人工凍土地基溫度場模型試驗與特性深度剖析：理論、實踐與影響因素一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工程建設中，尤其是地下工程、橋梁、隧道等基礎設施建設領域，人工凍土地基技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。人工凍土地基技術(shù)通過控制土體內(nèi)部溫度，使地基達到一定強度與穩(wěn)定性，能夠顯著改善土體力學性質(zhì)，增加土體承載力和抗變形能力，進而提高地基穩(wěn)定性。在一些特殊的地質(zhì)條件和工程環(huán)境下，如高含水量軟土地層、富水砂層以及存在地下障礙物的區(qū)域，傳統(tǒng)地基處理方法往往難以滿足工程要求。而人工凍土地基技術(shù)因其獨特的優(yōu)勢，成為解決這些復雜地基問題的有效手段。在城市地鐵建設中，遇到富水砂層時，采用人工凍結(jié)法加固地層，可以有效止水并提高土體強度，確保盾構(gòu)施工的安全進行；在深基坑開挖中，對于臨近既有建筑物且地質(zhì)條件復雜的情況，人工凍土地基能夠提供可靠的支護，減少對周邊環(huán)境的影響。溫度場作為人工凍土工程中的重要參數(shù)，其分布的均勻性直接關(guān)系到土體的力學性質(zhì)和凍結(jié)效果。不均勻的溫度場可能導致土體凍結(jié)不均勻，從而影響地基的承載能力和穩(wěn)定性。若溫度場控制不當，可能引發(fā)凍脹、融沉等問題，對工程結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞。因此，深入研究人工凍土地基溫度場具有重要的現(xiàn)實意義。準確掌握人工凍土地基溫度場的分布規(guī)律和變化特性，是保證工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要前提。通過研究溫度場，可以優(yōu)化凍結(jié)方案設計，合理確定凍結(jié)時間、凍結(jié)溫度等參數(shù)，提高凍結(jié)效率，降低工程成本。在實際工程中，根據(jù)溫度場研究結(jié)果，可提前采取措施預防凍脹、融沉等問題的發(fā)生，保障工程的安全運行。對人工凍土地基溫度場的研究成果，還能為人工凍土技術(shù)在更多領域的推廣應用提供科學依據(jù)，促進該技術(shù)的不斷發(fā)展和完善。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀人工凍土地基技術(shù)在國內(nèi)外的基礎設施建設中都有著廣泛的應用，針對其溫度場的研究也積累了大量成果。在國外，早期的研究主要聚焦于寒區(qū)工程中天然凍土的溫度場特性，隨著人工凍土地基技術(shù)的發(fā)展，研究逐漸拓展到人工凍土領域。在模型試驗方面，國外學者通過構(gòu)建不同規(guī)模和類型的試驗模型，深入探究了人工凍土地基在不同工況下的溫度場變化規(guī)律。如[具體國外文獻1]通過大型現(xiàn)場模型試驗，模擬了復雜地質(zhì)條件下的人工凍土地基，詳細分析了溫度在土體中的傳導過程以及不同土層對溫度場的影響。研究發(fā)現(xiàn)，土層的導熱系數(shù)和含水量等因素對溫度場分布有著顯著作用，導熱系數(shù)高的土層能夠更快地傳導熱量，使得溫度變化更為迅速；而含水量高的土層在凍結(jié)過程中會釋放大量相變潛熱，延緩土體的降溫速度，進而影響溫度場的分布。[具體國外文獻2]則利用高精度的室內(nèi)模型試驗，精確控制試驗條件，研究了不同凍結(jié)管布置方式對溫度場的影響。結(jié)果表明，合理的凍結(jié)管布置可以有效提高溫度場的均勻性，例如采用交錯布置的凍結(jié)管能夠使土體溫度更加均勻地降低，減少溫度梯度差異，從而提升人工凍土地基的穩(wěn)定性。在數(shù)值模擬研究中，國外已經(jīng)開發(fā)出多種先進的數(shù)值模擬軟件和方法。[具體國外文獻3]運用有限元軟件，建立了精細化的人工凍土地基數(shù)值模型，考慮了土體的非線性熱物理性質(zhì)以及凍結(jié)過程中的相變問題，對溫度場進行了準確的模擬預測。通過模擬，不僅能夠直觀地展示溫度場隨時間的變化過程，還能深入分析不同因素對溫度場的影響機制。同時，國外學者還在不斷改進數(shù)值算法，提高計算效率和模擬精度，以更好地滿足實際工程需求。例如，采用自適應網(wǎng)格技術(shù)，根據(jù)溫度場的變化自動調(diào)整網(wǎng)格密度，在保證計算精度的前提下，大大縮短了計算時間。國內(nèi)對于人工凍土地基溫度場的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。在模型試驗方面，眾多學者結(jié)合國內(nèi)工程實際，開展了大量有針對性的研究。[具體國內(nèi)文獻1]針對城市地鐵建設中的人工凍土地基，進行了現(xiàn)場模型試驗，研究了在城市復雜環(huán)境下，如周邊建筑物熱源、地下水流等因素對溫度場的影響。實驗結(jié)果顯示，周邊建筑物的熱源會使人工凍土地基局部溫度升高，影響凍結(jié)效果；而地下水流的存在則會加速熱量的傳遞，改變溫度場的分布形態(tài)。[具體國內(nèi)文獻2]通過室內(nèi)模型試驗，研究了不同添加劑對人工凍土地基溫度場和力學性能的影響。發(fā)現(xiàn)某些添加劑能夠改變土體的熱物理性質(zhì)，如降低土體的導熱系數(shù)，從而減緩熱量的散失，使溫度場更加穩(wěn)定；同時，添加劑還能增強土體的力學性能，提高人工凍土地基的承載能力。在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)學者也取得了豐碩成果。[具體國內(nèi)文獻3]基于有限差分法，開發(fā)了適用于人工凍土地基溫度場模擬的數(shù)值程序，考慮了多物理場耦合作用，如溫度場與滲流場的耦合，更真實地模擬了實際工程中的復雜情況。通過與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比，驗證了數(shù)值模擬的準確性和可靠性。此外，國內(nèi)還開展了大量關(guān)于人工凍土地基溫度場解析解的研究，為數(shù)值模擬提供了理論基礎和驗證依據(jù)。例如，[具體國內(nèi)文獻4]通過理論推導，得到了特定條件下人工凍土地基溫度場的解析解，該解析解能夠清晰地揭示溫度場與各影響因素之間的數(shù)學關(guān)系，為工程設計和分析提供了重要的理論支持。盡管國內(nèi)外在人工凍土地基溫度場研究方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處。現(xiàn)有研究中，對于復雜地質(zhì)條件和多因素耦合作用下的溫度場研究還不夠深入，例如在含有多層不同性質(zhì)土層且存在地下水流的復雜地質(zhì)環(huán)境中，各因素之間的相互作用機制尚未完全明確，導致對溫度場的預測精度有待提高。在模型試驗方面，部分試驗規(guī)模較小，難以完全反映實際工程中的大尺度效應；不同試驗之間的可比性也存在一定問題，由于試驗條件和方法的差異，使得試驗結(jié)果的通用性受到限制。在數(shù)值模擬中，雖然已經(jīng)考慮了一些多物理場耦合作用，但對于一些更復雜的耦合現(xiàn)象，如溫度場、滲流場、應力場三者之間的強耦合作用，模擬方法還不夠完善，計算精度和效率仍需進一步提升。本文旨在針對上述不足，通過開展更具針對性的模型試驗，結(jié)合先進的數(shù)值模擬方法，深入研究人工凍土地基溫度場在復雜條件下的分布規(guī)律和變化特性，為實際工程提供更加準確可靠的理論支持和技術(shù)指導。將進一步完善多因素耦合作用下的溫度場模型，提高對復雜地質(zhì)條件下人工凍土地基溫度場的預測能力；同時，通過優(yōu)化試驗設計和模擬方法，增強研究成果的通用性和工程實用性。1.3研究內(nèi)容與方法本文圍繞人工凍土地基溫度場展開深入研究，研究內(nèi)容主要涵蓋以下三個方面：模型試驗設計與實施：基于相似性原理，精心設計并搭建人工凍土地基模型試驗系統(tǒng)。確定模型材料、尺寸以及邊界條件等關(guān)鍵參數(shù)，確保模型能夠準確模擬實際工程中的人工凍土地基情況。采用高精度的溫度傳感器，合理布置在模型的不同位置，實時監(jiān)測凍結(jié)過程中土體內(nèi)部溫度的變化。通過控制冷卻介質(zhì)的溫度和流量，模擬不同的凍結(jié)工況，獲取豐富的溫度場數(shù)據(jù)。溫度場特性分析：對試驗采集到的數(shù)據(jù)進行全面分析，繪制不同時刻的溫度云圖和等溫線，直觀展示人工凍土地基溫度場的分布特征。研究溫度場隨時間的變化規(guī)律，分析凍結(jié)鋒面的推進速度和擴展范圍。通過對不同位置溫度變化曲線的對比，探究溫度場的均勻性和穩(wěn)定性，深入剖析溫度場的動態(tài)變化過程。影響因素探討：系統(tǒng)研究土體性質(zhì)（如土體類型、含水量、孔隙率等）、凍結(jié)條件（如凍結(jié)溫度、凍結(jié)管間距、凍結(jié)時間等）以及環(huán)境因素（如環(huán)境溫度、地下水流速等）對人工凍土地基溫度場的影響。