潛盾隧道冰凍工法熱傳導之有限元素分析

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姓名

李佳恩(Jia-En Lee) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

潛盾隧道冰凍工法熱傳導之有限元素分析

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摘要(中)

本研究針對潛盾隧道開挖時所使用之冰凍工法，進行熱傳導的數值模擬分析，模擬的案例為國立雲林科技大學校址內進行的冰凍開挖試驗，依照試驗現地狀況建立有限元素數值模型，並透過溫度邊界條件的設定，模擬冰凍管的冷凍作用，並考量土壤密度、熱傳導係數、比熱、潛熱等材料參數之設定，以有限元素軟體ABAQUS進行數值模擬分析。模擬之結果與現地測溫資料比較，以探討模擬之成效；另外分別藉由調整溫度邊界條件、冰凍管數目，探討冰凍管冷凍能力及冰凍管間距對凍土發展之影響。

摘要(英)

A thermal conductivity study of freezing method for tunnel constructions is analyzed in this paper using finite element simulations. The numerical analysis is performed by using ABAQUS, which considers temperature boundary conditions, density of soil, thermo conductivity of soil, specific heat of soil, and latent heat of soil.
The applicability of the simulation results is evaluated by comparing with the on-site observation of the ground freezing test carried out in National Yunlin University of Science and Technology. Further, influence factors on the freezing behavior are studied by adjusting the strength of freezing and the number of freezing pipes.

關鍵字(中)

★ 潛盾隧道
★ 冰凍工法
★ 凍土
★ 土壤凍結
★ 冷凍工法
★ 有限元素法

關鍵字(英)

★ freezing method
★ tunnel
★ finite element method
★ ground freezing

論文目次

第一章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機和目的 2
1.3 研究方法 3
1.4 論文內容 3
第二章文獻回顧 5
2.1 潛盾開挖之輔助工法 5
2.2 冰凍工法相關事項 5
2-2-1 冰凍工法常用之形式 6
2-2-2 冰凍管型式 7
2-2-3 冰凍工法之施工 9
2.3 土壤基本熱性質 10
2.4 凍土的特性 10
2.5 土壤冰凍試驗之相關文獻 12
2.6 土壤冰凍數值模擬分析相關文獻 16
第三章熱傳分析理論與數值模擬方法 27
3.1 前言 27
3.2 熱力學分析理論 27
3.3 熱傳導分析理論 28
3.4 有限元素法數值分析理論 31
3.5 使用之數值模擬軟體 34
3-5-1 MSC/Patran 34
3-5-2 ABAQUS 36
3.6 冰凍試驗之模擬 37
3-6-1 冰凍試驗現地狀況與施作情形 37
3-6-2 模型建立與模擬方法 39
3-6-3 冰凍管模擬以方管代替圓管的差異分析 43
3-6-4 網格收斂與網格簡化 43
第四章模擬結果與討論 60
4.1 冰凍模擬結果與現地測溫之比較 60
4.2 冰凍管模擬以方管代替圓管的差異分析結果 63
4.3 網格收斂與網格簡化之模擬結果 63
4.4 探討冰凍管冷凍能力的強弱對結果之影響 64
4.5 土壤含水率對凍土發展之影響 66
4.6 冰凍管數目對凍土發展之影響 67
第五章結論與建議 97
5.1 結論 97
5.2 建議 100
參考文獻 102

參考文獻

【1】陳耀維、陳俊宏、張修碩，「台北都會區捷運潛盾隧道工程技術之發展」，潛盾隧道工程技術，台灣營建研究院。1998。
【2】何泰源，「潛盾隧道之工作井與環保新技術」，潛盾隧道工程技術，台灣營建研究院。1998。
【3】萬鼎工程服務股份有限公司，「雲林科技大學，土壤冰凍現地試驗簡報」，2004。
【4】中興工程科技研究發展基金會，「日本隧道工程標準規範及解說潛盾工法篇」，2003。
【5】陳福勝、何泰源，「冰凍工法之設計與施工」，中華技術季刊第65期，2005。
【6】王廷瑋，「土壤冰凍引致之周圍應力與溫度變化研究」，碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系，2004。
【7】陳柏存，「現地冰凍試體液化阻抗之研究」，碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系，2002。
【8】黃信祥，「以現地冰凍土壤試體求得之剪力模數評估土壤之液化阻抗」，碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系，2003。
【9】黃朝聰，「冰凍融解過程對砂土液化阻抗及最大剪力模數之影響」，碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系，2000。
【10】林慶豐，「土壤凍結時之行為探討與應用」，碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系，2001。
【11】蘇俊豪，「台北沈泥層於冰凍過程中物理及力學特性之變化研究」，碩士論文，逢甲大學土木及水利工程研究所，1987。
【12】曾紀緯，「地盤凍結工法在地下開挖工程之應用」，碩士論文，國立交通大學，1997。
【13】黃文彥，「重模泥岩凍脹行為及膨脹抑止對策之研究」，碩士論文，國立成功大學，1994。
【14】陳光龍，「高雄地區沉泥質砂層凍結特性之探討」，碩士論文，逢甲大學，1993。
【15】趙?祥，「砂質土壤細粒料含量對冰凍土壤之影響」，碩士論文，國立台灣科技大學，2002。
【16】林振華，「冷凍工法施工設計條件之研究」，碩士論文，中華大學，2004。
【17】株式會社精研，「地盤凍結工法」，2004。
【18】陳順發，「地盤凍結法在大地工程應用研究」，碩士論文，國立台北科技大學，2002。
【19】 Selvadurai, A.P.S., and Nguyen, T.S., “Scoping analyses of the coupled thermal-hydrological-mechanical behavior of the rock mass around a nuclear fuel waste repository,” Engineering Geology, Vol.47, pp.379-400, 1996.
【20】 ABAQUS Documentation Version 6.4,ABAQUS Benchmarks Manual, 1.6.2 Freezing of a square solid: the two-dimensional Stefan problem.

指導教授

張瑞宏(Jui-Hung Chang)

審核日期

2006-7-19

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