祁南矿东风井冻结温度场时空演化规律分析

以安徽祁南矿东风井冻结法凿井为工程背景,以多圈管冻结的不同土性表土层为研究对象,基于冻结孔实际成孔位置,应用有限元软件COMSOL Multiphysics分别建立埋深218 m钙质黏土层位、埋深225 m细砂层位和埋深259 m砂质黏土层位3个不同土性、不同埋深的冻结温度场数值计算模型,并结合现场实测数据,分层计算分析了其冻结壁温度场时空演化规律,结果表明:在相同冻结条件下,埋深225 m细砂层位冻结壁有效平均温度比埋深259 m砂质黏土层位和埋深218 m钙质黏土层位分别低0.09~0.72℃和0.44~1.95℃,埋深225 m细砂层位平均有效厚度比埋深259 m砂质黏土层位和埋深218 m钙质黏土层位分别厚0.17~0.38 m和0.29~0.47 m;现场实测与数值计算均表明,各个层位冻结壁开挖时,其平均温度均低于–15℃,有效厚度均大于6.2 m,200 m以下深部表土层井帮温度低于–4℃,满足施工要求,冻结壁强度和稳定性均处于安全状态;冻结孔沿径向将冻结温度场划分为3个区域(A区、B区、C区),B区在冻结孔冷量叠加的影响下降温速度最快,A区降温速度适中,C区距离冻结管较远,且外部土体源源不断向其输入热源,降温速度最慢。该研究可为冻结法凿井中冻结壁的施工提供一定的理论参考。      

多圈管冻结壁形成和融化过程冻胀力实测研究

为获得多圈管冻结壁形成与融化过程中冻结壁内部冻胀力发展特性和孔隙水压力变化规律,进而分析冻结壁力学性态及安全性,在淮南某煤矿开展了冻结壁冻融过程中内、外部冻胀力和孔隙水压力的现场实测研究.实测结果表明:在地层冻融过程中,冻结壁内、外部形成了不均匀的冻胀应力,测试地层最大冻结压力达6.0 MPa,为初始地压的2.4倍;当井筒开挖至测试层位时地层冻结压力呈线性降低;随着浇筑外层混凝土井壁,冻结压力又有回升,当冻结壁融化后地层冻胀力为零,井壁恢复受水土压力作用.孔隙水压力变化经历了静止孔隙水压力和冻结过程的超静孔隙水压力两个阶段,超静孔隙水压力达到4.0 MPa,约为静止孔隙水压力的2.0倍.     

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。     

浅埋隧道冻结法施工地表冻胀融沉规律及冻结壁厚度优化研究

浅埋隧道对地表冻胀、融沉变形有严格要求。针对珠机城际轨道交通项目联络通道冻结壁设计改进问题,基于热?力耦合理论,利用有限差分数值计算方法对冻结法施工全过程进行模拟,通过比较研究不同厚度冻结壁模型引起的地表冻胀、融沉变形及隧道管片变形规律,实现冻结壁厚度的优化设计。研究表明：（1）该数值模型可有效模拟地表冻胀、融沉变形,利用已查明数值误差对计算结果进行折减可得到较为准确的实际变形预测值;（2）不同模型地表冻胀、融沉规律大致相同,但变形量及影响范围随冻结壁厚度减小呈递减趋势,当冻结壁厚度为2.5 m及以下时变形基本满足规程要求;（3）土体冻胀、融沉变形并非简单的互逆过程,融沉变形通常大于冻胀变形,平均超出量达40%,应特别注意;（4）冻结壁厚度越大相应产生的冻胀力越大,通过优化冻结壁厚度可有效控制隧道管片附加应力及变形的产生,保护已建隧道结构安全;（5）综合选定2.5 m为冻结壁改进厚度,成果直接应用于4#联络通道冻结法施工,经现场监测表明该优化方案有效、可行,对类似工程冻结壁厚度设计具有较好的推广应用价值。     