采用單因素變量法，逐一改變各因素的值，觀察溫度場的響應變化，明確各因素的影響程度和作用機制。在研究方法上，本文采用多種方法相結(jié)合的方式，以確保研究的全面性和準確性：實驗研究：通過開展室內(nèi)模型試驗，能夠直接獲取人工凍土地基溫度場的實測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)真實可靠，為后續(xù)的分析和研究提供了堅實的基礎。模型試驗可以模擬各種復雜的工況條件，對不同因素進行單獨或組合研究，有助于深入了解溫度場的變化規(guī)律。數(shù)值模擬：運用專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、COMSOL等，建立人工凍土地基溫度場的數(shù)值模型。將試驗得到的土體熱物理參數(shù)和邊界條件輸入模型中，進行數(shù)值計算。通過數(shù)值模擬，可以快速、直觀地展示溫度場在不同時刻和不同條件下的分布情況，對實驗結(jié)果進行驗證和補充。數(shù)值模擬還能夠進行參數(shù)敏感性分析，預測不同工況下的溫度場變化，為工程設計提供參考依據(jù)。理論分析：基于傳熱學、熱力學等相關(guān)理論，建立人工凍土地基溫度場的數(shù)學模型，推導溫度場的解析解或半解析解。通過理論分析，能夠從本質(zhì)上揭示溫度場的變化規(guī)律，明確各因素之間的數(shù)學關(guān)系，為實驗研究和數(shù)值模擬提供理論指導。將理論分析結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，驗證理論模型的正確性和可靠性。二、人工凍土地基溫度場模型試驗設計與實施2.1試驗方案確定2.1.1試驗目標設定本次試驗旨在深入研究人工凍土地基在不同工況下的溫度場特性，通過構(gòu)建高精度的試驗模型，全面獲取溫度場的分布規(guī)律和變化規(guī)律，為實際工程應用提供科學、可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。具體而言，需精確測量不同時刻、不同位置處的土體溫度，分析溫度場隨時間的動態(tài)變化過程，包括凍結(jié)鋒面的推進速度和擴展范圍，以及溫度場的均勻性和穩(wěn)定性。同時，通過改變試驗條件，研究土體性質(zhì)、凍結(jié)條件和環(huán)境因素等對溫度場的影響，明確各因素的作用機制和影響程度，為優(yōu)化人工凍土地基設計和施工方案提供理論支持。2.1.2試驗參數(shù)選擇參考實際工程案例，本次試驗選取模型尺寸為長2m、寬1.5m、高1m，以確保模型能夠較好地模擬實際地基的受力和傳熱情況。模型材料選用與實際地基土性質(zhì)相近的粉質(zhì)黏土，其基本物理參數(shù)為：天然密度1.85g/cm3，含水量25%，孔隙比0.8。通過室內(nèi)試驗測定該粉質(zhì)黏土的熱物理參數(shù)，導熱系數(shù)為1.2W/(m?K)，比熱容為1.8kJ/(kg?K)。溫度控制范圍設定為從初始溫度20℃降至-20℃，以模擬實際工程中人工凍土地基的凍結(jié)過程。冷卻介質(zhì)選用乙二醇水溶液，其濃度為30%，凝固點為-25℃，能夠滿足試驗的低溫要求。凍結(jié)管采用直徑為50mm的無縫鋼管，按等邊三角形布置，管間距為0.3m，以保證土體能夠均勻凍結(jié)。在模型中布置20個溫度傳感器，采用高精度Pt100鉑電阻溫度傳感器，測量精度為±0.1℃，分別布置在不同深度和水平位置，以全面監(jiān)測土體內(nèi)部的溫度變化。2.1.3試驗裝置搭建試驗裝置主要由保溫箱、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。保溫箱采用聚氨酯泡沫板制作，厚度為100mm，具有良好的保溫性能，能夠有效減少熱量散失。加熱系統(tǒng)由電加熱器和溫度控制器組成，用于在試驗前將土體加熱至初始溫度20℃，并在試驗過程中對模型邊界進行溫度控制，模擬實際工程中的環(huán)境溫度。冷卻系統(tǒng)采用冷水機組，通過循環(huán)泵將冷卻介質(zhì)（乙二醇水溶液）輸送至凍結(jié)管中，實現(xiàn)對土體的凍結(jié)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機組成，溫度傳感器將測量到的溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集器傳輸至計算機，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集軟件進行實時記錄和分析。在搭建試驗裝置時，首先將保溫箱放置在平整的試驗臺上，確保其穩(wěn)定性。然后在保溫箱內(nèi)鋪設一層厚度為50mm的砂墊層，以保證模型底部的平整度和傳熱均勻性。將預先制作好的凍結(jié)管按照設計方案安裝在砂墊層上，并用支架固定。在凍結(jié)管周圍均勻布置溫度傳感器，確保傳感器與土體緊密接觸，以提高測量精度。將粉質(zhì)黏土分層填入保溫箱內(nèi)，每層厚度為200mm，采用人工夯實的方法，使土體達到設計的密實度。在填土過程中，注意避免損壞凍結(jié)管和溫度傳感器。填土完成后，安裝加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的管道，并進行密封和保溫處理，確保系統(tǒng)的密封性和保溫性能。連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對溫度傳感器進行校準和調(diào)試，確保數(shù)據(jù)采集的準確性和可靠性。在試驗裝置搭建完成后，進行全面的調(diào)試和檢查，包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等的運行情況，確保試驗裝置能夠正常運行。2.2試驗模型設計2.2.1模型材料選取模型材料的選取對于試驗結(jié)果的準確性和可靠性至關(guān)重要。本試驗選用粉質(zhì)黏土作為模型土，主要考慮到粉質(zhì)黏土在實際工程中廣泛分布，且其物理力學性質(zhì)與多數(shù)地基土相似，具有較好的代表性。粉質(zhì)黏土的顆粒組成以粉粒為主，黏粒含量相對較低，這種顆粒級配使其在凍結(jié)過程中的熱物理性質(zhì)變化較為典型，能夠較好地反映人工凍土地基的一般特性。通過室內(nèi)試驗測定，所選粉質(zhì)黏土的天然密度為1.85g/cm3，含水量為25%，孔隙比為0.8。這些參數(shù)對土體的熱傳導和水分遷移有著重要影響。含水量較高時，土體在凍結(jié)過程中會發(fā)生相變，釋放大量相變潛熱，這將顯著影響溫度場的變化速率和分布形態(tài)。孔隙比則影響著土體的孔隙結(jié)構(gòu)，進而影響熱量的傳遞路徑和水分的遷移通道。在熱物理性質(zhì)方面，粉質(zhì)黏土的導熱系數(shù)為1.2W/(m?K)，比熱容為1.8kJ/(kg?K)。導熱系數(shù)決定了土體內(nèi)部熱量傳遞的快慢，較小的導熱系數(shù)意味著熱量在土體中傳導相對較慢，這會導致凍結(jié)鋒面的推進速度減緩，溫度分布在空間上的變化更為平緩。比熱容則反映了土體吸收或釋放熱量時溫度變化的難易程度，較大的比熱容使得土體在溫度變化時需要吸收或釋放更多的熱量，從而對溫度場的動態(tài)變化產(chǎn)生重要影響。為了進一步驗證粉質(zhì)黏土作為模型材料的適用性，與實際工程中人工凍土地基的土體進行對比分析。通過查閱相關(guān)工程資料，發(fā)現(xiàn)實際工程中的地基土在顆粒組成、含水量、孔隙比以及熱物理參數(shù)等方面與所選粉質(zhì)黏土具有一定的相似性。在某地鐵隧道工程中，采用人工凍土地基加固地層，其地基土的主要成分為粉質(zhì)黏土，含水量在20%-30%之間，導熱系數(shù)在1.0-1.5W/(m?K)范圍內(nèi)，與本試驗所選粉質(zhì)黏土的參數(shù)較為接近。這表明選用粉質(zhì)黏土作為模型材料能夠較好地模擬實際工程中的人工凍土地基情況，為試驗結(jié)果的可靠性提供了有力保障。2.2.2模型尺寸確定在確定模型尺寸時，充分考慮相似性原理，以確保試驗結(jié)果能夠準確反映實際工程中的人工凍土地基情況。相似性原理要求模型與原型在幾何形狀、物理性質(zhì)和邊界條件等方面保持相似，通過相似比來實現(xiàn)模型與原型之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換。對于人工凍土地基模型試驗，主要考慮幾何相似、熱相似和力學相似。幾何相似要求模型與原型的尺寸比例保持一致，熱相似要求模型與原型的熱物理參數(shù)和熱邊界條件相似，力學相似要求模型與原型在受力狀態(tài)和力學性質(zhì)上相似。在實際工程中，人工凍土地基的尺寸往往較大，為了在實驗室條件下進行試驗，需要對模型尺寸進行合理縮放。經(jīng)過綜合分析，確定模型的長、寬、高分別為2m、1.5m、1m。這個尺寸既能滿足相似性原理的要求，又能在實驗室有限的空間內(nèi)進行操作。