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。     

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.     

基于围岩相互作用的冻结壁弹塑性分析对比研究

冻结壁弹塑性分析的目的并不是为了减薄冻结壁厚度,而是为可靠性设计提供参考。综述了冻结壁弹塑性分析的发展,基于"包神"公式弹性分析,开展了冻结壁弹塑性力学模型的研究,推导出了应力场和位移场解析表达式,并与不同力学模型进行了对比;分析了采用不同屈服准则时的冻结壁塑性区半径计算公式和进入临塑状态时的水平初始应力判别式。利用工程算例对比分析了不同水平初始应力下,采用不同屈服准则时冻结壁的临塑地压值、塑性区外半径和弹性区外荷载;结果表明,冻结壁临塑地压值增大32%,塑性区半径减小14.5%,冻结壁外载荷减小23.3%,为冻结壁厚度设计的可靠性分析提供了数据支持。     

隧道水平冻结施工期地表融沉的历时预测模型

隧道冻结工程中所形成的人工冻结壁为临时支护结构,隧道衬砌结构施工后,冻结壁要进入解冻期,由于冻结壁解冻过程中的地层融沉现象对隧道周边环境影响较大,因此,应建立合理的方法对地表融沉量进行预测,以便于实际施工中采取相应的融沉控制措施。为此,考虑冻结壁的自然解冻过程,基于随机介质理论,建立了隧道水平冻结施工期地表融沉的历时预测模型。并提出冻结壁自然解冻条件下瞬态温度场由平板解冻理论近似求解,基于平板解冻理论和一维情况下已融土层的稳定融沉量计算公式,确定了预测模型中解冻锋面半径和融缩区域内半径这2个关键参数的取值方法。将所建立的预测模型应用于隧道全断面水平冻结工程中,得到了地表融沉随解冻时间的变化规律。研究结果表明,地表融沉在解冻初期增长速度较快,而在解冻后期增长速度减缓,地表历时融沉量与崔托维奇通过试验得出的天然冻土历时融沉量变化规律相一致。     

立井冻结法凿井工程中的热工计算

本在分析有关实测资料的基础上，应用近似方法求解了二类边界条件下有相变的平面轴对称的热传导方程，给出了人工冻结凿井设计中用以确定冻结壁交圈时间的相邻两冻结管周围冻结土体轴向相交接的时间，冻结壁形成变化规律，冻结壁平均温度和温度和内外冻结壁厚度关系。将计算结果与实测资料比较表明，中所给计算方法和公式有较高的精度。     

隧道水平冻结壁强制解冻期地表沉降的预测方法

考虑冻结壁的强制解冻过程,采用随机介质理论,建立了隧道水平冻结壁强制解冻期地表沉降的预测方法,并提出强制解冻条件下冻结壁温度场由单管解冻理论近似求解,基于所推导的单管解冻理论和崔托维奇提出的一维情况下融土层稳定融沉量公式,确定了预测方法中融土柱半径和融缩区域内半径的取值方法。将所建立的预测方法应用于隧道全断面水平冻结工程中,得到了地表沉降随强制解冻时间的分布及变化规律。研究结果表明,在冻结壁强制解冻期,其地表沉降分布规律与自然解冻期相似,但地表沉降随解冻时间呈线性增长趋势,这一特征与自然解冻期有所不同。     

水泥改良土杯型冻土壁融化温度场三维数值模拟

为掌握水泥改良土杯型冻土壁的解冻规律,以南京地铁10号线过江隧道盾构出洞水平冻结加固工程为例,对水泥改良土杯型冻土壁融化温度场进行了三维数值模拟,并研究了导热系数、比热容、相变潜热等因素变化对融化温度场的影响规律。结果表明:冻结水泥土解冻速度受初始温度影响较小,受冻土位置影响较大;解冻过程中,冻土壁外侧1 m处的非冻结土温度先降后升,冻土壁外侧3~7 m处土体温度始终呈下降趋势;随着导热系数减小、相变潜热增大、比热容增大,解冻时间延长;比热容对冻结水泥土解冻过程的影响主要体现在升温阶段,相变潜热主要影响冻土相变阶段,导热系数既影响升温阶段又影响相变阶段。      