盾构地中对接冻结加固模型试验(Ⅱ)——冻结过程中地层的冻胀效应研究

盾构地中对接冻结加固过程中形成不规则形状的冻结体,产生的冻胀效应会引起上部地层产生不均匀冻胀变形。为了获得冻结过程中冻胀效应对上部地层变形的影响规律,以上海地区软土地层中盾构地中对接冻结工程为原型,按照相似理论,设计进行了盾构对接位置地层冻结加固的模型试验,获得了如下结论:冻结过程中,冻胀引起上部地层的变形量随着冻结壁厚度的增长而线性增大,当冻结壁发展超过测点位置后,相应位置的地层变形不再变化。冻结产生的冻胀力对上部地层有压缩作用,随着地层内测点埋深的增加,地层变形量和地层平均应变都逐渐增大。当冻胀力超过土层的黏聚力后,上部土层的滑动使地层平均应变不再增加,地层不再被压缩,下部地层的变形会直接传递到上部地层。研究结果表明,影响冻结加固体上部地层变形量的主要因素是冻结壁的厚度,次要因素是地层的埋深。     

多圈管分期冻结施工法温度场现场实测与分析

在深厚表土中进行冻结法施工常产生由于冻胀应力造成的冻结管断裂, 为减小深井冻结壁在形成过程中产生的内部冻胀应力, 采取外圈辅助冻结孔滞后于主圈孔冻结的施工方案, 能有效地防止冻结管断裂. 应用有限元方法对淮南某煤矿主井冻结井筒分期冻结过程进行了瞬态温度场数值模拟, 和现场实测十分接近. 分期冻结方案能减少冻结壁内部水分聚集, 以达到减少冻胀应力的目的, 并形成相对比较均匀的温度场. 相同冻结条件下采用分期冻结方案, 冻结壁有效厚度增大约15%. 数值模拟的系统分析可为深井冻结壁的设计与施工提供科学依据.     

隧道水平冻结施工引起地表冻胀的历时预测模型

隧道水平冻结施工过程中,土体冻结引起体积膨胀,进而会在地表产生冻胀现象。实际工程一般采用多根冻结管形成冻结壁。冻结壁交圈前,地表冻胀由多个冻土柱的叠加膨胀变形引起;冻结壁交圈后,地表冻胀则由整个冻结壁的膨胀变形引起。鉴于此,考虑冻结壁的形成过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型。同时对冻结外锋面半径和冻胀区域外半径这2个关键参数的取值方法进行了相关探讨。最后针对两个工程案例,采用该计算模型对地表冻胀位移进行分析,得到地表冻胀位移随时间的变化规律,并与现场实测结果相比较,验证了模型的可靠性。该模型应用于隧道水平冻结施工前、冻结期内任意时刻的地表冻胀位移预测,可为工程冻结实施方案的合理确定提供有效依据。     

人工侧向冻结条件下土的冻结试验

在人工侧向冻结、正弦和恒温2种冻结温度、开放和封闭条件下,对含水率为32 %的重塑粉质黏土进行了4组冻结试验。结果表明,补水条件相同时侧向正弦冻结试样的冻结速度比封闭正弦冻结试验的缓慢,当其冻结状态进入稳态之后,试样的整体温度场随着侧向冻结温度的正弦变化而出现相应的波动,但径向各段的温度梯度的相位滞后于正弦温度相位半个周期;正弦冻结试样与恒温冻结试样在同一条件下的冻胀量相近,封闭体系下自上而下轴向冻结试样的冻胀量高于同条件下侧向冻结试样的冻胀量;人工冻结工程中应考虑大气环境温度变化（如昼夜温差）及冷能侧向输入土体内时对冻土温度场的变化的影响。     

盐渍土冻结温度的试验研究

冻结温度是判别土体是否处于冻结状态的指标,在人工冻结和数值模拟计算中影响冻结壁的厚度和计算精度.通过采用不同土体添加不同的盐分,对不同含水量和含盐量土体进行盐渍土的冻结温度试验,考虑了不同因素对土体冻结温度的影响.实验表明：不论何种土含有何种离子,土体的冻结温度随含盐量的增加而降低,随含水量的增加而增大;土中易溶盐的含...     