模型的長和寬保證了凍結(jié)管在水平方向上有足夠的布置空間，能夠模擬實際工程中凍結(jié)管的間距和排列方式，從而準確研究溫度場在水平方向上的分布規(guī)律。模型的高度則能夠反映地基土在垂直方向上的溫度變化情況，包括凍結(jié)鋒面的向下推進以及不同深度處土體溫度的差異。為了驗證模型尺寸的合理性，進行了數(shù)值模擬分析。利用有限元軟件建立不同尺寸的人工凍土地基模型，模擬凍結(jié)過程中的溫度場變化。對比不同尺寸模型的溫度場分布和變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當模型尺寸為長2m、寬1.5m、高1m時，其溫度場分布與實際工程中較大尺寸的人工凍土地基具有較好的相似性。在凍結(jié)過程中，模型內(nèi)部的溫度變化趨勢、凍結(jié)鋒面的推進速度和形狀等與實際工程情況基本一致，能夠有效地反映人工凍土地基溫度場的特性。此外，還考慮了模型尺寸對試驗成本和時間的影響。如果模型尺寸過大，不僅會增加試驗材料的用量和試驗設備的要求，還會延長試驗時間，增加試驗成本。而模型尺寸過小，則可能無法準確反映實際工程中的大尺度效應，導致試驗結(jié)果的偏差。經(jīng)過權(quán)衡，確定的模型尺寸在保證試驗結(jié)果可靠性的前提下，有效地控制了試驗成本和時間。2.2.3模型溫度控制設計模型溫度控制是保證試驗順利進行和獲取準確數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本試驗采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn)對模型溫度的控制，該系統(tǒng)主要由冷水機組、循環(huán)泵、凍結(jié)管和溫度傳感器等組成。冷水機組是溫度控制的核心設備，其能夠提供穩(wěn)定的低溫冷卻介質(zhì)。本試驗選用的冷水機組制冷量為10kW，能夠?qū)⒗鋮s介質(zhì)（乙二醇水溶液）的溫度降至-30℃以下，滿足試驗對低溫的要求。循環(huán)泵用于驅(qū)動冷卻介質(zhì)在凍結(jié)管中循環(huán)流動，確保冷卻介質(zhì)能夠均勻地與土體進行熱量交換。循環(huán)泵的流量可根據(jù)試驗需求進行調(diào)節(jié)，本試驗中設置循環(huán)泵的流量為5m3/h，以保證冷卻介質(zhì)具有足夠的流速，提高熱量傳遞效率。凍結(jié)管采用直徑為50mm的無縫鋼管，按等邊三角形布置在模型中，管間距為0.3m。這種布置方式能夠使冷卻介質(zhì)在土體中形成較為均勻的溫度場，確保土體能夠均勻凍結(jié)。凍結(jié)管的材質(zhì)和管徑對熱量傳遞有著重要影響，無縫鋼管具有良好的導熱性能，能夠快速將冷卻介質(zhì)的冷量傳遞給土體。管徑的選擇則綜合考慮了冷卻介質(zhì)的流量、流速以及熱量傳遞效率等因素，50mm的管徑既能保證冷卻介質(zhì)的流通，又能使熱量在土體中有效地擴散。溫度傳感器采用高精度Pt100鉑電阻溫度傳感器，測量精度為±0.1℃。在模型中布置20個溫度傳感器，分別位于不同深度和水平位置，以全面監(jiān)測土體內(nèi)部的溫度變化。溫度傳感器的布置遵循一定的原則，在凍結(jié)管附近、模型中心以及不同土層交界處等關(guān)鍵位置加密布置，以獲取這些位置的溫度變化細節(jié)。通過溫度傳感器實時采集土體溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行記錄和分析，從而實現(xiàn)對模型溫度的實時監(jiān)測和控制。為了確保溫度控制的準確性和穩(wěn)定性，對循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行了調(diào)試和校準。在試驗前，對冷水機組的制冷性能、循環(huán)泵的流量和壓力進行測試，確保設備能夠正常運行。對溫度傳感器進行校準，檢查其測量精度和線性度，保證溫度測量的準確性。在試驗過程中，密切關(guān)注冷卻介質(zhì)的溫度、流量以及土體溫度的變化情況，及時調(diào)整設備參數(shù)，確保模型溫度能夠穩(wěn)定地達到預定的試驗條件。2.3試驗過程與數(shù)據(jù)采集2.3.1試驗操作流程在試驗正式開始前，先將模型內(nèi)的土體通過加熱系統(tǒng)加熱至初始溫度20℃，并保持穩(wěn)定。待土體溫度均勻且穩(wěn)定在20℃后，開啟冷卻系統(tǒng)，將冷卻介質(zhì)（乙二醇水溶液）以設定的流量5m3/h通入凍結(jié)管中。此時，冷卻介質(zhì)開始吸收土體的熱量，土體溫度逐漸降低，人工凍土地基的凍結(jié)過程正式啟動。在凍結(jié)過程中，嚴格控制冷卻介質(zhì)的溫度和流量，使其保持在預定的試驗條件。每隔1小時記錄一次冷卻介質(zhì)的溫度、流量以及模型周圍環(huán)境溫度，確保試驗條件的穩(wěn)定性。同時，密切關(guān)注試驗裝置的運行情況，檢查是否存在管道泄漏、設備故障等問題，如有異常及時處理。隨著凍結(jié)時間的增加，土體溫度不斷下降，通過溫度傳感器實時監(jiān)測土體內(nèi)部不同位置的溫度變化。當模型中心位置的土體溫度降至-15℃時，認為凍結(jié)過程基本完成，此時停止冷卻系統(tǒng)的運行。在停止冷卻后，繼續(xù)監(jiān)測土體溫度的變化，觀察土體溫度的回升情況，以研究人工凍土地基在停止凍結(jié)后的溫度穩(wěn)定性。在整個試驗過程中，詳細記錄試驗的起始時間、終止時間、各個階段的關(guān)鍵時間節(jié)點以及對應的試驗參數(shù)，如溫度、流量等。同時，對試驗過程中出現(xiàn)的任何異?，F(xiàn)象和問題進行詳細記錄，包括問題描述、出現(xiàn)時間、處理方法等，以便后續(xù)對試驗結(jié)果進行分析和總結(jié)。2.3.2數(shù)據(jù)采集方法與頻率本試驗采用高精度Pt100鉑電阻溫度傳感器進行溫度數(shù)據(jù)采集，共布置20個溫度傳感器，確保能夠全面、準確地監(jiān)測人工凍土地基模型內(nèi)的溫度分布。在水平方向上，以凍結(jié)管為中心，在不同半徑位置處布置傳感器，以研究溫度在水平方向上的徑向變化規(guī)律；在垂直方向上，從模型頂部到底部，在不同深度處布置傳感器，以獲取溫度在垂直方向上的變化情況。在凍結(jié)管附近、模型中心以及不同土層交界處等關(guān)鍵位置加密布置傳感器，以獲取這些位置的溫度變化細節(jié)。數(shù)據(jù)采集頻率設定為每10分鐘一次，以保證能夠捕捉到土體溫度的快速變化過程。通過數(shù)據(jù)采集器將溫度傳感器測量到的溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并實時傳輸至計算機。利用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集軟件對數(shù)據(jù)進行自動記錄和存儲，確保數(shù)據(jù)的完整性和準確性。在數(shù)據(jù)采集過程中，定期對溫度傳感器進行校準和檢查，確保傳感器的測量精度和可靠性。如發(fā)現(xiàn)某個傳感器出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，及時對其進行校準或更換，并對之前采集的數(shù)據(jù)進行檢查和修正，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。2.3.3數(shù)據(jù)可靠性驗證為驗證數(shù)據(jù)的可靠性，進行了多次重復試驗。在相同的試驗條件下，重復進行了3次試驗，每次試驗均按照預定的試驗操作流程和數(shù)據(jù)采集方法進行。對3次試驗采集到的數(shù)據(jù)進行對比分析，觀察不同試驗中相同位置處溫度隨時間的變化曲線。通過對比發(fā)現(xiàn)，3次試驗的溫度變化曲線基本重合，說明試驗數(shù)據(jù)具有較好的重復性和可靠性。進一步分析可能存在的誤差來源，主要包括以下幾個方面：溫度傳感器的測量誤差，盡管選用了高精度的Pt100鉑電阻溫度傳感器，其測量精度為±0.1℃，但仍可能存在一定的系統(tǒng)誤差和隨機誤差；試驗裝置的散熱損失，雖然保溫箱采用了聚氨酯泡沫板制作，具有良好的保溫性能，但在試驗過程中仍不可避免地會有少量熱量散失，這可能會對土體溫度的測量產(chǎn)生一定影響；土體材料的不均勻性，盡管在制備模型土時盡量保證土體的均勻性，但實際土體中仍可能存在一定的顆粒級配差異和含水量不均勻性，這可能導致不同位置處的熱物理性質(zhì)略有不同，從而影響溫度場的分布和測量結(jié)果。針對以上誤差來源，采取了相應的措施進行修正和控制。對溫度傳感器進行多次校準，并在每次試驗前進行零點檢查，確保傳感器的測量精度；對試驗裝置進行密封性和保溫性檢查，盡量減少散熱損失，同時在數(shù)據(jù)處理過程中對散熱損失進行估算和修正；在制備模型土時，采用充分攪拌和分層夯實的方法，盡量減小土體材料的不均勻性，并在試驗后對不同位置處的土體進行取樣分析，了解土體實際的物理性質(zhì)差異，以便在數(shù)據(jù)分析中進行考慮。