渗流作用下粗粒土冻结壁交圈规律及预测模型探索

由于渗流作用下的冻结壁发育规律不明等原因,部分冻结法施工工程依靠人工经验,缺乏科学的预测模型,与精准化设计和控制还有很长的距离。为探索渗流作用下冻结法施工中粗粒土层冻结壁的演化规律,本文首先建立冻结法施工数值模型,并通过室内模型试验反演验证所建立模型的有效性和适用性。之后,考虑渗流速度、冻结管间距、环境温度、含水率和导热系数等五个因素,开展冻结壁形成正交数值试验,确定冻结壁交圈时间和厚度的主控因素。最后,通过数值模拟研究主控因素作用下冻结壁的发育和演化规律。基于结果建立临界流速、冻结壁厚度、冻结壁交圈时间的预测模型,给出冻结法施工参数的选择方案。结果表明,建立的冻土水热相变耦合模型可有效模拟渗流条件下土体冻结过程,能够满足冻结壁发育过程计算分析的需要。基于正交数值试验结果发现,渗流速度对冻结壁厚度和交圈时间的贡献百分比分别为78%和52%,是影响冻结壁能否交圈和最终厚度的主控因素。当渗流速度超过一定阈值时,冻结壁无法交圈。本文将这一阈值定义为冻结法施工中的临界流速。当冻结壁能够交圈,其最终形成的冻结壁厚度也主要由渗流速度决定,二者呈负指数函数关系。冻结管间距对冻结壁最终厚度影响不大,但...     

地铁超长水平冻结法冻结壁形成特性研究

根据带相变瞬态温度场的传热控制微分方程,应用数值方法分析了地铁超长水平冻结法温度场分布规律,模拟冻结壁形成过程.应用准三维方法将三维问题转化为二维问题,通过对冻结管沿程水平方向盐水温度分布的计算,分析水平方向冻结壁发展的差异性规律.结果表明:对于地铁超长水平冻结法施工,冻结管沿程冻结壁发展存在较大差异,包括冻结壁交圈时间、冻结速率,冻结壁厚度等.为以后水平冻结法施工冻结壁形成过程的预测与评价提供了方法,同时该方法也可以用于竖井冻结施工中冻结壁形成的分析和研究.     

深冻结井筒温度场成孔弱界面分析

两个孔形成的冻结壁强度弱面通常位于两冻结孔界面上, 但对于深冻结井筒成孔孔位, 冻结壁薄弱界面选择具有一定的复杂性. 针对深冻结井筒温度场成孔弱界面, 应用数值模拟软件ANSYS分析了世界第一深冻结井筒在三个水平位置上冻结孔实际孔位下温度场弱界面参数. 结果表明: 冻结壁弱界面确定不仅要考虑成孔最大孔间距, 同时也要评定成孔孔距到设计圈径上的投影长度、相邻孔的分布特征及成孔内偏值. 首次指出成孔孔距到设计圈径上的投影长度为冻结壁弱界面评定条件之一, 具有重要意义.     

盾构地中对接冻结加固模型试验(Ⅰ)——冻结过程中地层冻结温度场的分布特征

针对软土地层中盾构地中对接冻结加固施工边界条件复杂、形成冻结壁体积小且形状不规则的特点,以上海地区某盾构对接冻结加固工程为原型,按照相似理论设计进行了冻结加固模型试验,分析了冻结过程中地层温度场的分布规律,获得以下结论:在盾构壳体内表面保温的条件下,冻结管内部冻土的平均发展速度是冻结管外部的1.5倍左右;冻结28 h后,冻结管内部冻结壁的温度分布基本稳定,盾构壳体与土体交接面的温度均处于-20℃左右,内部冻结壁的平均温度约为外部的1.9倍。在同圈冻结管的叠加作用下,冻结过程中冻结壁主面和界面的温度变化规律基本一致,仅在冻结初期有少许差别。在外圈冻结管的低温屏蔽作用下,内圈冻结管对外部土体基本不发挥冻结作用,在不同冻结管排间距及多根冻结管交叉冻结的情况下,冻结管外部的冻土扩展规律基本相同,仅两排冻结管之间的土体温度分布存在差别。研究结果表明,盾构地中对接冻结加固形成的冻结壁形状与外圈冻结管的布置形式相似,形成的冻结壁厚度及平均温度在冻结28 h后基本稳定。     

