冻土温度场分析对于冻土特性研究及冻土地区工程建设具有重要的作用,而冰水相变所产生的相变潜热大大增加了冻土温度场分析的复杂性。针对该问题,基于线热源模型和冻土传热基本理论,在考虑未冻水和相变潜热的情况下计算了冻土导热系数、体积热容和相变热容,分析其与测量初始温度的关系;在分析结果的基础上,对冻土含冰量的光纤测量技术进行了理论修正。基于主动加热光纤(AHFO)法,开展了一系列室内验证试验:在恒定的加热功率和时间下,采用自主研发的光纤光栅(FBG)刚玉管传感器,对同一初始含水量的冻土试样进行温度监测。结果表明:在本文试验条件下,FBG刚玉管传感器的影响半径小于5 cm,可以忽略边界效应;传感器所测温度增量与时间对数线性关系良好,主动加热对于冻土导热系数影响较小,线源模型适用于冻土导热系数测量;冻土导热系数与试验初始温度呈线性增长关系;在初始温度低于-6℃时,相变热容趋于稳定;在-6～0℃时,相变热容随温度升高逐渐增大,且变化趋势愈渐强烈;当初始温度高于-5℃时,相变热容甚至大于冻土自身的体积热容。相关结论为进一步提高冻土含冰量测试技术的精度提供了参考。

为解决现有人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发不良后果的问题,可设置加热限位管对冻土帷幕的发展进行限制,从而达到控制冻胀融沉的目的。本文运用有限元软件研究在冻土帷幕界面上设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律,主要得出:加热限位管盐水温度每升高5℃,冻土帷幕厚度就减小约0.2 m;在已冻结30 d,冻土厚度发展到1.6 m冻土上,加热限位管循环5℃盐水时,随着时间的增加冻土厚度慢慢变小,加热限位管作用效果明显;在限位管开始循环热水前期,各点温度都有明显上升,离限位管越近温度所受影响越大;随着时间的推移,各点温度趋于稳定,循环热盐水温度越高,趋于稳定的温度值也越高。所得结果可为今后类似工程设计提供参考依据。

为解决人工冻结技术产生冻胀融沉所引发不良后果的问题,可设置加热限位管来达到控制冻胀融沉的目的。运用有限元软件研究了设置加热限位管与自然解冻对冻土温度场发展的影响规律,主要结论:无需加热时,间距800 mm单排冻结管在冻结50天时冻土厚度可达2.4 m;当限位管循环5℃热盐水之后,各点温度都有明显上升,离限位管越近温度受影响越大,随着时间的推移,各点温度趋于稳定,最终冻土厚度约1.4 m;而自然解冻工况下冻土帷幕最终厚度约1.2 m,整个冻土帷幕温度趋于一致、强度变得均匀,单从最终形成的冻土帷幕来看,自然解冻是最好选择。

为解决现有人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发的不良后果问题,设置加热限位管对冻土帷幕的发展进行限制。运用有限元软件分析在冻土帷幕主面上设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律,主要得出:随着加热限位管盐水温度的升高,冻土帷幕厚度呈线性减小趋势;限位管循环盐水温度越高,最终形成的冻土帷幕边界平整性就越好,从而具有较好的限位效果;限位管应与冻结管对齐设置在冻土帷幕主面上;限位管与冻结管距离由最终控制冻土帷幕的厚度决定;循环热盐水的温度不宜过高,宜为5～10℃。

为解决现有人工冻结法施工后周围地层产生冻胀融沉所引发不良后果的问题,可设置加热限位管对冻土帷幕的发展进行限制,从而达到控制冻胀融沉的目的。运用有限元软件研究了设置加热限位管时对冻土帷幕温度场发展的影响规律,主要得出:加热限位管盐水温度每升高5℃,冻土帷幕厚度就减小约0.2 m;加热限位管循环5℃盐水时,在冻结30d前冻土帷幕厚度发展速度约0.05 m/d,之后由于加热限位管的作用,冻土帷幕不再向限位管以外发展,加热限位管作用效果明显;路径2各点温度一致,在冻结50 d时限位管盐水温度每升高5℃,其各点温度上升约1.5℃;在限位管开始循环热水前期,各点温度都有明显上升,离限位管越近温度所受影响越大;随着时间的推移,各点温度趋于稳定,循环热盐水温度越高,趋于稳定的温度值也越高。所得结果可为今后类似工程设计提供理论参考依据。