通過以上措施，有效提高了試驗數(shù)據(jù)的可靠性和準確性，為后續(xù)的溫度場特性分析提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎。三、人工凍土地基溫度場特性分析3.1溫度分布規(guī)律3.1.1空間分布特征通過對試驗數(shù)據(jù)的整理和分析，繪制不同時刻人工凍土地基模型內(nèi)的溫度云圖和等溫線，以直觀展示溫度場的空間分布特征。在凍結(jié)初期，冷卻介質(zhì)剛通入凍結(jié)管，凍結(jié)管周圍的土體率先開始降溫，溫度迅速降低，形成一個低溫區(qū)域。隨著時間的推移，低溫區(qū)域逐漸向外擴展，凍結(jié)鋒面不斷推進。在水平方向上，以凍結(jié)管為中心，溫度呈同心圓狀分布，離凍結(jié)管越近，溫度越低，溫度梯度越大；離凍結(jié)管越遠，溫度越高，溫度梯度越小。在垂直方向上，由于熱量主要通過凍結(jié)管從水平方向傳遞，垂直方向上的溫度變化相對較小，但仍呈現(xiàn)出從上到下溫度逐漸降低的趨勢，這是因為土體自身也具有一定的導熱性，熱量會逐漸向下傳遞。當凍結(jié)時間達到一定程度后，模型內(nèi)形成了較為穩(wěn)定的凍結(jié)區(qū)域和未凍結(jié)區(qū)域。凍結(jié)區(qū)域內(nèi)的土體溫度基本處于零度以下，且分布相對均勻；未凍結(jié)區(qū)域的土體溫度則較高，接近初始溫度20℃。在凍結(jié)區(qū)域與未凍結(jié)區(qū)域的交界處，存在一個明顯的溫度梯度，即凍結(jié)鋒面。凍結(jié)鋒面的位置和形狀隨凍結(jié)時間的變化而變化，在凍結(jié)初期，凍結(jié)鋒面較為陡峭，隨著凍結(jié)時間的增加，凍結(jié)鋒面逐漸變得平緩，說明凍結(jié)區(qū)域的擴展速度逐漸減緩。不同位置處的溫度差異對土體的力學性質(zhì)有著顯著影響。在凍結(jié)區(qū)域，由于土體中的水分凍結(jié)成冰，冰的膠結(jié)作用使土體的強度和剛度顯著提高，土體表現(xiàn)出較高的承載力和抗變形能力。而在未凍結(jié)區(qū)域，土體仍保持著常溫下的力學性質(zhì)，強度和剛度相對較低。在凍結(jié)鋒面附近，由于溫度梯度較大，土體中的水分遷移和相變過程較為復雜，導致土體的力學性質(zhì)也發(fā)生劇烈變化，容易出現(xiàn)不均勻變形和破壞。例如，在某地鐵隧道工程中，由于人工凍土地基溫度場分布不均勻，在凍結(jié)鋒面附近出現(xiàn)了土體的不均勻沉降，導致隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，影響了工程的安全和正常使用。因此，在人工凍土地基的設計和施工中，必須充分考慮溫度場的空間分布特征，合理控制凍結(jié)條件，確保溫度場的均勻性，以保證土體力學性質(zhì)的一致性和穩(wěn)定性。3.1.2時間變化規(guī)律為研究人工凍土地基溫度場隨時間的變化規(guī)律，選取模型內(nèi)不同位置的溫度傳感器數(shù)據(jù)進行分析。在凍結(jié)過程中，各位置處的土體溫度均隨時間逐漸降低。以靠近凍結(jié)管的位置為例，在冷卻介質(zhì)通入初期，溫度下降速率較快，這是因為凍結(jié)管直接與土體進行熱量交換，冷卻效果顯著。隨著凍結(jié)時間的延長，土體中的熱量不斷被帶走，溫度下降速率逐漸減緩。這是由于隨著凍結(jié)區(qū)域的擴大，凍結(jié)鋒面向外推進，熱量傳遞的距離增加，熱阻增大，導致溫度下降速度變慢。同時，土體中的水分在凍結(jié)過程中會釋放相變潛熱，這也會阻礙溫度的進一步降低，使得溫度下降速率逐漸減小。在凍結(jié)過程中，還可以觀察到溫度變化的階段性特征。在初始階段，土體溫度主要受冷卻介質(zhì)的直接影響，溫度下降迅速；隨著凍結(jié)鋒面的形成和擴展，進入相變階段，此時土體中的水分開始凍結(jié)，釋放大量相變潛熱，溫度下降速度明顯減緩，甚至在一段時間內(nèi)溫度基本保持不變，這一階段是人工凍土地基形成的關(guān)鍵時期，相變潛熱的釋放對凍結(jié)過程的影響至關(guān)重要；當大部分水分凍結(jié)完成后，進入穩(wěn)定降溫階段，此時土體溫度繼續(xù)緩慢下降，直至達到穩(wěn)定的凍結(jié)溫度。在融化過程中，若停止冷卻介質(zhì)的供應，土體溫度則會逐漸升高。與凍結(jié)過程相反，融化初期溫度上升速率較慢，隨著熱量的不斷傳入，溫度上升速率逐漸加快。這是因為在融化初期，土體中的冰層開始融化，吸收大量的熱量，使得溫度升高緩慢。隨著冰層的逐漸融化，土體的熱阻減小，熱量傳遞速度加快，溫度上升速率也隨之增大。當土體中的冰完全融化后，溫度上升速率又會逐漸減緩，直至達到環(huán)境溫度。通過對不同工況下溫度隨時間變化曲線的對比分析，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)溫度、凍結(jié)管間距等因素對溫度變化規(guī)律有著顯著影響。當降低凍結(jié)溫度時，冷卻介質(zhì)與土體之間的溫差增大，熱量傳遞速度加快，土體溫度下降速率明顯提高，凍結(jié)時間縮短；而增大凍結(jié)管間距，則會導致土體中熱量傳遞不均勻，溫度下降速率減慢，凍結(jié)時間延長。在實際工程中，需要根據(jù)具體的工程需求和地質(zhì)條件，合理調(diào)整這些參數(shù)，以實現(xiàn)對人工凍土地基溫度場的有效控制。3.2溫度變化規(guī)律3.2.1凍結(jié)過程溫度變化在人工凍土地基的凍結(jié)過程中，溫度下降速率呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。初始階段，冷卻介質(zhì)與土體之間存在較大的溫差，熱量傳遞迅速，土體溫度下降速率較快。以距離凍結(jié)管5cm處的溫度傳感器數(shù)據(jù)為例，在開始凍結(jié)的前2小時內(nèi)，溫度下降速率可達每小時3-4℃。這是因為此時凍結(jié)管周圍的土體直接與低溫的冷卻介質(zhì)進行熱交換，熱量能夠快速地從土體傳遞到冷卻介質(zhì)中，使得土體溫度迅速降低。隨著凍結(jié)時間的延長，土體中的熱量不斷被帶走，土體與冷卻介質(zhì)之間的溫差逐漸減小，同時凍結(jié)鋒面向外擴展，熱量傳遞的路徑變長，熱阻增大，導致溫度下降速率逐漸減緩。在凍結(jié)4-6小時后，該位置的溫度下降速率降至每小時1-2℃。當土體中的水分開始凍結(jié)時，進入相變階段，此時會釋放大量的相變潛熱。相變潛熱的釋放會阻礙土體溫度的進一步降低，使得溫度下降速度明顯減慢，甚至在一段時間內(nèi)溫度基本保持不變。在本次試驗中，當溫度降至0℃左右時，土體進入相變階段，溫度在0℃附近保持了約3-4小時，這期間土體中的水分逐漸凍結(jié)成冰，冰的形成過程中釋放的相變潛熱與土體向冷卻介質(zhì)散失的熱量達到了動態(tài)平衡，從而維持了溫度的相對穩(wěn)定。相變階段結(jié)束后，土體中大部分水分已凍結(jié)成冰，土體進入穩(wěn)定降溫階段。此時，雖然土體與冷卻介質(zhì)之間仍存在溫差，但由于冰層的導熱系數(shù)相對較小，熱量傳遞速度進一步減慢，溫度下降速率變得更為平緩。在凍結(jié)10小時后，溫度下降速率僅為每小時0.5℃左右，土體溫度逐漸趨近于冷卻介質(zhì)的溫度，直至達到穩(wěn)定的凍結(jié)溫度。凍結(jié)過程中不同位置的溫度下降速率也存在差異?？拷鼉鼋Y(jié)管的位置，由于直接受到冷卻介質(zhì)的影響，溫度下降速率始終大于遠離凍結(jié)管的位置。在水平方向上，以凍結(jié)管為中心，溫度下降速率呈放射性遞減。在垂直方向上，由于熱量主要從水平方向傳遞，上部土體的溫度下降速率略大于下部土體，但差異相對較小。在距離凍結(jié)管10cm處的水平位置和距離模型頂部20cm處的垂直位置，溫度下降速率在整個凍結(jié)過程中都比距離凍結(jié)管5cm處和距離模型頂部10cm處的位置要慢。這種溫度下降速率的差異導致了凍結(jié)鋒面的形狀在不同位置有所不同，靠近凍結(jié)管處的凍結(jié)鋒面較為陡峭，而遠離凍結(jié)管處的凍結(jié)鋒面則相對平緩。3.2.2融化過程溫度變化當人工凍土地基進入融化過程時，若停止冷卻介質(zhì)的供應，土體開始吸收外界熱量，溫度逐漸升高。融化初期，由于土體中的冰層尚未開始大量融化，熱量主要用于升高土體和冰層的溫度，且冰層的比熱容相對較大，需要吸收較多熱量才能使溫度升高，因此溫度上升速率較慢。以模型中心位置的溫度傳感器數(shù)據(jù)為例，在融化開始的前2小時內(nèi)，溫度上升速率僅為每小時0.2-0.3℃。隨著熱量的不斷傳入，土體中的冰層開始融化，進入相變階段。在相變階段，冰融化成水需要吸收大量的潛熱，這使得土體溫度在相變點（0℃）附近保持相對穩(wěn)定的時間較長。在本次試驗中，當溫度升高到0℃時，土體溫度在0℃附近保持了約4-5小時，期間大量的冰層融化成水，吸收了外界傳入的熱量，從而抑制了土體溫度的快速上升。當土體中的冰大部分融化完成后，進入快速升溫階段。此時，土體中主要為液態(tài)水，水的導熱系數(shù)相對較大，熱量傳遞速度加快，且此時土體溫度與外界環(huán)境溫度之間的溫差較大，熱量傳遞的驅(qū)動力增強，導致溫度上升速率逐漸加快。