渗流地层人工冻结温度场和渗流场之数值研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第32卷第1期煤炭学报V01．32No．12007年1月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJan．20o7文章编号：0253—9993(2007)01-0024-05渗流地层人工冻结温度场和渗流场之数值研究周晓敏，肖龙阁(1．北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；2．中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071；3．中铁隧道集团有限公司，河南洛阳471009)摘要：提出了地层冻结过程的渗流场和温度场的耦合机理和

2、渗透系数的耦合作用，建立了冻土和融土统一的微分方程数学模型，对冻、融土的热参数渗流系数进行了光滑的曲线回归，解决了非线性耦合有限元数值计算难题，实现了渗流地层人工冻结过程的数值仿真技术，数字可视化地研究了在渗流作用下的井筒冻结温度场和渗流场分布和发展规律．关键词：渗流地层；温度场；耦合场；有限元中图分类号：TD265．34；TU445文献标识码：ANumericalresearchonthetemperatureandseepagefieldsofartificialseepagegroundfreezingZ

3、HOUXiao．min．XIAOLongge，(1．StateKeyLaboratoryofHigh—gftcientMiningandSafetyofMetalMines，MinistryofEducation，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Bei-昭100083，China；2．1nstlttaeofRockandSodMechanics，ChineseAcademyScience，Wuhan430071，China；3．ChinaRailwayTunnel

4、GroupCo．，，Laoyang471009，China)Abstract：Putforwardsthemechanicsofcoupledfieldsofseepageandtemperaturefield，proposedthecouplingfunctionofthevariableofseepagecoeficient，setupuniteddiferentialequationsforfrozenandunfrozensoil．Withthethermalandseepageparametersof

5、frozenorunfrozensoilsmoothlyregressed，thenon-linearandcoupledfiniteelementmethods(FEM)problemsweresuccessfullysolved，andtheFEMsimulationtechnologywasactuallyrealized．thusthedistributionanddevelopmentoftemperatureandseepagefieldandtheformationprogressofsh出ice

6、—wallintheseepagegroundwerestudiedvisuallyandnumeraly．Keywords：seepageground；temperaturefield；coupledfields；finiteelementmethods(FEM)冻结法是目前矿山凿井广泛应用的特殊凿井工艺，用于解决流砂、淤泥等松软表土地层的加固，传统的冻结壁温度场分析主要以纯相变导热方程为基础，没有考虑水渗流作用的影响¨．2j，在自然的水流梯度条件下。地下水流速度一般不会超过4m／d¨，不考虑水流影响的温度场

7、计算基本能满足工程的需要．但近几十年以来，人类生产活动的强度加大，使得矿井建设的水文地质条件日趋复杂，例如2004年，内蒙古建昌营矿2号主井由于周边露天煤矿的持续降水，井筒积极冻结法128d尚未能交圈，后采取地层灌浆降低水流速度和双排加密冻结孔才得到解决．在2O世纪7O年代，日本学者高志勤就曾考虑用水渗流作用研究地层冻结的解析理论J，由于渗流场和温度场耦合作用的复杂性，研究进展缓慢．现代数值计算技术的发展，为多场非线性耦合的渗流地层冻收稿日期：2006—08—15责任编辑：柴海涛作者简介：周晓敏(1963一)，

8、男，江苏金坛人，教授，博士．Tel：010-62334098。E—mail：zhouxiaomin—cn@yahoo．COIl1维普资讯http://www.cqvip.com第1期周晓敏等：渗流地层人工冻结温度场和渗流场之数值研究结理论问题提供了研究手段．1渗流地层人工冻结的基本理论人工地层冻结涉及到温度场、应力场和渗流场的3场耦合问题，但这里主要研究温度场和渗流场．1．1渗流微分方