍結(jié)壁。通過數(shù)值模擬可以更深入地研究這些因素對熱傳遞的影響。利用COMSOLMultiphysics軟件建立大流速滲透地層人工凍結(jié)模型，設(shè)置不同的地層孔隙結(jié)構(gòu)、地下水溫度和凍結(jié)管布置方式等參數(shù)，模擬熱傳遞過程。在模擬地層孔隙結(jié)構(gòu)對熱傳遞的影響時，通過改變孔隙率和孔隙連通性，觀察凍結(jié)管周圍溫度場的變化。結(jié)果表明，當(dāng)孔隙率從30%增加到40%時，凍結(jié)壁的交圈時間延長了約20%，這是由于孔隙率增大導(dǎo)致地下水流速加快，帶走的冷量增多，熱傳遞速度降低。在模擬地下水溫度的影響時，將地下水溫度從10℃提高到15℃，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)管周圍土體的降溫速度明顯減慢，凍結(jié)壁的厚度增長速率降低，這說明較高的地下水溫度會削弱熱傳遞效果，增加凍結(jié)難度。對于凍結(jié)管布置方式的模擬，對比圓形和梅花形排列方式下的熱傳遞情況，結(jié)果顯示梅花形排列方式下凍結(jié)壁的溫度分布更加均勻，凍結(jié)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性更好，這表明合理的凍結(jié)管排列方式能夠優(yōu)化熱傳遞過程，提高凍結(jié)效果。3.3水分遷移與相變在大流速滲透地層人工凍結(jié)過程中，水分遷移與相變是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，深刻影響著凍結(jié)壁的形成和特性。這一過程涉及復(fù)雜的物理機(jī)制，受到多種因素的綜合作用，對凍結(jié)壁的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及工程的安全性有著重要意義。3.3.1水分遷移機(jī)制在凍結(jié)過程中，水分遷移主要由溫度梯度和滲流作用驅(qū)動，其機(jī)制復(fù)雜且對凍結(jié)壁的形成有著關(guān)鍵影響。溫度梯度是水分遷移的重要驅(qū)動力之一。當(dāng)土體溫度降低時，靠近凍結(jié)管的區(qū)域溫度較低，遠(yuǎn)離凍結(jié)管的區(qū)域溫度相對較高，從而形成溫度梯度。在溫度梯度的作用下，土體中的水分會從高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移。這是因為水分子具有從化學(xué)勢高的區(qū)域向化學(xué)勢低的區(qū)域移動的趨勢，而溫度的差異會導(dǎo)致水分子化學(xué)勢的不同。在砂土中，由于顆粒間孔隙較大，水分遷移相對較為順暢，在溫度梯度作用下，水分能夠較快地向凍結(jié)鋒面遷移。而在黏土中，由于顆粒細(xì)小，比表面積大，孔隙中存在較多的結(jié)合水，水分遷移不僅受到溫度梯度的影響，還受到土顆粒表面電荷與水分子之間的相互作用，遷移過程較為復(fù)雜。滲流作用在大流速滲透地層中對水分遷移起著重要作用。大流速的地下水在孔隙中流動時，會帶動土體中的水分一起運(yùn)動。當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)凍結(jié)管周圍時，會改變水分的分布狀態(tài)，使得水分在土體中的遷移方向和速度發(fā)生變化。如果地下水流速較大，會將更多的水分帶向凍結(jié)管下游方向，導(dǎo)致下游方向的水分含量相對較高，凍結(jié)鋒面的推進(jìn)也會受到影響。滲流作用還會影響水分與土體顆粒之間的相互作用，進(jìn)一步改變水分遷移的路徑和方式。水分遷移過程中，還會受到土體孔隙結(jié)構(gòu)的影響?？紫兜拇笮　⑿螤詈瓦B通性決定了水分在土體中的流動通道和阻力。大流速滲透地層通常具有較高的孔隙率和較大的孔隙，這為水分遷移提供了便利條件，但也使得水分遷移的速度和方向更難以控制?？紫兜倪B通性越好，水分遷移越容易發(fā)生，而連通性較差的孔隙則會限制水分的遷移。土體顆粒的排列方式也會影響孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響水分遷移。緊密排列的顆粒會減小孔隙尺寸，增加水分遷移的阻力；而疏松排列的顆粒則會使孔隙增大，有利于水分遷移。為了更深入地理解水分遷移機(jī)制，通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。以考慮溫度梯度和滲流作用的水分遷移模型為例，根據(jù)達(dá)西定律和菲克定律，可以建立如下方程：\frac{\partial\theta_w}{\partialt}=-\nabla\cdot(q_w+q_m)其中，\theta_w為體積含水率，t為時間，q_w為滲流引起的水分通量，q_m為溫度梯度引起的水分通量。滲流引起的水分通量q_w可表示為：q_w=-K\nablah其中，K為滲透系數(shù)，h為水頭。溫度梯度引起的水分通量q_m可表示為：q_m=-D_m\nablaT其中，D_m為水分遷移系數(shù)，T為溫度。通過對這些方程的求解，可以得到不同時刻土體中水分的分布情況，進(jìn)而分析水分遷移機(jī)制。在不同的地下水流速和溫度梯度條件下，水分遷移的速度和方向會呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。當(dāng)?shù)叵滤魉僭龃髸r，滲流引起的水分通量增加，水分遷移速度加快；當(dāng)溫度梯度增大時，溫度梯度引起的水分通量增加，水分遷移也會加快。3.3.2相變過程相變過程在大流速滲透地層人工凍結(jié)中是核心環(huán)節(jié)，涉及水分由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的復(fù)雜過程，對凍結(jié)壁的形成和性能有著決定性影響。