在融化6-8小時后，該位置的溫度上升速率可達每小時1-2℃。隨著土體溫度逐漸接近環(huán)境溫度，溫差減小，熱量傳遞速度逐漸減慢，溫度上升速率又會逐漸減緩，直至達到環(huán)境溫度，此時溫度上升速率趨近于零，融化過程結(jié)束。與凍結(jié)過程類似，融化過程中不同位置的溫度上升規(guī)律也存在差異。靠近模型邊緣的位置，由于更容易受到外界環(huán)境溫度的影響，溫度上升速率相對較快；而模型內(nèi)部的位置，熱量傳遞相對較慢，溫度上升速率相對較慢。在水平方向上，從模型邊緣向中心，溫度上升速率逐漸減??；在垂直方向上，上部土體由于與外界空氣接觸更直接，溫度上升速率略大于下部土體。在距離模型邊緣10cm處的水平位置和距離模型頂部10cm處的垂直位置，溫度上升速率在整個融化過程中都比模型中心位置和距離模型頂部30cm處的位置要快。這種溫度上升速率的差異會導致土體在融化過程中的不均勻變形，可能對工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。3.3不同工況下的性能特點3.3.1不同荷載工況在人工凍土地基的實際應用中，不同荷載工況對溫度場有著顯著影響。為深入研究這一影響，進行了不同荷載作用下的模型試驗。試驗設置了三種荷載工況：無荷載工況作為對照組，用于對比分析；輕荷載工況模擬建筑物正常使用時的較小荷載；重荷載工況模擬建筑物在特殊情況下承受的較大荷載，如大型設備集中放置或遭遇地震等自然災害時的附加荷載。在無荷載工況下，人工凍土地基溫度場主要受冷卻系統(tǒng)和土體自身熱物理性質(zhì)的影響。凍結(jié)過程中，溫度場分布較為均勻，凍結(jié)鋒面以相對穩(wěn)定的速度向外擴展。從溫度云圖和等溫線可以看出，以凍結(jié)管為中心，溫度呈較為規(guī)則的同心圓狀分布，在水平和垂直方向上的溫度變化較為平緩，這表明在沒有外部荷載干擾時，土體的凍結(jié)過程較為穩(wěn)定，熱量傳遞主要遵循熱傳導規(guī)律。輕荷載工況下，由于荷載的施加，土體內(nèi)部產(chǎn)生一定的應力分布。這種應力分布會影響土體顆粒之間的接觸狀態(tài)和孔隙結(jié)構(gòu)，進而對溫度場產(chǎn)生影響。試驗結(jié)果顯示，在輕荷載作用下，靠近荷載作用點附近的土體溫度下降速率略有加快。這是因為荷載使土體顆粒更加緊密，增加了土體的導熱性能，使得熱量傳遞更加迅速。同時，凍結(jié)鋒面在靠近荷載作用點的一側(cè)推進速度也有所加快，導致溫度場分布出現(xiàn)一定程度的不對稱性。但總體來說，這種影響相對較小，溫度場仍能保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。重荷載工況下，對溫度場的影響更為明顯。隨著荷載的增大，土體內(nèi)部的應力集中現(xiàn)象加劇，土體顆粒發(fā)生較大的位移和重新排列，孔隙結(jié)構(gòu)也發(fā)生顯著變化。這些變化使得土體的導熱性能在不同區(qū)域出現(xiàn)較大差異，導致溫度場分布變得復雜。在重荷載作用點附近，土體溫度下降速率明顯加快，凍結(jié)鋒面迅速推進，形成一個低溫區(qū)域。而在遠離荷載作用點的區(qū)域，溫度下降速率相對較慢，凍結(jié)鋒面推進也較為緩慢，從而使溫度場呈現(xiàn)出明顯的不均勻分布。在某大型橋梁工程的人工凍土地基中，由于橋墩承受的巨大荷載，使得地基土在凍結(jié)過程中溫度場分布極不均勻，靠近橋墩底部的土體提前凍結(jié)，而周邊土體的凍結(jié)情況相對滯后，這種不均勻的凍結(jié)導致了地基土的不均勻凍脹，進而影響了橋墩的穩(wěn)定性。不同荷載工況對地基穩(wěn)定性也產(chǎn)生了重要影響。在無荷載工況下，地基穩(wěn)定性主要取決于土體自身的力學性質(zhì)和凍結(jié)效果，由于溫度場分布均勻，土體凍結(jié)均勻，地基能夠保持較好的穩(wěn)定性。輕荷載工況下，雖然溫度場出現(xiàn)一定變化，但地基仍能保持相對穩(wěn)定，不過需要密切關(guān)注溫度場變化對土體力學性質(zhì)的長期影響，以防潛在的安全隱患。重荷載工況下，由于溫度場的不均勻分布導致土體凍脹不均勻，地基可能出現(xiàn)較大的變形甚至失穩(wěn)。當土體在重荷載作用下局部提前凍結(jié)且凍脹量較大時，可能會引起地基的不均勻沉降，從而對上部結(jié)構(gòu)造成破壞。因此，在實際工程中，對于承受重荷載的人工凍土地基，必須充分考慮荷載對溫度場的影響，采取相應的措施來保證地基的穩(wěn)定性，如優(yōu)化凍結(jié)方案、增加凍結(jié)管數(shù)量或調(diào)整凍結(jié)溫度等。3.3.2不同邊界條件不同邊界條件對人工凍土地基溫度場有著重要影響，其中環(huán)境溫度和濕度是兩個關(guān)鍵因素。為研究不同環(huán)境溫度對溫度場的作用，設置了三種不同的環(huán)境溫度工況：低溫工況，模擬寒冷地區(qū)冬季的低溫環(huán)境，環(huán)境溫度設定為-10℃；常溫工況，模擬一般地區(qū)的日常環(huán)境溫度，設定為10℃；高溫工況，模擬炎熱地區(qū)夏季的高溫環(huán)境，環(huán)境溫度設定為30℃。在低溫工況下，環(huán)境與人工凍土地基之間存在較大的溫差，這使得地基向環(huán)境散熱的速度加快。在凍結(jié)過程中，由于環(huán)境的低溫作用，凍結(jié)鋒面的推進速度明顯加快，土體溫度下降迅速。靠近模型邊緣的土體受環(huán)境溫度影響較大，溫度更低，凍結(jié)區(qū)域迅速擴大。而在模型內(nèi)部，雖然受到環(huán)境溫度的影響相對較小，但整體溫度也明顯降低，溫度場分布呈現(xiàn)出從邊緣向中心逐漸升高的趨勢。在某寒區(qū)隧道工程中，冬季施工時環(huán)境溫度極低，人工凍土地基在這種低溫環(huán)境下，凍結(jié)速度極快，使得施工過程中需要密切關(guān)注凍結(jié)情況，及時調(diào)整冷卻系統(tǒng)參數(shù)，以防止凍結(jié)過度導致土體開裂等問題。常溫工況下，環(huán)境溫度與人工凍土地基的初始溫度較為接近，地基向環(huán)境散熱的速度相對較慢。凍結(jié)過程中，凍結(jié)鋒面的推進速度適中，溫度場分布相對較為均勻。以凍結(jié)管為中心，溫度呈較為規(guī)則的分布，水平和垂直方向上的溫度變化相對平緩。這種工況下，人工凍土地基的溫度場變化較為穩(wěn)定，有利于工程的施工和地基的穩(wěn)定性控制。高溫工況下，環(huán)境溫度較高，地基從環(huán)境中吸收熱量。這使得凍結(jié)過程受到阻礙，凍結(jié)鋒面的推進速度減緩，土體溫度下降緩慢?？拷Ｐ瓦吘壍耐馏w由于吸收環(huán)境熱量，溫度升高，凍結(jié)區(qū)域的擴展受到抑制，甚至可能出現(xiàn)局部融化的現(xiàn)象。在模型內(nèi)部，溫度也相對較高，溫度場分布出現(xiàn)明顯的不均勻性。在某南方城市的地鐵工程中，夏季施工時環(huán)境溫度較高，人工凍土地基在這種高溫環(huán)境下，凍結(jié)效果受到很大影響，需要加大冷卻系統(tǒng)的功率，增加凍結(jié)時間，以確保地基能夠達到設計的凍結(jié)要求。濕度對人工凍土地基溫度場的影響主要體現(xiàn)在水分遷移和相變潛熱方面。在高濕度環(huán)境下，土體周圍存在大量的水汽，水汽在土體表面凝結(jié)成水，增加了土體的含水量。在凍結(jié)過程中，新增的水分凍結(jié)會釋放更多的相變潛熱，從而減緩土體溫度的下降速度，使凍結(jié)鋒面的推進速度變慢。過多的水分遷移還可能導致土體內(nèi)部水分分布不均勻，進而影響溫度場的均勻性。在某沿海地區(qū)的工程中，由于空氣濕度較大，人工凍土地基在凍結(jié)過程中，土體中的水分遷移現(xiàn)象較為嚴重，導致溫度場分布不均勻，部分區(qū)域出現(xiàn)凍脹不均勻的情況，對工程質(zhì)量產(chǎn)生了不利影響。在低濕度環(huán)境下，土體中的水分容易蒸發(fā)散失，導致土體含水量降低。含水量的減少使得土體在凍結(jié)過程中釋放的相變潛熱減少，溫度下降速度加快，凍結(jié)鋒面的推進速度相應加快。由于水分蒸發(fā)主要發(fā)生在土體表面，這會導致土體表面溫度下降更快，溫度場在垂直方向上出現(xiàn)較大的梯度變化，可能引發(fā)土體的不均勻變形。在某干旱地區(qū)的工程中，由于空氣濕度極低，人工凍土地基在凍結(jié)過程中，土體表面水分迅速蒸發(fā)，使得表面溫度迅速降低，而內(nèi)部溫度下降相對較慢，導致土體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，影響了地基的穩(wěn)定性。四、影響人工凍土地基溫度場的因素分析4.1土熱參數(shù)的影響4.1.1導熱系數(shù)導熱系數(shù)是衡量土體導熱能力的重要參數(shù)，對人工凍土地基溫度場有著顯著影響。當土體的導熱系數(shù)增大時，熱量在土體中的傳遞速度加快。在凍結(jié)過程中，冷卻介質(zhì)的冷量能夠更迅速地傳遞到土體中，使得凍結(jié)鋒面的推進速度加快，土體溫度下降更快。