人工冻结技术在上海地铁施工中的应用

对人工冻结工程中的监测采集数据进行了全面分析.结果表明:人工冻结法施工中冻结区的温差较大边界和刚性约束边界对冻结法施工影响明显.温差较大边界是冻土帷幕强度和止水作用的薄弱环节,而刚性约束边界距离人工冻结区越近冻土的冻胀力越大;同时也表明在一定的工程地质条件下,通过合理选取盐水冻结系统所采用的各项指标、降温梯度及其设置冻胀吸收孔,能够将冻结产生的冻胀力与冻胀量控制在周围环境的容许范围内.     

管幕冻结隧道“顶管?冻土”复合结构力学特性试验研究

拱北隧道暗挖段作为港珠澳大桥珠海连接线的重点工程,首次运用管幕冻结法进行施工。该法综合管幕法和人工地层冻结法的优势,可在隧道断面形成“顶管?冻土帷幕”复合支护体系,有效实现“承载”与“顶管间止水”的双重目标,确保隧道开挖时的稳定与安全。为获得“顶管?冻土”复合结构的温度、变形与力学特性,基于相似理论自主研发构建一套相似模型试验系统并开展试验研究,同时利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立数值计算模型进行模拟验证。结果表明:复合结构的冻结温度场因空、实顶管及其内部冻结器的布置形式呈现不均匀分布特征,冻土形成速率在冻结后期明显变缓;土体竖向冻胀变形在60~160 min内急剧增大,且冻胀量随深度增加而增大,整体规律与温度场分布密切相关;土体冻结产生的冻胀力对顶管水平受力影响较大,空顶管相对刚度较小而产生较大水平变形;在加载阶段,顶管受力与变形均以竖向为主。因空、实顶管刚度差异和冻土厚度不均匀的共同影响,空顶管竖向变形包含了“弯曲”与“压扁”并具有非线性特征,其跨中截面底部竖向位移峰值约为实顶管的1.6倍;加载至0.28 MPa时,管间冻土首先发生破坏,进而导致顶管间封水功能失效,实际施工中应重点监测空顶管的变形规律、管间冻土帷幕的温度变化及其完整性。研究成果可为管幕冻结法的施工与监测提供参考,也可为热力耦合数值计算模型提供验证依据。      

冻结法在深基坑工程中的应用

对深基坑工程中采用冻结法的优势以及在冻结施工中出现冻土的蠕变、冻胀、冻土墙的绝热和冻结帷幕设计等问题进行了研究,并提出了连拱冻土墙的结构形土墙     

复杂环境下浅埋暗挖隧道穿越薄富含水层冻结温度场研究

提出了南京地铁2号线新街口－上海路隧道穿越薄富含水层冻结法止水加固方案,利用ADINA有限元软件对该浅埋暗挖隧道涌水段建立冻结温度场数值模型,分析了冻结管间距、冻结盐水温度、冻结管直径对冻结壁发展速率、冻结壁厚度、平均温度的影响,以此为基础对冻结参数开展优化设计,并获得成功应用。研究结果表明：利用人工冻结技术能够有效解决这一特殊岩土工程难题。为了在支护段获得有效地止水冻土帷幕,冻结管间距应小于等于1 m;冻结工程中采取-30℃的盐水温度既能满足需冷量,又能符合经济性要求;采取大直径的冻结管对增加冻土墙厚度与降低冻土壁平均温度的影响并不显著。     

横观各向同性冻土弹性常数及强度预测

在分析冻土形成过程及其组构前提下,从冻土细观结构特征出发,将冻土视为由冰层与干硬土层黏结组成的横观各向同性固体介质。根据复合材料力学理论,求出冻土各向同性面内及面外的弹性模量和泊松比;基于Tsai-Wu 准则,预测了横观各向同性冻土的强度。根据实验数据,分析了不同组分对冻土弹性常数及强度的影响。在工程应用中可根据环境温度及土质、系统有无水分补给、温降速度与冻结速率是否同步、冻土受力方向与冻结封面方向的具体情况选用即可,从而大幅降低室内外试验次数。为冻土工程数值计算奠定了基础,为进一步了解冻土力学特性提供了理论依据     