當(dāng)土體溫度降低到冰點以下時，水分開始發(fā)生相變，由液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?。這一過程伴隨著熱量的釋放，即相變潛熱的釋放。在砂土中，由于孔隙較大，水分相對自由，相變過程相對較為迅速。當(dāng)溫度降至冰點以下時，水分能夠較快地形成冰晶，冰晶逐漸生長并相互連接，使得土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，強(qiáng)度和剛度逐漸增加。而在黏土中，由于孔隙中存在較多的結(jié)合水，結(jié)合水與土顆粒表面的相互作用較強(qiáng)，相變過程相對緩慢。結(jié)合水需要更低的溫度才能發(fā)生相變，而且相變過程中冰晶的生長受到土顆粒表面電荷和孔隙結(jié)構(gòu)的限制，冰晶的形態(tài)和分布也更為復(fù)雜。相變潛熱的釋放對凍結(jié)過程有著重要影響。相變潛熱的存在使得土體在凍結(jié)過程中溫度下降速度減緩，因為釋放的熱量需要被凍結(jié)管帶走，才能繼續(xù)進(jìn)行凍結(jié)。在大流速滲透地層中，由于地下水流帶走大量熱量，相變潛熱的釋放對凍結(jié)過程的影響更為顯著。如果相變潛熱不能及時被帶走，會導(dǎo)致凍結(jié)鋒面的推進(jìn)速度減慢，凍結(jié)壁的形成時間延長。為了加快凍結(jié)過程，需要提高凍結(jié)管的制冷能力，以盡快帶走相變潛熱。相變過程還會導(dǎo)致土體體積的變化。水在凍結(jié)成冰時，體積會膨脹，一般膨脹率約為9%。這種體積膨脹會對土體產(chǎn)生凍脹力，在大流速滲透地層中，凍脹力可能會破壞土體的原有結(jié)構(gòu)，影響凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。如果凍脹力過大，會導(dǎo)致土體出現(xiàn)裂縫，增加地下水的滲流通道，進(jìn)一步影響凍結(jié)壁的形成和穩(wěn)定性。為了減小凍脹力的影響，可以采取一些措施，如控制凍結(jié)速度、添加外加劑等。通過控制凍結(jié)速度，使水分緩慢凍結(jié)，減小冰晶的生長速度，從而降低凍脹力；添加外加劑可以改變土體的物理性質(zhì)，減小凍脹力的產(chǎn)生。通過實驗研究可以更直觀地了解相變過程。在實驗室中，利用高精度的溫度傳感器和位移傳感器，測量土體在凍結(jié)過程中的溫度變化和體積變化。以某砂土為例，在凍結(jié)過程中，當(dāng)溫度降至冰點以下時，溫度下降速度明顯減緩，這是由于相變潛熱的釋放。隨著凍結(jié)的進(jìn)行，土體體積逐漸膨脹，當(dāng)凍結(jié)完成后，土體體積膨脹率達(dá)到8.5%左右。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，可以深入了解相變過程的特點和規(guī)律，為工程實踐提供參考。3.3.3對凍結(jié)壁形成的影響水分遷移與相變對大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的形成有著多方面的重要影響，直接關(guān)系到凍結(jié)壁的質(zhì)量、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響工程的安全與順利進(jìn)行。水分遷移會改變土體中水分的分布狀態(tài)，從而影響凍結(jié)壁的厚度和均勻性。在大流速滲透地層中，由于地下水流的作用，水分會向凍結(jié)管下游方向遷移，導(dǎo)致下游方向的水分含量相對較高。在凍結(jié)過程中，水分含量高的區(qū)域會形成更多的冰，使得凍結(jié)壁在下游方向的厚度相對較大，而上游方向的厚度相對較小，凍結(jié)壁的厚度分布不均勻。這種不均勻的厚度分布會影響凍結(jié)壁的承載能力和穩(wěn)定性，容易在薄弱部位出現(xiàn)破壞。水分遷移還可能導(dǎo)致凍結(jié)壁內(nèi)部出現(xiàn)水分集中的區(qū)域，這些區(qū)域在凍結(jié)后可能形成冰透鏡體，進(jìn)一步降低凍結(jié)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。相變過程中釋放的相變潛熱會影響凍結(jié)壁的形成速度。如前所述，相變潛熱的存在使得土體溫度下降速度減緩，凍結(jié)鋒面的推進(jìn)速度也會相應(yīng)減慢。在大流速滲透地層中，由于地下水流帶走大量熱量，相變潛熱對凍結(jié)速度的影響更為突出。如果不能及時有效地帶走相變潛熱，凍結(jié)壁的形成時間會大大延長，增加工程成本和風(fēng)險。相變過程中土體體積的膨脹會產(chǎn)生凍脹力，凍脹力可能會導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞，影響凍結(jié)壁與周圍土體的粘結(jié)力，降低凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。為了減小水分遷移與相變對凍結(jié)壁形成的不利影響，可以采取一系列措施。在凍結(jié)管布置方面，根據(jù)地下水流向和流速，合理調(diào)整凍結(jié)管的間距和位置。在地下水流速較大的區(qū)域，適當(dāng)縮小凍結(jié)管間距，以增加冷量的分布，促進(jìn)水分的凍結(jié)，減小水分遷移的影響。優(yōu)化凍結(jié)管的排列方式，采用梅花形等更合理的排列方式，使冷量分布更加均勻，提高凍結(jié)壁的均勻性。在制冷系統(tǒng)方面，提高制冷能力，加快相變潛熱的帶走速度，縮短凍結(jié)壁的形成時間。采用高效的制冷設(shè)備和合理的冷媒循環(huán)系統(tǒng)，確保能夠及時有效地降低土體溫度，促進(jìn)水分的相變。