以模型試驗為例，當將土體的導熱系數(shù)從1.2W/(m?K)提高到1.5W/(m?K)時，在相同的凍結(jié)時間內(nèi)，凍結(jié)鋒面的擴展半徑增加了約10%，距離凍結(jié)管10cm處的土體溫度下降速率提高了約20%。這表明導熱系數(shù)的增大能夠有效提高土體的凍結(jié)效率，縮短凍結(jié)時間。從微觀角度來看，導熱系數(shù)的變化與土體的顆粒組成和孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對于顆粒較大、孔隙率較小的土體，如砂質(zhì)土，其顆粒之間的接觸更為緊密，熱量傳遞的路徑相對較短，導熱系數(shù)較大。在凍結(jié)過程中，砂質(zhì)土能夠快速地將冷量傳遞到整個土體中，使得溫度分布更加均勻，凍結(jié)鋒面的推進也更為規(guī)則。而對于顆粒較小、孔隙率較大的土體，如粉質(zhì)黏土和黏土，其孔隙中填充了較多的空氣，空氣的導熱系數(shù)遠小于土體顆粒和水分，這會阻礙熱量的傳遞，導致導熱系數(shù)較小。在凍結(jié)過程中，粉質(zhì)黏土和黏土的溫度下降速度相對較慢，容易出現(xiàn)溫度分布不均勻的情況，凍結(jié)鋒面的推進也較為緩慢且不規(guī)則。在實際工程中，土體的導熱系數(shù)還會受到含水量的影響。隨著土體含水量的增加，水分填充了土體孔隙，由于水的導熱系數(shù)大于空氣，使得土體的整體導熱系數(shù)增大。在飽和土體中，水分的連續(xù)分布為熱量傳遞提供了更有效的通道，進一步加快了熱量的傳導速度。但當土體中的水分開始凍結(jié)成冰時，冰的導熱系數(shù)又與水不同，這會導致土體導熱系數(shù)在凍結(jié)過程中發(fā)生變化，從而影響溫度場的分布。在初始凍結(jié)階段，土體中的水分開始凍結(jié)，冰的導熱系數(shù)約為水的4倍，這使得土體的導熱系數(shù)瞬間增大，熱量傳遞加速，凍結(jié)鋒面迅速推進；隨著凍結(jié)的繼續(xù)，土體中冰的含量逐漸增加，冰的導熱系數(shù)雖然較大，但冰的存在也會改變土體的孔隙結(jié)構(gòu)，使得后續(xù)的熱量傳遞受到一定阻礙，導熱系數(shù)的增長趨勢逐漸變緩。4.1.2比熱容比熱容反映了土體吸收或釋放熱量時溫度變化的難易程度，對人工凍土地基溫度場的影響主要體現(xiàn)在溫度變化速率和熱儲存能力方面。當土體的比熱容增大時，意味著單位質(zhì)量的土體溫度升高或降低1℃所需要吸收或釋放的熱量增多。在凍結(jié)過程中，冷卻介質(zhì)需要帶走更多的熱量才能使土體溫度下降，因此土體溫度下降速率減慢。在模型試驗中，若將土體的比熱容從1.8kJ/(kg?K)提高到2.0kJ/(kg?K)，在相同的冷卻條件下，土體溫度下降到相同溫度所需的時間延長了約15%，距離凍結(jié)管15cm處的土體在凍結(jié)初期的溫度下降速率降低了約18%。這說明比熱容的增大使得土體在凍結(jié)過程中溫度變化更加緩慢，需要更長的時間來達到預期的凍結(jié)溫度。比熱容的變化對土體的熱儲存能力也有重要影響。比熱容大的土體能夠儲存更多的熱量，在凍結(jié)過程中，這部分儲存的熱量會阻礙土體溫度的下降，使得凍結(jié)過程更加緩慢。在融化過程中，比熱容大的土體則需要吸收更多的熱量才能使溫度升高，從而延緩了融化速度。在實際工程中，當人工凍土地基周圍環(huán)境溫度發(fā)生變化時，比熱容大的土體能夠更好地緩沖溫度變化的影響，減少溫度波動對地基穩(wěn)定性的影響。在夏季氣溫較高時，人工凍土地基中的土體由于比熱容較大，能夠吸收周圍環(huán)境的熱量而自身溫度升高較慢，從而保持地基的相對穩(wěn)定性；在冬季氣溫較低時，土體又能夠緩慢釋放儲存的熱量，減少地基的凍結(jié)深度，降低凍脹風險。土體的比熱容還與土體的成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般來說，有機質(zhì)含量較高的土體，其比熱容相對較大。這是因為有機質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)較為復雜，內(nèi)部存在較多的化學鍵和分子間作用力，在溫度變化時需要吸收或釋放更多的能量來打破或形成這些化學鍵和作用力，從而導致比熱容增大。土體中的孔隙結(jié)構(gòu)也會影響比熱容?？紫堵瘦^大的土體，由于孔隙中填充了空氣，空氣的比熱容較小，會使土體的整體比熱容相對減小。而當孔隙被水或其他液體填充時，由于水的比熱容較大，土體的比熱容會相應增大。4.1.3相變潛熱相變潛熱是土體在凍結(jié)和融化過程中發(fā)生相變時吸收或釋放的熱量，對人工凍土地基溫度場的影響機制較為復雜。在凍結(jié)過程中，土體中的水分從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，會釋放大量的相變潛熱。這部分相變潛熱的釋放會阻礙土體溫度的進一步降低，使得凍結(jié)過程出現(xiàn)一個相對穩(wěn)定的階段，即溫度在0℃附近保持一段時間。在模型試驗中，當土體開始凍結(jié)時，溫度下降到0℃后，由于相變潛熱的作用，溫度在0℃附近保持了約3-4小時，這段時間內(nèi)土體中的水分逐漸凍結(jié)成冰，冰的形成過程中釋放的相變潛熱與土體向冷卻介質(zhì)散失的熱量達到了動態(tài)平衡，從而維持了溫度的相對穩(wěn)定。相變潛熱的大小與土體的含水量密切相關(guān)。含水量越高，土體在凍結(jié)過程中釋放的相變潛熱就越多，對溫度場的影響也就越顯著。在高含水量的軟土地基中，由于大量水分的存在，相變潛熱的釋放會使得凍結(jié)過程變得非常緩慢，凍結(jié)鋒面的推進速度也會大大降低。相變潛熱還會影響凍結(jié)鋒面的形狀和位置。在相變潛熱釋放較多的區(qū)域，凍結(jié)鋒面的推進受到阻礙，會形成一個相對平緩的過渡帶；而在相變潛熱釋放較少的區(qū)域，凍結(jié)鋒面則會推進較快，導致溫度場分布不均勻。在融化過程中，土體中的冰從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，需要吸收大量的相變潛熱。這使得土體溫度在融化過程中也會出現(xiàn)一個相對穩(wěn)定的階段，即溫度在0℃附近保持一段時間，直到冰完全融化后，土體溫度才會繼續(xù)升高。相變潛熱的存在使得融化過程同樣變得緩慢，并且容易導致土體在融化過程中的不均勻變形。當土體中不同區(qū)域的冰含量不同時，融化過程中吸收的相變潛熱也不同，會導致不同區(qū)域的土體變形不一致，從而對工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。在某地鐵隧道工程中，由于人工凍土地基在融化過程中相變潛熱的作用，導致隧道周圍土體出現(xiàn)不均勻融沉，隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，影響了工程的安全和正常使用。4.2環(huán)境因素的影響4.2.1環(huán)境溫度環(huán)境溫度作為影響人工凍土地基溫度場的重要外部因素，對地基溫度場的整體分布和凍結(jié)、融化過程均有著顯著作用。當環(huán)境溫度較低時，人工凍土地基與環(huán)境之間存在較大的溫差，這使得地基向環(huán)境散熱的速度加快。在凍結(jié)過程中，這種較大的溫差為熱量傳遞提供了更強的驅(qū)動力，冷卻介質(zhì)的冷量能夠更迅速地傳遞到土體中，從而加快了凍結(jié)鋒面的推進速度，使得土體溫度下降更為迅速。在某寒區(qū)隧道工程中，冬季施工時環(huán)境溫度可低至-30℃，人工凍土地基在這樣的低溫環(huán)境下，凍結(jié)速度極快，凍結(jié)鋒面在短時間內(nèi)就能推進到較遠的距離，土體溫度也能快速降低到設計要求的凍結(jié)溫度以下。但快速的凍結(jié)也帶來了一些問題，如土體內(nèi)部溫度梯度較大，容易導致土體開裂等現(xiàn)象，影響地基的穩(wěn)定性。當環(huán)境溫度較高時，情況則相反。地基與環(huán)境之間的溫差減小，熱量傳遞的驅(qū)動力減弱，冷卻介質(zhì)的冷量傳遞到土體中的速度變慢，凍結(jié)鋒面的推進受到阻礙，土體溫度下降緩慢。在某南方城市的地鐵工程中，夏季施工時環(huán)境溫度常常高達35℃以上，人工凍土地基在這種高溫環(huán)境下，凍結(jié)效果受到很大影響。為了達到設計的凍結(jié)要求，不得不加大冷卻系統(tǒng)的功率，增加凍結(jié)時間，這不僅增加了工程成本，還延長了施工周期。高溫環(huán)境還可能導致凍結(jié)管周圍的土體出現(xiàn)局部融化的現(xiàn)象，影響地基的整體凍結(jié)效果和穩(wěn)定性。在融化過程中，環(huán)境溫度同樣起著關(guān)鍵作用。若環(huán)境溫度較高，地基從環(huán)境中吸收熱量的速度加快，土體溫度升高迅速，融化過程加速。而當環(huán)境溫度較低時，地基向環(huán)境散熱，土體溫度升高緩慢，融化過程相應減緩。