察达沟谷冰碛土冻结深度与冻胀变形影响因素正交试验研究

中国西藏察达沟谷内存在有大量冰碛土,随着西部大开发的进行,该地区将有众多基础性工程建设于该冰碛层冻土地基上。为探究该地区冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响因素,通过正交设计,在室内开展开放系统下多因素多水平单向冻结试验,研究了开放系统单向冻结下各因素对冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响及显著性大小,同时对冻结后土体不同高度水分重分布进行分析,并给出冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究表明:对冻结深度和冻胀变形影响最为显著的因素分别是冻结端温度和初始体积含水率。各因素对冻结深度显著性影响大小排序为:冻结端温度>冻结时间>冻结端降温速率>初始体积含水率>压实度;对冻胀变形影响大小排序为:初始体积含水率>冻结端温度>压实度>冻结时间>冻结端降温速率;当冷端温度低、冻结时间长时,冻结锋面上方3～8 cm处存在冻结缘,此处为水分迁移和水冰相变的关键区域,会作为蓄水带进一步加剧土体的冻胀;根据正交试验结果,建立了可有效预测该地区冰碛土在多因素影响下的冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究结果对相关地区冰碛土工程安全性评价与防冻害设计具有一定参考价值。     

广州地铁超长水平冻结多参量监测分析

广州地铁3号线天河客运站折返线工程是目前国内最长、开挖断面最大的水平冻结隧道工程。文中根据不同施工阶段中对盐水温度、土层温度、地表变形、冻土压力、隧道衬砌变形等多个参量的现场监测数据,从时间和空间上分析了冻结帷幕演化过程、冻结帷幕发展速度等;探讨了土层温度变化规律以及冻土压力与土体温度间的相互关系,得出了在积极冻结期,沿测温孔深度方向土体温度的变化梯度随冻结时间增加不断减小,土体温度变化速率随时间增加而降低的特征;对比研究了冻结阶段、隧道开挖阶段和融沉阶段地表变形特征,并提出了缩短积极冻结期的建议和方法。     

青藏粉土单向冻结冻胀率变化特性研究

开展了饱和青藏粉土在开放系统不同温度梯度条件下的单向冻结试验,对冻结过程中冻结深度和冻胀速率的发展变化过程进行了研究.结果表明：不同顶板温度下,土样均在25 h左右达到冻结稳定状态,之后冻结深度基本不再发生变化.土样冻结过程中,冻胀速率表现为快速减小、较小值保持稳定、快速增大、较大值保持稳定四个阶段.基于以上试验结果,对土样冻结过程中冻胀率的变化过程进行了研究,发现冻胀率随冻结深度的增加先减小后增加,冻胀率从减小变为增大的时刻就是冻结深度趋于稳定的时刻,而冻胀率快速增大的时刻为冻胀速率进入较大值保持阶段的时刻.冻胀率变化的内在机理为土样冻结过程中由冰透镜体分凝所导致的未冻区固结和已冻区冻胀共同作用的结果.     

饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究

改变边界温度和土样高度,对饱和粉土进行了冻结试验,研究其水分迁移、水分重分布、冻胀和冰透镜体的发展规律。试验结果表明：当温度稳定时,水分持续迁移到冻结锋面附近,含水率急剧增大,易形成冰透镜体。饱和粉土冰透镜体几何形态较为规则,无枝状交叉结构,已冻土为整体状且无网状裂隙。冻结过程中存在起始冻胀时间,在起始冻胀时间之前,土中水分被排出,冻胀发生之后水分补给到冻土中,且补给水分产生的冻胀量和总冻胀量数值接近。土样高度影响水分迁移量和冻胀量,土样越高,冻胀量越小,冻土含水率增量越小,但水分增量分布区域越分散,且起始冻胀时间越长。     