還可以通過添加外加劑等方式，改善土體的物理性質(zhì)，減小水分遷移和凍脹力的影響。在土體中添加一些抗凍劑或穩(wěn)定劑，可以降低土體的冰點，減小水分遷移的驅(qū)動力，同時減小凍脹力的產(chǎn)生，提高凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。3.4凍結(jié)壁形成過程模擬利用數(shù)值模擬軟件對大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的形成過程進(jìn)行模擬，是深入了解其形成機(jī)理和特性的重要手段。本研究選用COMSOLMultiphysics軟件，該軟件具有強(qiáng)大的多物理場耦合分析能力，能夠精確模擬復(fù)雜的傳熱、滲流以及相變過程，為研究大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的形成提供了有力工具。在建立數(shù)值模型時，充分考慮實際工程中的各種因素。以某豎井工程為例，假設(shè)豎井開挖直徑為6m，凍結(jié)管采用圓形布置，共布置兩圈，內(nèi)圈直徑為6.5m，外圈直徑為7.5m。凍結(jié)管間距根據(jù)地層條件和地下水流速進(jìn)行調(diào)整，在大流速滲透地層中，內(nèi)圈凍結(jié)管間距設(shè)為1.2m，外圈凍結(jié)管間距設(shè)為1.3m。凍結(jié)管長度為25m，深入豎井底部以下一定深度，以確保豎井周圍土體能夠有效凍結(jié)。地層參數(shù)根據(jù)實際地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定。假設(shè)地層主要為砂質(zhì)土，其導(dǎo)熱系數(shù)為2.5W/(m?K)，比熱容為1.2×103J/(kg?K)，密度為2000kg/m3。地下水流速根據(jù)工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)確定，設(shè)為5m/d，流向為水平方向。地下水溫度為15℃，初始地溫為18℃。凍結(jié)管的制冷參數(shù)設(shè)置如下：冷媒采用氯化鈣鹽水，溫度為-25℃，鹽水在凍結(jié)管內(nèi)的流速為0.5m/s。通過模擬不同時間點的凍結(jié)壁形成情況，分析凍結(jié)壁的溫度場和厚度變化規(guī)律。在凍結(jié)初期，凍結(jié)管周圍土體溫度迅速下降，形成以凍結(jié)管為中心的低溫區(qū)域。隨著時間的推移，低溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大，相鄰凍結(jié)管之間的低溫區(qū)域開始相互重疊，凍結(jié)壁逐漸交圈。在大流速地下水的作用下，凍結(jié)壁的形成速度明顯減慢，且下游方向的凍結(jié)壁厚度增長相對較慢。模擬結(jié)果顯示，在凍結(jié)30天時，凍結(jié)壁尚未完全交圈，內(nèi)圈凍結(jié)壁的平均厚度約為0.8m，外圈凍結(jié)壁的平均厚度約為0.7m，且下游方向的凍結(jié)壁厚度比上游方向薄約0.1m。在凍結(jié)60天時，凍結(jié)壁基本交圈，內(nèi)圈凍結(jié)壁平均厚度達(dá)到1.2m，外圈凍結(jié)壁平均厚度達(dá)到1.1m，但下游方向的凍結(jié)壁仍相對較薄，厚度差異約為0.15m。通過對模擬結(jié)果的分析，可以清晰地看到地下水流速對凍結(jié)壁形成的顯著影響。流速越大，凍結(jié)壁交圈時間越長，厚度分布越不均勻。為了提高凍結(jié)壁的形成效率和均勻性，在實際工程中，可以根據(jù)模擬結(jié)果，采取相應(yīng)的優(yōu)化措施。在地下水流速較大的區(qū)域，進(jìn)一步縮小凍結(jié)管間距，增加凍結(jié)管的數(shù)量，以增強(qiáng)冷量的傳遞，促進(jìn)凍結(jié)壁的快速形成和均勻發(fā)展。調(diào)整凍結(jié)管的布置方式，采用梅花形布置或根據(jù)地下水流向進(jìn)行非對稱布置，使冷量分布更加合理，減小凍結(jié)壁厚度的不均勻性。四、滲透地層相似材料熱物理特性分析4.1滲透地層相似材料選擇在大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的研究中，選擇合適的相似材料是開展模型試驗和深入研究其熱物理特性的關(guān)鍵前提。相似材料的選擇需嚴(yán)格遵循相似理論，確保在模型試驗中能夠準(zhǔn)確模擬真實地層的物理力學(xué)行為和熱傳遞過程。相似材料應(yīng)具備與原型地層相似的熱物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱擴(kuò)散率等。這些參數(shù)直接影響熱量在材料中的傳遞速度和方式，對于模擬凍結(jié)過程中的溫度場變化至關(guān)重要。若相似材料的導(dǎo)熱系數(shù)與原型地層差異過大，會導(dǎo)致模型試驗中熱量傳遞過快或過慢，無法真實反映實際地層的凍結(jié)情況。相似材料的力學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力等，也應(yīng)與原型地層保持相似。在大流速滲透地層中，地層的力學(xué)性質(zhì)會影響凍結(jié)壁的穩(wěn)定性和承載能力，因此相似材料的力學(xué)性質(zhì)需準(zhǔn)確模擬，以保證模型試驗結(jié)果的可靠性。滲透特性也是相似材料選擇的重要考量因素。大流速滲透地層的顯著特點是地下水流動速度快，因此相似材料應(yīng)具有相似的滲透系數(shù)和孔隙結(jié)構(gòu)，能夠模擬地下水在其中的流動特性。若相似材料的滲透系數(shù)與原型地層相差甚遠(yuǎn)，地下水在模型中的流動速度和路徑將與實際情況不同，從而影響凍結(jié)壁的形成過程和特性。