在春季氣溫回升較快的地區(qū)，人工凍土地基的融化速度明顯加快，需要密切關(guān)注地基的融沉情況，及時采取措施防止對工程結(jié)構(gòu)造成不利影響；而在氣溫回升較慢的地區(qū)，融化過程相對平穩(wěn)，對工程的影響相對較小。4.2.2濕度濕度對人工凍土地基溫度場的影響較為復雜，主要通過對土體熱物理性質(zhì)的改變以及水分遷移和相變潛熱等方面來作用于溫度場。在高濕度環(huán)境下，土體周圍存在大量的水汽，水汽在土體表面凝結(jié)成水，使得土體的含水量增加。水的比熱容較大，約為4.18kJ/(kg?K)，土體含水量的增加會導致其熱容量增大。這意味著單位質(zhì)量的土體溫度升高或降低1℃所需要吸收或釋放的熱量增多，從而影響了土體溫度的變化速率。在凍結(jié)過程中，冷卻介質(zhì)需要帶走更多的熱量才能使土體溫度下降，導致土體溫度下降速率減慢，凍結(jié)鋒面的推進速度也隨之變慢。土體中過多的水分遷移還可能導致土體內(nèi)部水分分布不均勻，進而影響溫度場的均勻性。在某沿海地區(qū)的工程中，由于空氣濕度長期保持在80%以上，人工凍土地基在凍結(jié)過程中，土體中的水分大量遷移，使得靠近表面的土體含水量明顯高于內(nèi)部土體。在凍結(jié)過程中，靠近表面的土體因含水量高，相變潛熱釋放量大，溫度下降緩慢，而內(nèi)部土體則溫度下降相對較快，導致溫度場分布不均勻，部分區(qū)域出現(xiàn)凍脹不均勻的情況，對工程質(zhì)量產(chǎn)生了不利影響。在低濕度環(huán)境下，土體中的水分容易蒸發(fā)散失，導致土體含水量降低。含水量的減少使得土體在凍結(jié)過程中釋放的相變潛熱減少，溫度下降速度加快，凍結(jié)鋒面的推進速度相應加快。由于水分蒸發(fā)主要發(fā)生在土體表面，這會導致土體表面溫度下降更快，溫度場在垂直方向上出現(xiàn)較大的梯度變化。在某干旱地區(qū)的工程中，空氣濕度常年低于30%，人工凍土地基在凍結(jié)過程中，土體表面水分迅速蒸發(fā)，使得表面溫度迅速降低，而內(nèi)部溫度下降相對較慢，導致土體表面和內(nèi)部形成較大的溫度差，從而引發(fā)土體的不均勻變形，甚至出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，影響了地基的穩(wěn)定性。4.3工程因素的影響4.3.1覆蓋厚度覆蓋厚度在人工凍土地基中起著關(guān)鍵的隔熱和保溫作用，對溫度場的分布和變化有著顯著影響。當覆蓋層厚度增加時，其隔熱性能增強，能夠有效阻擋外界熱量的傳入或內(nèi)部冷量的散失。在寒冷地區(qū)的建筑工程中，增加地基上的保溫材料覆蓋厚度，可以減少冬季地基熱量向外界環(huán)境的散失，使地基溫度保持相對穩(wěn)定，有利于維持人工凍土地基的凍結(jié)狀態(tài)，降低能源消耗。從傳熱學原理來看，覆蓋層相當于一個熱阻，其熱阻大小與覆蓋層的厚度成正比。根據(jù)傅里葉導熱定律，在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，熱流量與溫度梯度和導熱系數(shù)成正比，與熱阻成反比。當覆蓋層厚度增大時，熱阻增大，在相同的溫度差下，通過覆蓋層的熱流量減小，從而減緩了地基溫度的變化速率。在夏季，較厚的覆蓋層可以阻止外界高溫對地基的影響，減少地基的升溫幅度，防止人工凍土地基出現(xiàn)局部融化現(xiàn)象，保證地基的穩(wěn)定性。覆蓋厚度還會影響凍結(jié)鋒面的位置和推進速度。較厚的覆蓋層會使凍結(jié)鋒面向地基內(nèi)部推進的速度減慢，因為覆蓋層阻擋了冷卻介質(zhì)的冷量向地基深部傳遞。在某地鐵隧道工程中，為了保護隧道周邊的既有建筑物，在人工凍土地基與建筑物之間設置了一定厚度的隔熱層。隨著隔熱層厚度的增加，凍結(jié)鋒面靠近建筑物一側(cè)的推進速度明顯減慢，有效地減少了凍結(jié)過程對建筑物的影響，避免了因地基凍結(jié)引起的建筑物不均勻沉降等問題。4.3.2地面超載地面超載是影響人工凍土地基溫度場及穩(wěn)定性的重要工程因素之一。當人工凍土地基承受地面超載時，土體內(nèi)部的應力狀態(tài)發(fā)生改變，這種應力變化會對溫度場產(chǎn)生多方面的影響。在力學方面，地面超載會使土體顆粒之間的接觸更加緊密，導致土體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這種孔隙結(jié)構(gòu)的改變會影響土體的熱傳導性能，進而影響溫度場的分布。由于顆粒接觸緊密，熱量傳遞的路徑更加順暢，使得土體的導熱系數(shù)增大。在某高層建筑的人工凍土地基中，隨著地面超載的增加，地基土體的導熱系數(shù)比未加載時提高了約10%-15%，導致凍結(jié)過程中溫度下降速度加快，凍結(jié)鋒面的推進速度也相應加快。地面超載還會影響土體的水分遷移。在超載作用下，土體中的水分會在壓力梯度的作用下發(fā)生遷移，從高壓區(qū)向低壓區(qū)流動。水分的遷移會攜帶熱量，從而改變溫度場的分布。在凍結(jié)過程中，水分的遷移可能導致局部區(qū)域含水量增加，在這些區(qū)域，由于水分凍結(jié)時釋放的相變潛熱較多，溫度下降速度會減慢，凍結(jié)鋒面的推進也會受到阻礙。在某重載鐵路的人工凍土地基中，由于列車荷載的長期作用，地基土體中的水分向軌道下方遷移，使得軌道下方土體的含水量明顯高于其他區(qū)域。在凍結(jié)過程中，軌道下方土體的溫度下降速度比周圍土體慢了約30%-40%，凍結(jié)鋒面在該區(qū)域的推進出現(xiàn)了明顯的滯后現(xiàn)象，導致地基的凍結(jié)不均勻，影響了地基的穩(wěn)定性。地面超載對地基穩(wěn)定性的影響也不容忽視。過大的地面超載可能導致地基土體產(chǎn)生過大的變形，甚至發(fā)生破壞。在凍結(jié)狀態(tài)下，土體的強度和剛度較高，但當超載超過土體的承載能力時，土體仍可能發(fā)生屈服和破壞。在融化狀態(tài)下，土體的強度和剛度會顯著降低，此時地面超載更容易引發(fā)地基的失穩(wěn)。在某橋梁工程中，由于人工凍土地基在融化期承受了超過設計荷載的車輛通行，導致地基發(fā)生不均勻沉降，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，嚴重影響了橋梁的安全使用。4.3.3凍土壁厚度凍土壁厚度與人工凍土地基溫度場分布及變化存在緊密的聯(lián)系，對地基的穩(wěn)定性和承載能力有著重要影響。凍土壁作為人工凍土地基的重要組成部分，其厚度直接決定了地基的承載能力和抗變形能力。當凍土壁厚度增加時，其內(nèi)部的溫度分布會發(fā)生相應變化。在凍結(jié)過程中，隨著凍土壁厚度的增大，凍結(jié)鋒面向外擴展，凍土壁內(nèi)部的溫度梯度逐漸減小。這是因為隨著凍結(jié)區(qū)域的擴大，熱量傳遞的距離增加，熱阻增大，使得溫度變化逐漸趨于平緩。在某礦井建設中，通過增加凍結(jié)管的布置密度和延長凍結(jié)時間，使凍土壁厚度從設計的2m增加到2.5m，凍土壁內(nèi)部的溫度梯度在凍結(jié)后期降低了約20%-30%，溫度分布更加均勻，有利于提高地基的穩(wěn)定性。凍土壁厚度還會影響地基的融化過程。較厚的凍土壁在融化時需要吸收更多的熱量，融化速度相對較慢。這是因為凍土壁中的冰含量隨著厚度的增加而增加，融化這些冰需要消耗大量的熱量。在某城市地鐵隧道施工完成后，由于周邊環(huán)境溫度升高，人工凍土地基開始融化。較厚的凍土壁區(qū)域融化時間比薄凍土壁區(qū)域延長了約1-2周，這為工程后續(xù)的結(jié)構(gòu)保護和運營維護提供了更充足的時間。如果凍土壁厚度不足，在融化過程中可能會導致地基迅速失去承載能力，引發(fā)地面沉降、結(jié)構(gòu)變形等問題。在某小型建筑工程中，由于人工凍土地基的凍土壁厚度未達到設計要求，在春季氣溫回升時，凍土壁迅速融化，地基出現(xiàn)了明顯的沉降，導致建筑物墻體開裂，嚴重影響了建筑物的正常使用。五、案例分析5.1實際工程案例選取本研究選取某盾構(gòu)出洞水平凍結(jié)加固工程作為案例進行深入分析，主要基于以下幾方面原因。該工程的地質(zhì)條件極具代表性，其盾構(gòu)出洞區(qū)域主要分布著上部的粉砂層和下部的粉質(zhì)黏土層。粉砂層為微承壓含水層，具有中等至較好的透水性及賦水性，滲透系數(shù)K=1.75E-3cm/s，影響半徑約40m，這種富水砂層在實際工程中較為常見，且在盾構(gòu)出洞時極易引發(fā)洞門土體坍塌、涌水涌砂等風險。下部的粉質(zhì)黏土層則具有含水量高、壓縮性大、強度低等特點，進一步增加了工程的復雜性。研究這樣的地質(zhì)條件下人工凍土地基溫度場的變化規(guī)律，對于指導類似工程的設計和施工具有重要意義。該工程采用的水平凍結(jié)加固技術(shù)是人工凍土地基技術(shù)在盾構(gòu)進出洞施工中的典型應用。水平凍結(jié)法通過將凍結(jié)孔沿水平方向環(huán)形布置，形成杯型凍土壁，以此來加固土體，防止洞門土體坍塌，確保盾構(gòu)安全出洞。杯型凍土壁溫度場的形成受到眾多因素的影響，如凍結(jié)管的布置、鹽水溫度、土體性質(zhì)等，其溫度場的發(fā)展規(guī)律和特征研究對于優(yōu)化凍結(jié)方案、提高盾構(gòu)進出洞的安全性具有關(guān)鍵作用。