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。     

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。     

环形单圈管冻结稳态温度场解析解

人工地层冻结技术被广泛应用于地下工程施工中。冻结温度场的计算是人工冻结法理论研究的基础,也是冻结施工设计的重要依据。人工地层冻结施工常使用环形单圈冻结管冻结,而至今尚无关于其温度场的解析解。基于水-热异类相似原理,根据传热过程与地下水流动相似的特点,利用保角映射、汇源反映和势函数叠加原理,类比推导了环形单圈冻结管稳态温度场解析解,并用热学数值模拟方法加以验证,同时提出了简化的解析公式。结果表明,解析解计算结果与数值模拟结果较吻合,其简化公式得到的结果与原解析公式基本一致。在解析公式的基础上,经过简化,反推得到外部冻结壁厚度公式。解析解、简化公式以及厚度公式可为环形单圈冻结施工与设计提供理论的依据与指导。     

粘土冻结壁的变形特性与计算

基于冻结壁变形模拟试验数据，本文对粘土冻结壁的变形规律进行了较详细的讨论，得出了冻结壁井帮最大位移计算公式。文中还以冻结壁充许位移位为基础，给出了深部粘土冻结壁承载力与安全掘进段高的计算式。     

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。     

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。     

冻结壁形成及解冻规律实测研究

通过实测,分析了冻结壁内温度分布规律,冻结和解冻期内冻结壁厚度、平均温度、冻结壁发展速度、解冻速度及外壁体厚占有效厚度比例与冻结时间的关系,冻结壁厚度与平均温度的关系,并得出了有关回归公式．对冻结凿井的设计和施工有着重要的指导意义．     

基于统一强度理论的冻结壁弹塑性应力分析

将冻结壁等效为弹性模量、黏聚力呈抛物线分布的功能梯度材料(FGM)厚壁圆筒,基于统一强度理论,考虑中间主应力的影响,推导得到冻结壁的弹性极限荷载、弹塑性应力场及塑性极限荷载的解析解。将所得结果与均质冻结壁进行比较,并分析强度理论参数对各个解析解的影响。研究结果表明:考虑冻结壁的FGM特性,应力分布较均质冻结壁有一定的变化,环向应力由线性分布变为抛物线型分布;环向应力的最大值不再出现在冻结壁的内壁或外壁,而是出现在冻结壁厚度的中部;与均质冻结壁相比,FGM冻结壁的弹性极限荷载较大,但塑性极限荷载却较小;FGM冻结壁的弹性极限荷载、塑性极限荷载、径向应力及环向应力均随强度理论参数的增大而增大。所得结果可为冻结壁的设计提供一定的理论参考。     

人工冻土黏弹塑性本构参数反分析研究

通过大量的人工冻结黏土蠕变试验研究,获得在高偏应力下人工冻结黏土具有显著的蠕变特性：当应力水平较低时,人工冻土发生黏弹性蠕变变性;当应力水平较高时,人工冻土发生黏塑性蠕变变性。因此,以西原模型为基础,增加一个黏弹性元件项和用抛物线屈服函数代替塑性屈服项,构建了高应力下抛物线型黏弹塑性蠕变本构模型。改进的西原模型可以较好描述人工冻土剪切蠕变特性。基于小生境技术的遗传算法和人工冻土黏弹塑性模型有限元理论,在FEPG（有限元程序生成器）自动生成平台上研发了位移反分析程序。利用现场实测数据对深井冻结井筒开挖过程进行了位移反分析,获得了与试验相一致的冻土本构力学模型参数,数值分析结果与实测数据之间的误差在6%以内,反演结果验证了模型的可行性。冻结井筒开挖过程的位移反分析获得的人工冻土本构模型参数,能反映冻结壁施工过程和有效冻结范围内冻土本构参数平均值,因而具有广泛的代表性,对冻结壁应力场、位移场和稳定性预测具有重要工程意义。     