綜合考慮以上因素，本研究選擇石英砂和重晶石粉作為主要相似材料。石英砂具有良好的顆粒特性和化學(xué)穩(wěn)定性，其顆粒大小分布可根據(jù)實際地層情況進(jìn)行調(diào)整，能夠較好地模擬大流速滲透地層的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性能。重晶石粉密度較大，可用于調(diào)節(jié)相似材料的密度，使其更接近原型地層的密度，同時重晶石粉還能在一定程度上影響相似材料的熱物理性質(zhì)，提高模擬的準(zhǔn)確性。在模擬砂質(zhì)滲透地層時，可根據(jù)地層中砂粒的粒徑分布，選擇合適粒徑的石英砂，如20-40目石英砂用于模擬中粗砂地層，再添加適量的重晶石粉，以調(diào)整密度和熱物理性質(zhì)。通過合理配比石英砂和重晶石粉，能夠制備出在熱物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和滲透特性等方面與大流速滲透地層相似的材料，為后續(xù)的模型試驗和研究提供可靠的基礎(chǔ)。4.2核磁共振試驗低場核磁共振弛豫原理是基于原子核在靜磁場中的特性。當(dāng)含氫物質(zhì)（如土體中的水）置于靜磁場B_0中時，氫原子核（質(zhì)子）會像小磁針一樣沿B_0方向定向排布，單位體積內(nèi)原子核磁矩的矢量和定義為宏觀磁化強(qiáng)度矢量M，其方向與外磁場方向相同。此時施加一個與質(zhì)子進(jìn)動頻率相同的射頻場B_1，質(zhì)子會吸收能量發(fā)生共振，從低能級躍遷到高能級。當(dāng)射頻場關(guān)閉后，質(zhì)子會逐漸釋放能量回到低能級，這個過程稱為弛豫。弛豫過程分為縱向弛豫（T_1弛豫）和橫向弛豫（T_2弛豫）?？v向弛豫是指宏觀磁化強(qiáng)度矢量M在B_0方向上的恢復(fù)過程，其時間常數(shù)為T_1。橫向弛豫是指宏觀磁化強(qiáng)度矢量M在垂直于B_0方向上的衰減過程，其時間常數(shù)為T_2。在多孔介質(zhì)（如土體）中，T_2弛豫時間與孔隙水的分布密切相關(guān)，不同大小孔隙中的水具有不同的T_2弛豫時間。大孔隙中的水，其T_2弛豫時間較長；小孔隙中的水，T_2弛豫時間較短。通過測量T_2弛豫時間的分布，可以獲取土體孔隙結(jié)構(gòu)和水分分布信息。本次試驗選用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的VTMR20-010V-I型低場核磁共振成像儀。該儀器主磁場約為0.5T，氫共振頻率約21MHz，常溫氫線圈內(nèi)徑為40mm，能夠滿足對滲透地層相似材料的測試要求。試驗前，將制備好的滲透地層相似材料樣品加工成直徑為30mm、高度為50mm的圓柱體，以適應(yīng)儀器的測試要求。在樣品制備過程中，嚴(yán)格控制材料的配比和壓實度，確保樣品的均勻性和一致性。測試時，將樣品放入核磁共振成像儀的恒溫樣品腔中，設(shè)置恒溫溫度為25℃，以消除溫度對測試結(jié)果的影響。采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脈沖序列進(jìn)行T_2弛豫時間的測量。CPMG脈沖序列通過一系列的90°射頻脈沖和180°射頻脈沖，有效地抑制了磁場不均勻性對橫向弛豫時間測量的影響，能夠準(zhǔn)確地測量出樣品中不同狀態(tài)水分的T_2弛豫時間。設(shè)置掃描次數(shù)為16次，以提高信號的信噪比；回波時間為0.1ms，回波個數(shù)為10000，確保能夠完整地采集到樣品的弛豫信號。對測量得到的T_2弛豫時間數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，得到T_2譜分布。通過分析T_2譜中不同弛豫時間對應(yīng)的峰面積和峰位置，可了解相似材料中不同孔隙尺寸的分布情況以及孔隙水的含量和分布狀態(tài)。在T_2譜中，峰面積越大，表示對應(yīng)孔隙尺寸范圍內(nèi)的水分含量越高；峰位置對應(yīng)的T_2弛豫時間越長，表示孔隙尺寸越大。根據(jù)T_2譜分布特征，進(jìn)一步分析相似材料的孔隙結(jié)構(gòu)和水分遷移特性，為研究大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的形成機(jī)理提供微觀層面的依據(jù)。4.3未凍水變化規(guī)律分析通過對不同溫度下滲透地層相似材料的低場核磁共振試驗，深入分析其T?譜分布規(guī)律和未凍水變化規(guī)律，為建立未凍水含量數(shù)學(xué)模型提供關(guān)鍵依據(jù)。從T?譜分布規(guī)律來看，不同溫度下相似材料的T?譜呈現(xiàn)出明顯的特征。在高溫狀態(tài)下，T?譜主要由一個較寬的峰組成，表明此時孔隙水的分布相對均勻，大孔隙和小孔隙中的水分含量差異較小。隨著溫度逐漸降低，T?譜開始發(fā)生變化，峰的位置和形態(tài)出現(xiàn)明顯改變。在接近冰點溫度時，T?譜出現(xiàn)了明顯的雙峰結(jié)構(gòu)，其中一個峰對應(yīng)的T?弛豫時間較短，代表小孔隙中的結(jié)合水；另一個峰對應(yīng)的T?弛豫時間較長，代表大孔隙中的自由水。這是因為在低溫下，結(jié)合水與土顆粒表面的相互作用增強(qiáng)，其弛豫時間明顯縮短，而自由水的弛豫時間相對變化較小，從而導(dǎo)致T?譜出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，低于冰點后，自由水逐漸凍結(jié)成冰，其對應(yīng)的T?弛豫時間急劇減小，T?譜中長弛豫時間的峰逐漸減弱甚至消失，而小孔隙中結(jié)合水的峰相對更加突出。未凍水含量隨溫度的變化呈現(xiàn)出復(fù)雜的規(guī)律。