定向渗流诱导的非均质冻结壁力学特性分析北大核心CSCD

为了合理分析定向渗流诱导的非均质冻结壁的力学特性,将冻结壁最迟交圈的位置视为“危险截面”,通过分段等效的方法结合温度特征点的分布规律,得出该截面的温度曲线表达式;根据冻土力学参数与冻结温度的线性关系,将冻结壁视为随温度函数变化的非均质材料;分别基于M-C准则、D-P准则、广义Tresca准则及双剪强度准则,推导得出定向渗流诱导的非均质冻结壁应力计算公式。基于该公式,结合实际冻结方案的设计参数对冻结壁的力学特性进行计算分析。计算结果表明:冻结壁的承载力随着水流速度的增大而减小,当水流速度为5m·d时,基于M-C、D-P、广义Tresca、双剪强度准则计算得出的弹性极限承载力以及塑性极限承载力分别为2.480、2.462、2.741、3.202以及4.349、4.318、4.561、5.779;当地下水流速增加至10m·d时,对应的弹性极限承载力以及塑性极限承载力降低至2.087、2.085、2.203、2.784以及3.700、3.707、3.908、4.939。冻结壁的径向应力随着相对半径r的增大而增大,而环向应力的分布具有明显的区域差异性;在弹性极限状态下,冻结壁的环向应力的最大值出现在靠近冻结壁中间的位置;在塑性极限状态下,冻结壁的环向应力的最大值出现在冻结壁的分区界线(r=1.685)处。     

北京砂卵石地层盆形冻结的温度场扩展规律研究

地下工程盆形冻结止水结构包括位于开挖范围周围的冻结帷幕（盆壁）及开挖范围底部的水平冻结板（盆底）两部分。采用物理模型试验与数值模拟的方法,分析了北京典型富水砂卵石地层条件下盆形冻结在静水及0.5 m/d渗流条件下的温度场扩展规律。研究发现：盆形冻结技术作为冻结工法在市政工程领域的全新应用,对地下工程的施工区域能够有效起到冻结止水效果;盆形结构不同部位在不同的渗流条件会表现出不同的冻结交圈次序,静水条件下盆壁冻结管会先于盆底冻结管交圈,渗流条件下则依次是顺水流盆壁、盆底、背水面盆壁、迎水面盆壁,此时盆壁冻结是制约盆形冻结的关键因素,实际工程应重点关注盆壁冻结;冻结厚度是评价冻结效果最直观的指标,在静水条件下盆壁厚度趋于稳定,盆底水平冻结板厚度逐渐超过盆底冻结管长度且向盆内与盆外两个方向同时发展;渗流条件下,迎水面盆壁厚度最小,背水面盆壁由于绕流现象出现冻结锥体而局部厚度增大,盆底水平冻结板厚度仅向盆内单向发展。     

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.     

竖井圆形冻结壁弹性设计理论的对比研究

对井筒冻结壁弹性设计理论的3个解析公式进行对比分析,用图解的方式展示出用叠加原理求解基于冻结壁和围岩相互作用的力学模型两种方法,揭示冻结壁外缘载荷随冻结壁厚度和刚度变化的规律。通过对用3种冻结壁厚度公式设计的差异性分析,说明采用重液公式确定拉梅公式中载荷的不合理性,提出基于太沙基有效应力原理的自重初始应力场计算方法。结合案例,比较3种解析公式得到的地层原岩水平载荷和冻结壁厚度的函数关系,用定义域和值域的数学原理研究各个冻结壁弹性设计公式的适用范围,阐释其工程实际意义,并就弹性设计的实用意义进行审慎性评述。     

