地鐵十三陵景區(qū)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)凍脹變形分析.pdf

1、隨著北京地鐵網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張，越來(lái)越多地鐵線路向郊區(qū)、山區(qū)延伸，對(duì)于地鐵車(chē)站基坑施工周期一般要跨越2～3個(gè)冬季，基坑支護(hù)工程面臨著冬季低溫的嚴(yán)峻考驗(yàn)。近年來(lái)北京地區(qū)冬季異常寒冷，不斷出現(xiàn)極端低溫天氣，山區(qū)降溫劇烈（如2015年最低溫度在-27℃～-29℃），并且低溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致基坑凍害事故頻發(fā)。由于凍土中溫度、水分和應(yīng)力之間的相互耦合是一個(gè)涉及熱傳質(zhì)學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)和物理化學(xué)的極其復(fù)雜的綜合問(wèn)題，要有效的預(yù)防和抑制土體凍脹對(duì)越冬基坑

2、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，就必須充分考慮溫度、水分和應(yīng)力的耦合作用。因此，本文以地鐵十三陵景區(qū)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于凍土水、熱、力耦合理論，主要采用數(shù)值手段對(duì)越冬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)凍脹變形進(jìn)行分析。主要工作如下:
　　(1)基于Harlan水熱耦合模型，考慮水分遷移及水冰相變對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響，建立水、熱、力耦合模型。通過(guò)引入Heaviside函數(shù)，消除凍土區(qū)與未凍土區(qū)水、熱、力特性參數(shù)之間的跳躍性，同時(shí)將凍土區(qū)和未凍土區(qū)模型統(tǒng)一起來(lái);利用多

3、場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL Multiphysics中數(shù)學(xué)模塊的PDE模式進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立水、熱、力耦合控制方程，并將它們之間的耦合關(guān)系定義為變量的形式。
　　(2)利用COMSOL Multiphysics所建立的水、熱、力耦合模型，對(duì)土柱試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與室內(nèi)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做對(duì)比，分析結(jié)果證明了凍土水、熱、力耦合模型及其數(shù)值方法的可靠性。
　　(3)最后，采用本文在COMSOL中建立的耦合模型，對(duì)地鐵十三陵景區(qū)站基

4、坑工程進(jìn)行水、熱、力耦合數(shù)值模擬及分析。揭示了越冬基坑在水、熱、力相互作用下，溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)中變量及參數(shù)的分布及變化規(guī)律;模擬出了凍結(jié)期內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻后水平凍深及地表垂直凍深的發(fā)展規(guī)律，最大垂直凍深為1.2m，并擬合得出凍深隨空氣凍結(jié)指數(shù)的平方根呈線性增長(zhǎng);有無(wú)支撐情況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移分別為3.6cm、7.4cm，說(shuō)明橫支撐能夠有效減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)凍脹變形;有無(wú)橫支撐情況下的沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度的凍脹力均出現(xiàn)2個(gè)峰值，第一個(gè)峰值的位置分