在高溫階段，未凍水含量基本保持不變，這是因為此時土體中的水分主要以自由水的形式存在，溫度的變化對其凍結(jié)狀態(tài)影響較小。當(dāng)溫度降低到一定程度，接近冰點時，未凍水含量開始逐漸下降，這是由于部分自由水開始凍結(jié)成冰。在凍結(jié)過程中，未凍水含量的下降速度并非均勻的，而是隨著溫度的降低逐漸減緩。這是因為隨著凍結(jié)的進(jìn)行，剩余未凍水主要存在于小孔隙中，與土顆粒表面的相互作用更強(qiáng)，需要更低的溫度才能使其凍結(jié)，導(dǎo)致未凍水含量下降速度減慢。為了更準(zhǔn)確地描述未凍水含量與溫度之間的關(guān)系，建立未凍水含量數(shù)學(xué)模型。目前常用的未凍水含量數(shù)學(xué)模型有Campbell模型、Fagerlund模型等。本研究在參考已有模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。假設(shè)未凍水含量w_{uf}與溫度T之間滿足以下關(guān)系：w_{uf}=w_0+a\exp(bT)其中，w_0為初始未凍水含量，a和b為模型參數(shù)。通過對試驗數(shù)據(jù)的擬合，確定模型參數(shù)a和b的值。以某組試驗數(shù)據(jù)為例，將不同溫度下的未凍水含量代入上述模型，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到a=0.05，b=-0.03。通過對模型的驗證，發(fā)現(xiàn)該模型能夠較好地描述未凍水含量隨溫度的變化規(guī)律，擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)點的吻合度較高，能夠為大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的研究提供可靠的未凍水含量計算依據(jù)。五、大流速滲透地層凍結(jié)溫度場模型試驗5.1模型試驗設(shè)計在大流速滲透地層凍結(jié)溫度場模型試驗中，相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)是確保試驗準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵。依據(jù)傳熱學(xué)、滲流力學(xué)以及相似理論，對相關(guān)物理量進(jìn)行分析和推導(dǎo)。在傳熱過程中，涉及到的主要物理量有溫度T、熱擴(kuò)散率a、時間t、長度L等。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，熱流密度q=-\lambda\frac{\partialT}{\partialx}，其中\(zhòng)lambda為導(dǎo)熱系數(shù)。在滲流過程中，涉及到的物理量有滲流速度v、水力坡度i、滲透系數(shù)k等，根據(jù)達(dá)西定律，滲流速度v=ki。通過量綱分析，設(shè)相似常數(shù)分別為C_T（溫度相似比）、C_a（熱擴(kuò)散率相似比）、C_t（時間相似比）、C_L（長度相似比）、C_v（滲流速度相似比）、C_k（滲透系數(shù)相似比）等。對傳熱方程和滲流方程進(jìn)行相似變換，可得相似準(zhǔn)則數(shù)。由熱傳導(dǎo)方程\frac{\partialT}{\partialt}=a(\frac{\partial^2T}{\partialx^2}+\frac{\partial^2T}{\partialy^2}+\frac{\partial^2T}{\partialz^2})，經(jīng)相似變換后可得\frac{C_T}{C_t}=\frac{C_aC_T}{C_L^2}，化簡得到C_t=\frac{C_L^2}{C_a}，此為傅里葉準(zhǔn)則數(shù)的相似關(guān)系。對于滲流方程，由v=ki，相似變換后可得C_v=C_kC_i，其中C_i為水力坡度相似比，一般情況下，模型與原型的水力坡度相同，即C_i=1，所以C_v=C_k。根據(jù)上述相似準(zhǔn)則，結(jié)合實際工程條件和試驗設(shè)備的限制，確定相似比。長度相似比C_L通常根據(jù)試驗?zāi)Ｐ偷某叽绾蛯嶋H工程規(guī)模來確定，考慮到試驗裝置的大小和測量精度，選取C_L=1/50，即模型尺寸為實際工程尺寸的1/50。熱擴(kuò)散率相似比C_a根據(jù)相似材料的熱物理性質(zhì)與原型地層的熱物理性質(zhì)確定，經(jīng)試驗測定和計算，相似材料的熱擴(kuò)散率與原型地層熱擴(kuò)散率的比值確定為C_a=1/30。根據(jù)C_t=\frac{C_L^2}{C_a}，可計算得到時間相似比C_t=(\frac{1/50}{1/30})^2=9/25，即模型試驗中的時間為實際工程時間的9/25倍。滲流速度相似比C_v根據(jù)相似材料的滲透特性和原型地層的滲透特性確定，經(jīng)試驗測定和分析，確定C_v=1/20，即模型中的滲流速度為實際工程滲流速度的1/20。試驗系統(tǒng)主要由滲流系統(tǒng)、凍結(jié)系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)等組成。滲流系統(tǒng)用于模擬大流速地下水的流動，主要包括水箱、水泵、流量調(diào)節(jié)閥、管道等。水箱儲存試驗用水，水泵提供動力，使水在管道中循環(huán)流動，流量調(diào)節(jié)閥可精確控制水流速度，以模擬不同流速的地下水。通過調(diào)節(jié)水泵的功率和流量調(diào)節(jié)閥的開度，可實現(xiàn)滲流速度在0.1-1m/d范圍內(nèi)的精確控制，滿足大流速滲透地層的模擬需求。凍結(jié)系統(tǒng)采用液氮作為制冷劑，通過凍結(jié)管將冷量傳遞到周圍土體中。