單排管溫度場(chǎng)經(jīng)典公式的修正研究

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1、362科技研究城市道橋與防洪2014年7月第7期單排管溫度場(chǎng)經(jīng)典公式的修正研究、施振東(中鐵十六局集團(tuán)有限公司北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京市101100)摘要：Sanger＆Sayles公式廣泛應(yīng)用于單排管人工凍土溫度場(chǎng)的計(jì)算，其形式簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，但其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際溫度場(chǎng)存在較大差別。該文采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)Sanger＆Sayles經(jīng)典公式在凍結(jié)區(qū)的誤差進(jìn)行了分析?；诜治鼋Y(jié)果，對(duì)Sanger&Sayles~典公式進(jìn)行了修正。關(guān)鍵詞：Sanger＆Say1es公式；修正；溫度場(chǎng)；平均溫度計(jì)算中圖分類(lèi)號(hào)：U455．49文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)

2、：1009—7716(2Ol4)07—0362—03第二階段溫度在凍結(jié)區(qū)成直線(xiàn)分布，在未凍結(jié)區(qū)0引言呈對(duì)數(shù)曲線(xiàn)分布(見(jiàn)圖2)，并且給出了各個(gè)階段在城市地鐵規(guī)劃設(shè)計(jì)中，上下行隧道之間通溫度場(chǎng)表達(dá)式。常設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道。聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)，不僅需要考第一階段慮自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和地面建構(gòu)筑物的安全，而且ⅡJ一_■■-，．、，．．＼，要確保主隧道的穩(wěn)定，聯(lián)絡(luò)通道的安全防護(hù)系數(shù)1廠、'''，，，，／^、遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如主隧道完備。因此，聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)通粥}＼、，_，／＼R一^，．＼／’／l常要對(duì)施工區(qū)域土體進(jìn)行加固處理，以保證施工、__，、～_，’--／t●1的安全及減小對(duì)周

3、圍環(huán)境的影響。凍結(jié)法是在地‘層中按預(yù)定間隔埋設(shè)凍結(jié)管，通過(guò)其中的冷卻液圖1Sanger&Sayles單排管模型溫度場(chǎng)計(jì)算簡(jiǎn)化圖循環(huán)，使管周?chē)貙又械目紫端怨転橹行纳赡贻喰沃鶢顖D。近年來(lái)，隨著城市地下軌道交通的迅猛發(fā)展，凍結(jié)法工藝已被廣泛應(yīng)用于上海、北京、深圳、杭州等城市地鐵工程施工中。單排管凍結(jié)是目前應(yīng)用較多且理論研究比較成熟的方法，美國(guó)學(xué)者Sanger&Sayles基于經(jīng)驗(yàn)給出了單排管凍土帷幕溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，并在實(shí)際工程中得到一定的應(yīng)用。但該經(jīng)典公式?jīng)]有考慮溫度沿軸面上的變化，使其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程存在較大誤差。采用ANSYS軟件分析了

4、單排管溫度場(chǎng)的分布圖2Sanger&Sayles單排管模型溫度分布曲線(xiàn)圖規(guī)律，分析了Sanger&Sayles經(jīng)典公式的主要缺在圖2中，是凍結(jié)管溫度與水的冰點(diǎn)溫度之陷并進(jìn)行了修正，使其能考慮溫度沿軸面上的變差，計(jì)算中取絕對(duì)值；。是土體初始溫度與水的化。冰點(diǎn)溫度之差，計(jì)算中取絕對(duì)值；Z是凍土與未凍1Sanger&Sayles經(jīng)典公式簡(jiǎn)介土的分界線(xiàn)與凍結(jié)管軸線(xiàn)之間的距離，即單側(cè)凍土厚度；是距離凍結(jié)管中心距離為z處的土體Sanger&SayIes經(jīng)典公式將單排管溫度場(chǎng)的溫度；是距離凍結(jié)管中心距離為z處的土體溫發(fā)展分為兩個(gè)階段(見(jiàn)圖1)：第一階段是凍土柱度

5、；口(珥)是凍結(jié)影響范圍系數(shù)，一般取4．5到5，圍繞單獨(dú)的凍結(jié)管發(fā)展；第二階段是凍土柱交圈建議取5，對(duì)數(shù)曲線(xiàn)的表達(dá)式如式(1)所列：并隨時(shí)間凍土墻不斷發(fā)展變厚。同時(shí)，假定第一階段溫度在凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)上成對(duì)數(shù)曲線(xiàn)發(fā)展；l哆(1)收稿日期：2014—04—08Sanger&Sayles公式認(rèn)為凍土幾何交圈時(shí)，作者簡(jiǎn)介：施振東(1975一)男，浙江永康人，高級(jí)工程師，從事地下工程施工技術(shù)管理與研究工作。凍土柱體單側(cè)凍土厚度為：6=0．79S／2(S為凍結(jié)管2014年7月第7期城市道橋與防洪科技研究363間距)，如圖2所示；在幾何交圈以后采用式(1)3Sa

6、nger＆Sayles經(jīng)典公式的缺陷和圖2來(lái)計(jì)算單排凍結(jié)管溫度場(chǎng)分布。在實(shí)際工程中，凍結(jié)管的間距一般在0．5m～2單排管凍土溫度場(chǎng)數(shù)值模擬1．5m；凍土帷幕相對(duì)厚度采用}表示(為主面￡大型通用有限元軟件ANSYS在熱力學(xué)計(jì)算方單側(cè)的最大凍土厚度；z為凍結(jié)管間距)，其值一般控面可以清晰、直觀地反映凍結(jié)壁溫度場(chǎng)情況，與制在0．51．5。為了較好地驗(yàn)證Sanger&Sayles公工程監(jiān)測(cè)結(jié)果比較符合，所以本文采用ANSYS式，分別設(shè)置凍結(jié)管間距為0．5m，1．0m，1．5m，軟件作為數(shù)值分析工具。分別考察其在不同凍結(jié)厚度時(shí)的溫度分布，并與溫度場(chǎng)分布是隨時(shí)

7、間變化的，且凍土帷幕的Sanger&Sayles公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，整理成厚度也是隨時(shí)間逐漸發(fā)展的。為全面了解溫度場(chǎng)如圖5所示。的時(shí)空規(guī)律，采用瞬態(tài)導(dǎo)熱模型分析單排管的二維溫度場(chǎng)。模型及參數(shù)的選取如下：(1)單元采用2維4節(jié)點(diǎn)熱實(shí)體單元plane55。(2)土體的材料如表l所列。表1土體計(jì)算參數(shù)表、贈(zèng)(3)土體初始溫度為18℃，凍結(jié)管表0面施加：旱枷隨時(shí)間變化的荷載(10d降到一26℃；15d降到U．U【J．，lU1，2UZ與凍結(jié)管間距／m一3O)。圖5f-1．5時(shí)主面溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果與公式對(duì)比曲線(xiàn)圖(4)為了充分考慮凍結(jié)法的溫度影響空間，設(shè)定模

8、型大小為：在沿凍結(jié)管布置方向上為『(n—1)從Z=1．5時(shí)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可知，單排管凍×1+101m，在垂直方向?yàn)?0m，