浅覆土下矩形冻结加固的模型试验研究

为获得浅覆土下矩形冻结加固体的温度场分布及冻胀变形规律,以广州地铁6号线穿越3号线的冻结工程为原型,根据相似理论,设计进行了水平冻结的模型试验。结果表明,在地表散热的影响下浅埋冻结工程中紧邻地表的冻结区域降温速度较慢,形成的冻结壁是整个加固体的薄弱环节;冻结过程中冻结壁向内发展较快,其平均发展速度是向外发展速度的1.5倍左右;形成封闭的冻结壁前,采用较高的盐水温度进行冻结,可有效地控制土体的冻胀变形,冻结壁封闭后,降低盐水温度,冻胀变形会明显增加;冻胀过程中产生的冻胀力对上部土层有压密作用,使土层的冻胀变形随着埋深的变浅而减小;对于浅埋矩形地下冻结工程,上部覆土和冻结加固体之间相互影响作用明显,上部土层的散热会影响冻结加固体内温度场的分布规律,而下部冻土的冻胀作用也会压密上部土层。     

冻土力学与工程的国际研究新进展——2000年国际地层冻结和土冻结作用会议综述

2 0 0 0年国际地层冻结和土冻结作用会议于 2 0 0 0年 9月在比利时召开。会议共设 6个专题 :热质迁移、冻结敏感性和冻胀、力学性质、环境土冻结、工程设计和工程实例。围绕这 6个专题 ,介绍了国际冻土力学与工程方面研究的一些主要进展 ,既反映了国际冻土力学与工程研究的水平 ,也代表了 2 1世纪冻土学发展的方向。     

排桩冻结法深基坑施工监测与反馈分析

对于润扬大桥南锚碇排桩冻结法深大基坑,冻结作用使基坑的受力过程变得更为复杂,根据排桩冻结法基坑结构和场地工程地质条件,建立了大型安全监测系统。本文介绍了润扬大桥南锚碇场地工程地质条件、排桩冻结法基坑的结构和南锚碇基坑监测方案、分析了南锚排桩冻结法深基坑各项监测数据的变化规律,包括侧向土压力、内支撑轴力、排桩钢筋应力和排桩水平位移随时间变化规律,并基于施工监测进行了反馈分析,保障了南锚碇排桩冻结法深基坑的安全与稳定。监测结果分析表明,排桩冻结法是基坑工程的一种可行的施工工法,润扬大桥南锚碇排桩冻结法深大基坑的成功实践为今后类似工程的建设积累了宝贵经验。     

深土冻土力学—冻土力学发展的新领域

在人工冻结工程的初实践和模拟试验的基础上,提出不同于常规“冻土力学”的“深土冻土力学”概念。分析浅土冻土力学与深土冻土力学的区别,提出深土冻土力学的内容,框架及研究方法,展望２１世纪地下人工冻结工程前景和深土冻土力学的未来。     

拱北隧道管幕冻结法温度场数值计算

以港珠澳大桥珠海连接段拱北隧道为工程实例，研究管幕冻结法的温度场发展规律，基于二维多孔介质传热理论，采用有限元软件COMSOL对积极冻结期的实际工况进行数值计算，模拟结果通过现场实测验证，研究了温度场在异形冻结管开启前后的发展与分布规律。结果表明:冻结30 d时，实顶管完全被冻土包裹，并且顶管之间开始形成连续的冻土帷幕；冻结50 d时，空顶管被冻土完全包裹；冻结90 d时，实顶管和空顶管处冻土帷幕厚度达到2.0 m，满足设计要求。在异形冻结管开启前、开启后10 d内和开启后10~20 d内，两顶管间中点处温度测点的平均温度变化速率分别为-0.86℃/d，-0.88℃/d和-0.25℃/d，之后各测点温度趋于稳定，进而形成温度较为均匀的冻土帷幕。研究成果可为类似冻结工程提供技术参考。      