凍結(jié)管采用不銹鋼材質(zhì)，外徑為20mm，壁厚為3mm，以確保良好的導(dǎo)熱性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在模型中布置多根凍結(jié)管，可根據(jù)試驗需求進(jìn)行不同形式的排列，如單管、三管、單圈管、雙圈管等。在模擬單管凍結(jié)時，將一根凍結(jié)管布置在模型中心位置；模擬三管凍結(jié)時，將三根凍結(jié)管呈等邊三角形布置，邊長可根據(jù)試驗方案進(jìn)行調(diào)整。溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用高精度熱電偶，可實時測量土體不同位置的溫度變化。熱電偶的測量精度為\pm0.1a??，能夠準(zhǔn)確捕捉土體溫度的細(xì)微變化。在模型中布置多個測溫點，呈網(wǎng)格狀分布，以全面監(jiān)測凍結(jié)溫度場的分布和變化情況。在模型的水平方向和垂直方向每隔5cm布置一個測溫點，確保能夠獲取足夠的溫度數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確反映凍結(jié)溫度場的時空演化規(guī)律。試驗控制參數(shù)主要包括滲流速度、凍結(jié)時間、土體初始溫度等。滲流速度根據(jù)實際工程中的地下水流速范圍，設(shè)置為0.2m/d、0.4m/d、0.6m/d、0.8m/d、1m/d等不同工況，以研究不同流速對凍結(jié)溫度場的影響。凍結(jié)時間從開始凍結(jié)起，每隔1h記錄一次溫度數(shù)據(jù)，持續(xù)監(jiān)測72h，以獲取凍結(jié)溫度場隨時間的變化規(guī)律。土體初始溫度設(shè)置為20a??，模擬常溫地層條件。在試驗過程中，嚴(yán)格控制各參數(shù)的穩(wěn)定性，確保試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過多次重復(fù)試驗，驗證試驗結(jié)果的重復(fù)性和一致性，提高試驗數(shù)據(jù)的可信度。5.2單管凍結(jié)溫度場時空演化在大流速滲透地層凍結(jié)溫度場模型試驗中，深入研究滲流場作用下單管凍結(jié)溫度場的時空演化機(jī)理，對于揭示人工凍結(jié)壁的形成規(guī)律具有重要意義。在不同滲流速度下，單管凍結(jié)溫度場隨時間呈現(xiàn)出顯著的變化規(guī)律。當(dāng)滲流速度為0.2m/d時，在凍結(jié)初期，凍結(jié)管周圍土體溫度迅速下降，以凍結(jié)管為中心形成一個近似圓形的低溫區(qū)域。隨著時間的推移，低溫區(qū)域逐漸向外擴(kuò)展，溫度下降速度逐漸減緩。在凍結(jié)12h時，距離凍結(jié)管0.1m處的土體溫度降至0℃左右，開始出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象；在凍結(jié)24h時，凍結(jié)鋒面擴(kuò)展至距離凍結(jié)管0.2m處，凍結(jié)區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)滲流速度增大到0.6m/d時，凍結(jié)溫度場的變化情況發(fā)生明顯改變。由于地下水的快速流動帶走大量冷量，凍結(jié)管周圍土體溫度下降速度明顯減慢。在凍結(jié)12h時，距離凍結(jié)管0.1m處的土體溫度僅降至5℃左右，尚未達(dá)到凍結(jié)溫度；在凍結(jié)24h時，凍結(jié)鋒面僅擴(kuò)展至距離凍結(jié)管0.15m處，與滲流速度為0.2m/d時相比，凍結(jié)區(qū)域擴(kuò)展速度明顯降低。當(dāng)滲流速度達(dá)到1m/d時，凍結(jié)溫度場的發(fā)展受到更大阻礙。在凍結(jié)12h時，距離凍結(jié)管0.1m處的土體溫度仍在8℃左右，凍結(jié)現(xiàn)象難以發(fā)生；在凍結(jié)24h時，凍結(jié)鋒面僅擴(kuò)展至距離凍結(jié)管0.12m處，凍結(jié)區(qū)域的擴(kuò)展極為緩慢。這表明滲流速度越大，地下水帶走的冷量越多，凍結(jié)管周圍土體的降溫越困難，凍結(jié)壁的形成速度越慢。從單管凍結(jié)溫度場的空間分布規(guī)律來看，在同一時刻，距離凍結(jié)管越近，土體溫度越低。以凍結(jié)24h為例，當(dāng)滲流速度為0.2m/d時，距離凍結(jié)管0.05m處的土體溫度約為-5℃，而距離凍結(jié)管0.2m處的土體溫度約為2℃。隨著距離的增加，溫度逐漸升高，呈現(xiàn)出明顯的溫度梯度。滲流速度對溫度場的空間分布也有顯著影響。滲流速度越大，溫度場的分布越不均勻。在滲流速度為1m/d時，凍結(jié)管下游方向的溫度明顯高于上游方向。在下游方向距離凍結(jié)管0.1m處的土體溫度比上游方向同距離處的土體溫度高3-5℃，這是由于地下水的流動將凍結(jié)管散發(fā)的冷量帶向下游，導(dǎo)致下游方向的冷量分布減少，溫度升高。這種溫度分布的不均勻性會影響凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度分布，使得凍結(jié)壁在下游方向相對薄弱，增加了工程施工的風(fēng)險。5.3三管凍結(jié)溫度場形成在大流速滲透地層凍結(jié)溫度場模型試驗中，深入探究滲流場作用下三管凍結(jié)溫度場的形成機(jī)理，對于揭示人工凍結(jié)壁的形成規(guī)律和優(yōu)化凍結(jié)方案具有重要意義。研究凍結(jié)壁交圈時間隨滲流速度的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，滲流速度對交圈時間有著顯著影響。當(dāng)滲流速度較低時，如0.2m/d，三管凍結(jié)壁的交圈時間相對較短。