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。     

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。     

考虑渗透力和原始Hoek-Brown屈服准则时圆形洞室解析解

采用原始Hoek-Brown非线性屈服准则,推导了渗透力作用下圆形洞室弹塑性解析表达式。根据解析公式,绘制了渗透力作用下基于原始Hoek-Brown屈服准则的围岩特性曲线、塑性区半径与洞壁支护力关系曲线、塑性区半径与围岩自重应力关系曲线,并与基于Mohr-Coulomb屈服准则以及不考虑渗透力的图形进行了对比研究,研究表明：应用原始Hoek-Brown屈服准则求出的洞室径向位移和塑性区半径都大于应用Mohr-Coulomb屈服准则求出的结果;在围岩情况较好的条件下基于原始Hoek-Brown屈服准则计算的塑性区半径远大于基于Mohr-Coulomb屈服准则算出的值;渗流效应对地下洞室的塑性区半径和洞壁径向位移的影响十分显著。     

双排管冻结下冻结壁温度场形成特征的数值分析

冻结时间、冻结壁厚度和冻结壁温度场的性状是冻结法施工的关键参数,以工程实例为背景,考虑了水的导热系数λ和比热c的相态变化以及冻结管吸热参数随温差而变化等因素,利用ANSYS大型有限元计算程序,对单、双排管冻结下冻结壁的形成及其变化特征进行详细的计算分析,得出了双排管冻结下冻结时间缩短、冻结效率提高、冻结壁平均温度下降等特性.最后,探讨了双排管冻结下冻结壁平均温度的简化计算方法     

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。     

考虑不均匀冻胀土体-衬砌隧道在寒区的振动响应

在频域内研究简谐均布荷载作用在寒区不均匀冻胀土体-衬砌隧道中的动力响应问题。将衬砌与冻土间视为紧密接触,冻土及非冻土间由于组构、性质间的差异可发生相对移动,在考虑覆盖于隧道周围冻结土体发生不均匀冻胀的前提下得到简谐荷载作用在衬砌内径所引发的系统振动解析解。根据非冻土、冻土以及衬砌间的连续条件和边界条件得到待定系数,并得到寒区隧道系统中不同介质的位移以及应力的解析解。对具体参数模型进行算例分析,发现：隧道系统的介质（衬砌,冻土及非冻土）参数变化会对冻土环向应力幅值、不同冻结状态土体径向位移幅值及其基频产生影响;不均匀冻胀会改变外荷载作用下隧道周围冻土中的动力响应;寒区隧道系统径向位移幅值随距离隧道圆心的增加呈现衰减的趋势,非冻土径向位移幅值较冻土减小明显。     

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。     

城市盾构隧道水平冻结地层加固的数值分析

冻结地层加固法是一种环境影响小、加固效果好的地层加固方法,人工冻结壁的形成是一个复杂的热-力耦合问题。依托实际盾构隧道始发施工中冻结加固工程,采用有限差分软件Flac3D建立数值模型分析了地铁隧道水平冻结施工中温度场随时间的发展和分布特征,同时采用准热-力耦合的方法,分析了冻结施工中地表冻胀隆起变形规律。分析结果表明：冻结壁模拟交圈时间和设计交圈时间基本一致;冻结壁交圈前,地表冻胀隆起位移速率快,冻结壁交圈之后,地表冻胀变形逐渐趋近稳定。计算结论可供设计和施工参考,提供了一种简便的人工冻结加固施工的数值模拟方法。     

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。     

土体一维冻结问题温度场半解析解

针对土体的一维冻结过程,采用考虑土体冻结状态下未冻水存在的等效热容模型,建立了其温度场计算的半解析方法, 并与相关文献中的数值解进行了对比,验证了方法的正确性。对等效热容模型与显热容模型进行了对比, 计算结果表明：在瞬态阶段,显热容模型计算的冻结锋面推进速度较等效热容模型慢;而在接近稳态阶段,显热容模型计算的冻土区厚度较等效热容模型厚。在冻结诱导水流较弱的情形下,土体冻结状态下的持水特性越好,采用显热容模型进行温度场计算产生的误差越显著,并且其计算结果应用于人工冻结设计是偏于不安全的     

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。