双圈管冻结壁温度场形成特性及影响因素

为研究双圈管冻结壁温度场变化规律，以淮南某矿副井为研究对象，根据其相关地质参数，利用FLAC3D软件数值模拟双圈管冻结壁温度场形成过程以及不同因素对冻结壁平均温度的影响。研究结果表明:双圈管内土体温度最低，两侧温度逐渐升高；冻结孔间距越小，交圈时间越早，内外圈管交圈之后形成封闭的未冻承压水仓，对冻结壁不利，冻结锋面向内侧扩展速度大于向外侧扩展速度；双圈管冻结壁平均温度与冻结时间呈对数关系下降，有效厚度在内外圈管交圈后增长十分明显，且与冻结时间呈对数关系上升；双圈管主、界面温度场曲线随冻结时间近似由马鞍形分布逐渐转变为梯形分布，界面温度场扩展速度大于主面温度场；土体初始温度、盐水温度及导热系数对冻结壁平均温度影响均较大，土体初始温度和盐水温度越低、导热系数越大，冻结壁平均温度越低。研究成果为相关冻结工程的设计和施工提供参考。      

冻结管受力分析与试验研究

对冻结管受力的理论分析和模拟试验研究表明,在安装阶段,冻结管的应力很小,可略去不计,在积极冻吉阶段,受管材冷缩。冻土冷缩和冻土冻胀的作用,冻结管轴向受拉（压）并向井外弯曲,在该阶段后期,纯拉（压）应力σ１由正最大值和负值转变,且数值变小,而纯弯曲应力σｗ则趋于稳定,其值虽较大但对后期冻结管的安全无害,在掘砌施工阶段,冻管的受力大小决定冻结壁的变化形,σ１和σｗ随时间的变化规律与冻结壁的蠕变规律相似     

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。     

深部膨胀性黏土层冻结温度场的分布与冻胀力形成规律

防止冻结管断裂是深部膨胀性黏土层在冻结壁形成过程中的一项亟待解决的课题。针对淮南矿区某矿副井深部膨胀性黏土层, 通过热力耦合计算分析, 研究了其冻结温度场分布与冻胀力形成规律。结果表明： 冻结152天、 236天时, 黏土层冻结壁平均温度分别为-14.42 ℃、 -16.58 ℃, 细砂层冻结壁平均温度分别为-15.86 ℃、 -17.32 ℃, 黏土层冻结壁平均温度比同时期细砂层高1.44 ℃、 0.74 ℃。黏土层冻结壁平均厚度分别为8.92 m、 10.25 m, 细砂层冻结壁平均厚度分别为9.54 m、 10.77 m, 黏土层冻结壁平均厚度比同时期细砂层小0.62 m、 0.56 m。细砂较膨胀性黏土易于冻结。冻结90天时, 黏土层外、 中、 内圈三圈冻结管平均冻胀力约为同时期细砂层的1.1倍。冻结151天时, 黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的81.1%, 是同时期细砂层的1.16倍。冻结236天时, 细砂层内圈管的冻胀力为3.91 MPa, 比中圈管3.72 MPa大了5.11%, 而黏土层内圈管的冻胀力为4.81 MPa, 比中圈管4.74 MPa大了1.48%。黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的88.6%, 是同时期细砂层的1.28倍。深部膨胀性黏土层及与细砂层界面处冻胀力均存在显著的不均匀性, 最大冻胀力的主要位置与实际工程中掘进时的断管处基本对应, 不均匀冻胀力是造成冻结管断裂的重要原因。     

富水砂层斜井冻结壁力学特性及温度场研究

研究富水砂层斜井冻结壁力学特性及温度场分布规律,可为解决斜井冻结法凿井穿越富水砂层技术难点提供可靠依据。以陕北某斜井冻结法凿井工程为研究背景,通过室内物理力学试验、现场实测及有限元数值模拟相结合的方法,研究了冻结状态下砂土的热物理及力学特性,分析了斜井冻结法凿井期间冻结壁受力机制,深入分析斜井冻融过程中冻结压力变化规律及原因,对测温孔与冻结壁径向温度实测与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明,随着温度降低,冻结砂土导热系数呈现出先增大后减小的趋势,且冻结温度对冻结砂土的内摩擦角影响较大;冻结温度、井筒埋深和地下水对冻结压力的影响较大;混凝土水化热对冻结壁的影响范围约为460~475 mm。研究结果可为富水砂层地区斜井冻结法凿井的优化设计和安全稳定性研究提供依据。