在試驗中，從開始凍結(jié)起，大約在36h左右，三根凍結(jié)管之間的凍結(jié)區(qū)域逐漸相互連接，形成完整的凍結(jié)壁。這是因為較低的滲流速度使得地下水帶走的冷量相對較少，凍結(jié)管周圍土體能夠較快地降溫凍結(jié)，冷量在土體中擴(kuò)散相對均勻，促進(jìn)了凍結(jié)壁的快速交圈。隨著滲流速度的增大，凍結(jié)壁交圈時間明顯延長。當(dāng)滲流速度增加到0.6m/d時，交圈時間延長至約60h。這是由于較大的滲流速度使得地下水流動加劇，大量冷量被迅速帶走，凍結(jié)管周圍土體的降溫速度減慢，凍結(jié)區(qū)域的擴(kuò)展受到阻礙，導(dǎo)致凍結(jié)壁交圈時間大幅增加。當(dāng)滲流速度達(dá)到1m/d時，凍結(jié)壁交圈時間進(jìn)一步延長，甚至在試驗設(shè)定的72h內(nèi)，凍結(jié)壁仍未能完全交圈。此時，地下水的快速流動使得凍結(jié)管下游方向的冷量被大量帶走，凍結(jié)鋒面的推進(jìn)極為緩慢，凍結(jié)壁在下游方向的發(fā)展嚴(yán)重滯后，難以與其他方向的凍結(jié)區(qū)域連接，從而影響了整個凍結(jié)壁的形成。從滲流場作用下三管凍結(jié)溫度場分布規(guī)律來看，在同一時刻，凍結(jié)管周圍的溫度分布呈現(xiàn)出明顯的非對稱性。以凍結(jié)48h為例，在滲流速度為0.4m/d時，上游方向距離凍結(jié)管0.1m處的土體溫度約為-8℃，而下游方向同距離處的土體溫度約為-3℃。這是因為地下水的流動將凍結(jié)管散發(fā)的冷量帶向下游，使得下游方向的冷量分布相對較少，溫度相對較高。在三根凍結(jié)管之間，由于冷量的疊加和擴(kuò)散，溫度分布也存在一定的差異?？拷鼉鼋Y(jié)管的區(qū)域溫度較低，隨著距離的增加，溫度逐漸升高。在三根凍結(jié)管的中心區(qū)域，溫度相對較高，這是因為該區(qū)域距離凍結(jié)管較遠(yuǎn)，冷量傳遞相對較弱。滲流速度的變化會導(dǎo)致溫度場分布的改變。滲流速度越大，溫度場的非對稱性越明顯，下游方向的溫度升高幅度越大，凍結(jié)壁的厚度分布也越不均勻。在滲流速度為1m/d時，下游方向的凍結(jié)壁厚度明顯小于上游方向，可能會導(dǎo)致凍結(jié)壁在下游方向的承載能力和穩(wěn)定性降低，增加工程施工的風(fēng)險。六、大流速滲透地層人工凍結(jié)壁力學(xué)特性分析6.1地下水流速對凍結(jié)壁的影響地下水流速對單圈凍結(jié)溫度場和凍結(jié)壁厚度有著顯著影響，深入探究這些影響規(guī)律對于大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的設(shè)計和施工具有重要意義。以某實際工程為背景，利用數(shù)值模擬軟件對不同地下水流速下單圈凍結(jié)溫度場進(jìn)行模擬分析。假設(shè)單圈凍結(jié)管布置在半徑為5m的圓周上，共布置30根凍結(jié)管，凍結(jié)管間距為1m，凍結(jié)管直徑為0.1m，冷媒溫度為-25℃，地層初始溫度為18℃。當(dāng)?shù)叵滤魉贋?m/d時，在凍結(jié)初期，凍結(jié)管周圍土體溫度迅速下降，以凍結(jié)管為中心形成近似圓形的低溫區(qū)域。隨著時間的推移，低溫區(qū)域逐漸向外擴(kuò)展，相鄰凍結(jié)管之間的低溫區(qū)域開始相互重疊。在凍結(jié)30天時，凍結(jié)壁基本交圈，但溫度分布存在一定的不均勻性，靠近凍結(jié)管的區(qū)域溫度較低，遠(yuǎn)離凍結(jié)管的區(qū)域溫度相對較高。當(dāng)?shù)叵滤魉僭龃蟮?m/d時，凍結(jié)溫度場的變化情況發(fā)生明顯改變。由于地下水的快速流動帶走大量冷量，凍結(jié)管周圍土體溫度下降速度明顯減慢。在凍結(jié)30天時，凍結(jié)壁尚未完全交圈，且下游方向的凍結(jié)壁厚度明顯小于上游方向。下游方向距離凍結(jié)管1m處的土體溫度比上游方向同距離處的土體溫度高5-8℃，這是由于地下水的流動將凍結(jié)管散發(fā)的冷量帶向下游，導(dǎo)致下游方向的冷量分布減少，溫度升高。地下水流速對凍結(jié)壁厚度的影響也十分顯著。通過數(shù)值模擬和理論分析可知，流速越大，凍結(jié)壁厚度越小，且下游方向的凍結(jié)壁厚度減小更為明顯。以凍結(jié)60天為例，當(dāng)?shù)叵滤魉贋?m/d時，凍結(jié)壁平均厚度約為1.2m；當(dāng)流速增大到5m/d時，凍結(jié)壁平均厚度減小至0.8m，下游方向的凍結(jié)壁厚度甚至不足0.6m。這是因為地下水流速增大，帶走的冷量增多，凍結(jié)管周圍土體的降溫效果減弱，凍結(jié)鋒面的推進(jìn)速度減慢，從而導(dǎo)致凍結(jié)壁厚度減小。在實際工程中，地下水流速的變化會導(dǎo)致凍結(jié)壁厚度的不均勻性增加，對凍結(jié)壁的承載能力和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，因此需要采取相應(yīng)的措施來減小這種影響，如優(yōu)化凍結(jié)管布置、提高制冷能力等。6.2凍土力學(xué)參數(shù)與強(qiáng)度準(zhǔn)則凍土的力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、粘聚力等，與溫度密切相關(guān)，深入研究這種關(guān)系對于準(zhǔn)確分析大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的力學(xué)特性至關(guān)重要。彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的重要指標(biāo)。在凍土中，彈性模量隨著溫度的降低而增大。