從工程的重要性和影響力來看，該盾構(gòu)出洞水平凍結(jié)加固工程作為城市地鐵建設的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其成功實施對于保障地鐵線路的順利貫通、提高城市交通運行效率具有重要意義。通過對該工程的研究，可以為其他城市地鐵建設以及類似地下工程的人工凍土地基設計和施工提供寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)支持，推動人工凍土地基技術(shù)在工程領域的廣泛應用和發(fā)展。5.2案例工程溫度場模擬與分析5.2.1模型建立基于所選盾構(gòu)出洞水平凍結(jié)加固工程的實際參數(shù)，運用有限元軟件ANSYS建立三維數(shù)值模型。該模型涵蓋盾構(gòu)隧道、周圍土體以及凍結(jié)管等關(guān)鍵部分。隧道外徑設定為6.3m，襯砌管片厚0.35m，隧道中心埋深為18m。土體范圍取隧道周圍20m，以確保邊界條件對內(nèi)部溫度場的影響可忽略不計。土體采用實體單元Solid70進行模擬，該單元具有良好的熱分析能力，能夠準確模擬土體中的熱傳導過程。凍結(jié)管采用LINK33熱傳導桿單元模擬，LINK33單元可有效模擬一維熱傳導，能夠精確體現(xiàn)凍結(jié)管內(nèi)冷卻介質(zhì)與土體之間的熱量交換。在網(wǎng)格劃分時，對凍結(jié)管周圍和隧道附近區(qū)域進行加密處理，以提高溫度場計算的精度。在凍結(jié)管周圍，網(wǎng)格尺寸設置為0.1m，確保能夠準確捕捉到凍結(jié)管與土體之間的溫度變化梯度；在隧道附近區(qū)域，網(wǎng)格尺寸設置為0.2m，以精確模擬隧道對周圍土體溫度場的影響。其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸則根據(jù)實際情況適當放大，以平衡計算精度和計算效率，一般設置為0.5m。在邊界條件設定方面，模型的上表面與空氣直接接觸，設置為第三類邊界條件，考慮對流換熱和輻射換熱。對流換熱系數(shù)根據(jù)實際環(huán)境條件取值為8.5kJ/(h?m2?K)，輻射換熱系數(shù)根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律計算得出，取值為5.67×10??W/(m2?K?)。模型的側(cè)面和底面設置為絕熱邊界條件，即熱流量為零，以模擬實際工程中土體深部溫度不受外界影響的情況。初始條件設定土體初始溫度為15℃，凍結(jié)管內(nèi)鹽水初始溫度為-25℃，這是根據(jù)工程現(xiàn)場的實際測量數(shù)據(jù)確定的。5.2.2模擬結(jié)果與試驗對比將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行詳細對比，以驗證模型的準確性和可靠性。對比不同位置處的溫度隨時間變化曲線，包括靠近凍結(jié)管的位置、隧道周邊位置以及不同深度處的土體溫度。在靠近凍結(jié)管的位置，模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的溫度變化趨勢高度一致。在凍結(jié)初期，溫度迅速下降，模擬曲線與試驗曲線幾乎重合，隨著凍結(jié)時間的延長，溫度下降速率逐漸減緩，兩者的變化趨勢也保持一致。在距離凍結(jié)管0.5m處，模擬得到的10天內(nèi)溫度下降曲線與試驗測量曲線的最大偏差僅為0.5℃，表明模型能夠準確模擬凍結(jié)管附近土體的快速降溫過程。對于隧道周邊位置的溫度，模擬結(jié)果同樣與試驗數(shù)據(jù)相符。在盾構(gòu)隧道頂部，模擬和試驗得到的溫度變化曲線在整個凍結(jié)過程中都較為接近，能夠準確反映隧道周邊土體由于受到隧道結(jié)構(gòu)和凍結(jié)影響而產(chǎn)生的溫度變化。在凍結(jié)20天后，模擬溫度與試驗測量溫度的偏差在1℃以內(nèi)，驗證了模型對隧道周邊復雜溫度場的模擬能力。在不同深度處的土體溫度對比中，模擬結(jié)果也能夠較好地反映實際情況。隨著深度的增加，土體溫度變化相對較為平緩，模擬曲線與試驗曲線在溫度變化趨勢和數(shù)值上都具有較高的一致性。在深度為10m處，模擬得到的溫度變化曲線與試驗曲線的偏差在整個凍結(jié)過程中均控制在1.5℃以內(nèi)，說明模型能夠準確模擬土體在不同深度處的溫度分布和變化規(guī)律。通過對多個位置的溫度對比分析，計算得出模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的平均相對誤差在5%以內(nèi)，進一步證明了所建立的數(shù)值模型能夠準確可靠地模擬該盾構(gòu)出洞水平凍結(jié)加固工程的溫度場。5.2.3案例工程溫度場特性及影響因素分析結(jié)合模擬和試驗結(jié)果，深入分析該案例工程中溫度場的特性和主要影響因素。在凍結(jié)過程中，溫度場呈現(xiàn)出明顯的非均勻分布特征。以凍結(jié)管為中心，溫度呈同心圓狀向外逐漸升高，形成明顯的溫度梯度。在水平方向上，靠近凍結(jié)管的區(qū)域溫度較低，遠離凍結(jié)管的區(qū)域溫度較高；在垂直方向上，由于熱量主要通過水平方向的凍結(jié)管傳遞，垂直方向上的溫度變化相對較小，但仍存在一定的溫度梯度，上部土體溫度略高于下部土體溫度。凍結(jié)時間對溫度場的發(fā)展起著關(guān)鍵作用。隨著凍結(jié)時間的增加，凍結(jié)鋒面不斷向外擴展，凍土區(qū)域逐漸增大，溫度場的分布范圍也隨之擴大。在凍結(jié)初期，凍結(jié)鋒面推進速度較快，溫度下降明顯；隨著凍結(jié)時間的延長，凍結(jié)鋒面推進速度逐漸減緩，溫度下降速率也逐漸減小，這是由于隨著凍結(jié)區(qū)域的擴大，熱量傳遞的距離增加，熱阻增大，導致溫度變化逐漸趨于平緩。土體性質(zhì)對溫度場的影響也十分顯著。該工程中上部的粉砂層和下部的粉質(zhì)黏土層具有不同的熱物理性質(zhì)，導致溫度場在不同土層中的分布和變化存在差異。粉砂層的導熱系數(shù)相對較大，熱量傳遞速度較快，因此在相同的凍結(jié)條件下，粉砂層中的溫度下降速度比粉質(zhì)黏土層更快，凍結(jié)鋒面在粉砂層中的推進速度也更快。粉質(zhì)黏土層由于含水量較高，在凍結(jié)過程中釋放的相變潛熱較多，這使得粉質(zhì)黏土層的溫度下降速度減緩，凍結(jié)鋒面的推進受到一定阻礙。凍結(jié)管的布置方式和鹽水溫度是影響溫度場的重要工程因素。在本工程中，凍結(jié)管沿水平方向環(huán)形布置，形成杯型凍土壁。這種布置方式使得土體在水平方向上能夠均勻地接受冷量，有利于形成較為規(guī)則的溫度場分布。鹽水溫度直接影響著凍結(jié)管與土體之間的溫差，從而影響熱量傳遞的速率。當鹽水溫度降低時，凍結(jié)管與土體之間的溫差增大，熱量傳遞速度加快，土體溫度下降更快，凍結(jié)鋒面的推進速度也相應加快。在模擬中，將鹽水溫度從-25℃降低到-30℃，結(jié)果顯示在相同的凍結(jié)時間內(nèi)，凍結(jié)鋒面的擴展半徑增加了約0.2m，土體溫度下降速率提高了約20%。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)通過精心設計并實施人工凍土地基溫度場模型試驗，結(jié)合深入的理論分析和數(shù)值模擬，本研究在人工凍土地基溫度場特性及影響因素方面取得了一系列重要成果。在模型試驗方面，基于相似性原理搭建了高精度的試驗模型，采用先進的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，獲取了豐富且準確的溫度場數(shù)據(jù)。通過對不同時刻、不同位置處土體溫度的監(jiān)測，為后續(xù)的特性分析和影響因素研究提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎。在溫度場特性分析方面，明確了人工凍土地基溫度場的分布和變化規(guī)律。在空間分布上，以凍結(jié)管為中心，溫度呈同心圓狀向外逐漸升高，在水平和垂直方向上均存在一定的溫度梯度。在時間變化上，凍結(jié)過程中溫度下降速率呈現(xiàn)先快后慢的階段性特征，且在相變階段溫度基本保持不變；融化過程中溫度上升速率則呈現(xiàn)先慢后快再慢的變化趨勢。在不同工況下，荷載和邊界條件對溫度場有著顯著影響。不同荷載工況下，地基的溫度場分布和變化不同，重荷載會導致溫度場不均勻，影響地基穩(wěn)定性；不同邊界條件中，環(huán)境溫度和濕度的變化會改變土體的熱物理性質(zhì)和水分遷移情況，進而影響溫度場的分布和變化。在影響因素分析方面，系統(tǒng)研究了土熱參數(shù)、環(huán)境因素和工程因素對溫度場的影響。土熱參數(shù)中，導熱系數(shù)影響熱量傳遞速度，進而影響凍結(jié)鋒面推進速度和土體溫度下降速率；比熱容決定土體吸收或釋放熱量時溫度變化的難易程度，影響溫度變化速