深厚膨胀粘土中冻结凿井的温度场测试与分布规律研究

介绍了冻结深度达460多米（其中多数为膨胀粘土层）的立井井筒施工监测方案,通过分析不同埋深的冻土井壁和混凝土衬砌的温度场测试数据,得到了黏土结冰温度与含水率和埋藏深度的函数关系、不同深度冻结壁形成和降温规律、混凝土衬砌井壁结构温度场的阶段性发展规律等研究结果。有效地指导了本测试井筒的施工,为同类井筒的施工和设计提供了新的科学依据。     

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。     

多圈管冻结温度场特征分析及工程应用

多圈管冻结工法已在深厚地层井筒掘砌中广泛应用,但对多圈管冻结温度场需进一步深入研究。以某冻结井筒为原型,对关键层位开展冻结管无偏斜条件下的冻结温度场模型试验、进行冻结管偏斜条件下的温度场数值计算,同时利用温度场信息可视化软件对现场实测结果进行分析。将三种测试手段获得的结果进行比较,得出冻结管偏斜对冻结壁有效厚度影响较小,但对冻结壁平均温度、冻结壁交圈时间影响都很大,且容易在冻结壁内部产生密闭未冻承压水仓,造成冻胀力聚集,对冻结壁整体稳定性及井筒开挖不利。其结果可为多圈管冻结法凿井设计与施工提供参考。     

寒区级配碎石冻胀正交试验研究

级配碎石作为季节性冻土地区高铁路基基床表层填料,其防冻胀问题尤为关键。为研究在不同条件下级配碎石的冻胀特性,选取不同的含水率、细颗粒含量、冷端温度和压实度进行了室内封闭系统冻胀正交试验。结果表明,在不同因素、不同水平的组合时,级配碎石有不同程度的冻胀。当级配碎石含水率为5%时,试样的冻胀率较小;当含水率超过7%时,大部分试样冻胀率超过1%。对冻胀过程中试样温度场、冻结深度、冻胀变形过程和冻后试样含水率分布进行了分析,发现冻后试样冷端位置的含水率高于初始含水率,暖端位置的含水率低于初始含水率。当以冻胀率作为参考序列,其他试验条件作为比较序列时,灰色关联度分析结果表明,影响级配碎石冻胀率的主要是含水率,其次为细颗粒含量、压实度及冷端温度,其关联度相差不大。并得出了最有利于冻胀发展的组合。为满足寒区高速铁路变形量的要求,提出以控制级配碎石含水率小于5%为指标。     

A study of orthogonal design tests on frost-heaving characteristics of graded crushed rockEI北大核心CSCD

Seasonally frozen soil is distributed widely in the Northeast China. The prevention measures against the frost heave of graded crushed rock, which is used as the filler of surface layer in subgrade, are crucial to high-speed railway constructed in seasonally frozen soil region due to the strict requirements of subgrade deformation. In order to study the frost heave characteristics of graded crushed rock under different conditions, water content, fine content, cooling temperature and compaction are chosen as influential factors of frost heave characteristics. The closed system laboratory frost heave experiments have been performed based on the orthogonal design, showing that different frost heave amounts appear in different combinations of factors and levels. The frost heave ratio of most graded crushed rock samples is small when water content is 5%, and it exceeds 1% when water content is above 7%. The temperature field, frozen depth, frost heave deformation process and water content distribution in sample after freezing are analyzed. It is found that the water content is greater than the initial water content at the cold side, and is lower than initial water content at the warm side. Using the frost heave ratio as a reference sequence and other factors as comparison sequences, the correlation degrees among water content, fine content, compaction, temperature at cold side and frost heave ratio are analyzed with the gray correlation method. The results from this analysis indicate that water content produces the most significant effect on the frost heave ratio of graded crushed rock. The water content of graded crushed rock should be maintained below 5% in order to prevent frost heave development in the cold regions.