微型桩与帷幕的不同位置对复合土钉墙力学性状的影响分析

基坑工程中微型桩和止水帷幕的复合土钉墙是常用支护结构型式之一。在支护结构设计和施工时布置微型桩与帷幕的位置具有随意性,普遍忽视微型桩在帷幕内外不同位置对于支护结构力学性状的影响。依托济南某基坑工程,通过现场测试和数值模拟的对比分析,获得微型桩在帷幕内外两种位置条件下支护结构位移、土钉内力等变形及受力特征。分析结果表明,微型桩的位置不影响支护结构变形和内力的总体趋势;无坡顶荷载时,微型桩位置不同产生的差别不大;存在坡顶荷载时微型桩位于帷幕内侧时支护结构变形较小,土钉受力更合理,建议实际工程优先采用。     

软土基坑隔水帷幕渗漏检测技术

隔水帷幕渗漏是影响软土基坑稳定性的关键问题。针对隔水帷幕渗漏检测技术,开展了数值模拟和物理模型试验,深入研究了不同采集装置类型三维电阻率法和探地雷达法对渗漏异常的反映能力及在探测剖面上表现出来的异常特征,给出了判断帷幕是否渗漏和确定渗漏点位置的解释方法。结果表明:温纳装置、偶极装置和温纳-施龙贝格装置都能有效反映渗漏点的存在;降水后帷幕未发生渗漏时,与基坑外侧软土含水层相比,内侧软土层电阻率表现为高阻异常;帷幕渗漏后基坑内侧底部软土层电阻率降低,外侧电阻率升高,并呈现漏斗状异常,两侧低阻异常与帷幕的交叉点可正确指示渗漏点位置;帷幕发生渗漏后,基于基坑外侧的探地雷达探测剖面中会出现双曲型反射波同相轴,通过其顶点可确定渗漏点的位置。研究结果证实了两种地球物理手段开展软土基坑隔水帷幕渗漏检测的可行性。     

悬挂式帷幕基坑底侧突涌的坑内水头抬升研究

基坑采用悬挂式帷幕减压降水时,因隔水帷幕局部存在缺陷,而导致坑内承压含水层水头抬升所诱发的基坑底侧突涌事件常有发生。为研究这种现象,以某地铁线风井基坑为范例,建立了三维非稳定流的地下水数值模型,重点考虑了渗透系数的各向异性,对隔水帷幕无缺陷,28~33m、33~38m、38~43m深度的缺陷,加大流量抽取等7种情况,进行了模拟和比较分析。研究结果表明,悬挂式帷幕降水帷幕无缺陷时,帷幕内外的水头差在含水层顶最大,并沿帷幕向下递减;在帷幕缺陷形成的渗流通道附近,渗流场的等势线非常密集,补给的地下水抬升了坑内水头,并加剧了坑外的水头下降;经缺陷处的渗流通道流入坑内的地下水,渗流速度矢量以水平向为主;帷幕缺陷位于渗透系数较大的含水层时,相应补给量也较大;加大流量抽取,可以减小水头抬升的平面范围,但缺陷附近过大的流速也会诱发地层流土;缺陷位置与帷幕底竖向距离越远,坑内水头的抬升率越大,缺陷位置与帷幕底竖向距离越近,抬升率越小。研究成果对分析承压水底侧突涌的致灾机制、预测预警以及基坑动态风险评估等有一定的参考意义。     