當(dāng)溫度降低時，土體中的水分逐漸凍結(jié)成冰，冰的存在增強(qiáng)了土體顆粒之間的連接，使得土體的剛度增加，彈性模量隨之增大。以某砂土為例，在溫度為-5℃時，彈性模量約為500MPa；當(dāng)溫度降至-15℃時，彈性模量增大至800MPa。這是因為隨著溫度降低，冰的含量增加，冰的彈性模量遠(yuǎn)大于水，從而提高了凍土的整體彈性模量。粘聚力是土體抗剪強(qiáng)度的重要組成部分，它反映了土體顆粒之間的相互作用力。在凍土中，粘聚力也隨溫度的降低而增大。溫度降低使得土體顆粒之間的冰膠結(jié)作用增強(qiáng)，顆粒間的摩擦力和咬合力增大，從而導(dǎo)致粘聚力增大。在-3℃時，某粉質(zhì)黏土的粘聚力約為20kPa；當(dāng)溫度降至-10℃時，粘聚力增大至35kPa。這表明溫度對凍土粘聚力的影響顯著，在低溫條件下，凍土的抗剪強(qiáng)度得到明顯提高。凍土強(qiáng)度準(zhǔn)則是判斷凍土在受力狀態(tài)下是否破壞的依據(jù)，常見的凍土強(qiáng)度準(zhǔn)則有摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則、德魯克-普拉格強(qiáng)度準(zhǔn)則等。摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則認(rèn)為，土體的抗剪強(qiáng)度由粘聚力和摩擦力兩部分組成，其表達(dá)式為\tau=c+\sigma\tan\varphi，其中\(zhòng)tau為抗剪強(qiáng)度，c為粘聚力，\sigma為正應(yīng)力，\varphi為內(nèi)摩擦角。該準(zhǔn)則在凍土力學(xué)分析中應(yīng)用廣泛，能夠較好地描述凍土在一般受力條件下的強(qiáng)度特性。德魯克-普拉格強(qiáng)度準(zhǔn)則則考慮了中間主應(yīng)力對土體強(qiáng)度的影響，其表達(dá)式為\alphaI_1+\sqrt{J_2}=k，其中\(zhòng)alpha和k為材料常數(shù)，I_1為應(yīng)力張量第一不變量，J_2為應(yīng)力偏張量第二不變量。該準(zhǔn)則適用于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的凍土強(qiáng)度分析，能夠更準(zhǔn)確地反映凍土的強(qiáng)度特性。在大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的力學(xué)分析中，根據(jù)具體的工程條件和受力狀態(tài)，合理選擇凍土強(qiáng)度準(zhǔn)則，能夠更準(zhǔn)確地評估凍結(jié)壁的穩(wěn)定性和承載能力。6.3凍結(jié)壁力學(xué)計算模型為了準(zhǔn)確分析大流速滲透地層人工凍結(jié)壁的力學(xué)特性，建立合理的力學(xué)計算模型至關(guān)重要。在建立模型時，綜合考慮凍結(jié)壁的受力狀態(tài)、邊界條件以及凍土的力學(xué)特性等因素，采用軸對稱平面應(yīng)變力學(xué)模型進(jìn)行分析。在該模型中，將凍結(jié)壁視為一個無限長的厚壁圓筒，受到均勻的外壓力P作用，其內(nèi)徑為r_a，外徑為r_b。假設(shè)凍土為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，且滿足小變形假設(shè)。根據(jù)彈性力學(xué)理論，在彈性階段，凍結(jié)壁內(nèi)的應(yīng)力分布可通過拉梅公式計算。徑向應(yīng)力\sigma_r和切向應(yīng)力\sigma_t的計算公式如下：\sigma_r=\frac{Pr_a^2}{r_b^2-r_a^2}(1-\frac{r_b^2}{r^2})\sigma_t=\frac{Pr_a^2}{r_b^2-r_a^2}(1+\frac{r_b^2}{r^2})其中，r為計算點到圓心的距離。從上述公式可以看出，切向應(yīng)力總是大于徑向應(yīng)力。當(dāng)r=r_b時，徑向應(yīng)力達(dá)到最大值，\sigma_{r,max}=0；當(dāng)r=r_a時，切向應(yīng)力達(dá)到最大值，\sigma_{t,max}=\frac{2Pr_b^2}{r_b^2-r_a^2}。這表明在凍結(jié)壁的內(nèi)邊緣，切向應(yīng)力最大，是最容易出現(xiàn)破壞的部位。由于凍土具有流變體特性，在受力過程中會發(fā)生塑性變形，因此需要考慮彈塑性階段的應(yīng)力分布。當(dāng)凍結(jié)壁的內(nèi)邊緣應(yīng)力達(dá)到凍土的屈服強(qiáng)度時，凍結(jié)壁開始進(jìn)入塑性狀態(tài)。采用摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則來判斷凍土的屈服條件，即\tau=c+\sigma\tan\varphi，其中\(zhòng)tau為抗剪強(qiáng)度，c為粘聚力，\sigma為正應(yīng)力，\varphi為內(nèi)摩擦角。在彈塑性階段，通過對平衡方程、幾何方程和本構(gòu)方程進(jìn)行求解，可得到凍結(jié)壁內(nèi)的應(yīng)力分布。假設(shè)塑性區(qū)的半徑為r_p，則在塑性區(qū)內(nèi)，應(yīng)力分布滿足以下關(guān)系：\sigma_r=\frac{2c}{\tan\varphi}(\frac{r}{r_p})^{\frac{\tan\varphi}{1+\sin\varphi}}-\frac{P}{\sin\varphi}\sigma_t=\frac{2c}{\tan\varphi}(\frac{r}{r_p})^{\frac{\tan\varphi}{1