基坑竖向位移监测与地表沉降分析

基坑工程作为一项综合性的工程项目,其质量好坏直接影响到后续的工程建设,最重要的影响因素就是岩土和地下水,二者带来了很多不确定性。通过对聊城公共交通集团调度中心工程基坑开挖过程中出现的土体渗流、沉降变形等问题的分析,并提出合理的解决方案,得出以下结论：软土地层止水帷幕不宜采用单轴搅拌桩;软土地层蠕动变形强烈,已施工锚杆易产生预应力损失,应随时检测,拉张补强。     

季节冻土区扩底单桩受力性能研究进展与展望

在深季节冻土区, 正冻土和桩相互作用时可能会导致桩基的拔断或整体冻拔破坏。在桩周土冻胀过程中, 等截面直桩主要通过桩和未冻区融土间的摩阻力达到锚固效果。而对于端部直径大于桩身直径的扩底桩来说, 当桩基有整体上拔的趋势时, 扩大头会受到上覆土层的阻力而起到锚固/抗冻拔作用。通过回顾国内外研究文献, 介绍了扩底抗拔桩现有的工程背景及应用情况, 并对季节冻土区桩基的受力性能进行了总结和分析, 主要内容包括： 土体冻胀和桩基的相互作用研究, 切向冻胀力试验研究和理论研究, 切向冻胀力作用下扩底桩基冻胀反力试验研究及理论研究, 切向冻胀力作用下未冻区桩-融土间摩阻力的研究概况等。最后, 结合现有的研究内容, 对季节冻土区扩底桩的应用及研究提出进一步的展望。     

落底式止水帷幕条件下基坑涌水量计算研究

涌漏点的存在使得落底式止水帷幕条件下基坑涌水量的计算成为一个有待解决的技术难题。在承压含水层中开挖落底式深基坑时,针对落底式止水帷幕渗漏的不确定性,建立承压含水层中落底式基坑非完整井降水水文地质模型。基于Theis非完整井非稳定流理论,结合映射原理,推导等效渗透系数计算公式,并提出涌漏系数法用以评价落底式止水帷幕隔渗效果以及计算基坑涌水量。以武汉某深基坑降水工程为例,采用该方法评价止水帷幕的隔渗效果以及对其基坑涌水量进行计算,并与实测结果和传统方法计算结果分别进行对比验证。结果显示涌漏系数法计算误差较小,且计算过程简便,兼具安全性和经济性。研究结果可应用于指导工程设计,具有一定实际应用价值。     

苏州市演艺中心二期基坑支护设计与实测研究

在深基坑开挖施工中,钻孔灌注桩加混凝土内支撑具有挡土作用,而水泥土搅拌桩和压密注浆形成的双层止水帷幕则具有止水作用.以苏州市演艺中心二期基坑工程为实例,根据基坑开挖施工过程中的实测数据,分析和研究了支护结构的变形、地下水位以及周边建筑物沉降的变化,对此基坑工程支护结构以及止水帷幕的设计施工方案进行验证.结果表明：利用上述技术措施效果良好,对苏州地区类似基坑围护设计和施工具有一定的借鉴意义.     

滨海软土冻结温度场发展规律

为研究滨海软土地层中联络通道冻结温度场的发展规律，以上海轨道交通15号线罗秀路站至百色路站区间联络通道为工程背景，对冻结帷幕厚度、平均温度及冻结过程进行分析，通过建立联络通道三维数值模型预测冻结温度场发展规律，并与实测温度数据进行分析验证。结果表明:地层中存在固有压力导致泄压孔含有初始压力值，埋设冻结管时注入大量水泥浆将抑制地层中水分迁移，减小冻结过程冻胀影响；冻结过程地层温度下降规律可分为温度快速下降、降温速度减小后增大、降温速度缓慢减小、温度稳定4个阶段；冻结帷幕内外侧发展速度比例为1.42︰1，灰色粉土比粉质黏土夹粉土冻结效果好，粉质黏土夹粉土发展速度为20.02 mm/d，灰色粉土发展速度为29.75 mm/d。