冻结砂土瞬时强度的初步试验研究

采用人工冻结法进行深厚表土层的井筒建设是当前我国几大煤炭基地矿井建设的主要施工方法。为安全有效地应用冻结法,首先就必须知道冻土的物理力学性质。由于国内在矿建方面没有开展这项工作,因而冻结设计中一直沿用国外的有关冻土资料。为配合两淮煤炭基地建设,我们对冻结砂土的抗压、抗剪强度进行了初步研究。     

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     

新型管幕冻结法在河堤防渗加固中的温度场分析

为了探究新型管幕冻结法是否能够对河堤进行有效的防渗加固,利用有限元软件基于温度场对新型管幕冻结法在防渗固堤中的应用展开研究,设置4条分析路径,对冻土帷幕的基本情况和各路径的冻结效果特征进行分析。结果表明:冻土帷幕自冻结管处形成后向周围蔓延,从第8天起,0.5 m深度上侧的冻土帷幕发展开始“加速”,相较于另一侧冻土帷幕,其发展更快、强度更高、冻结更密实。冻结完成后,0.5 m深度上侧冻土帷幕均匀密实,坡面上温度最低可降至?25.34℃,各观测点温度均在?24℃以下,最终冻结温度和降温速率均呈现出“M”形特征;堤面最快可在第11天开始冻结,在第14天冻土覆盖整个堤面,土体最终冻结温度与深度之间呈指数函数关系。管幕钢管边界冻结差异较大,最高温点与最低温点温度分别为?24.94℃和?2.89℃,相差约22℃,冻土帷幕最小厚度约0.78 m。所得结果可为将来的相关实际工程提供参考依据。      

抛物线型屈服面人工冻土蠕变本构模型研究

利用自行研制的W3Z-200型冻土三轴压缩蠕变仪,对淮南地区深表土冻土进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,提出以标准黏弹塑性模型为基础,并耦合温度自由度,应用抛物线型屈服准则对模型中的黏塑性项进行改进,建立了新的本构模型来描述高围压复杂应力状态下冻土的蠕变变形特征。基于ADINA有限元软件平台,开发了冻土本构子程序。对淮南某冻结井筒开挖过程进行了数值模拟,计算结果验证了冻土抛物线型黏弹塑本构模型的正确性和合理性。     

浅层地震在永冻区探测冻土层厚度的试验研究

作为陆域永冻土区天然气水合物矿藏的盖层,天然气水合物的分布与冻土层密切相关。利用地震方法探测冻土层是该方法寻找天然气水合物的新尝试。青藏高原永冻土区冻土厚度相对较薄,为有效地探测冻土层,需采用小道间距、小炮间距、小偏移距和高覆盖次数的反射地震方法技术。由于松散沉积地层冻结前后的速度差别较大,利用地震速度谱和冻土底界反射波能够可靠地探测冻土层的厚度。对于孔隙度较低的硬岩沉积地层,虽冻结前后的地层速度差别相对较小,但冻结层底界面上下地层的波阻抗差异也会因冻结层的存在使正常反射波组在冻结层底界处出现不连续和扰动,依据地震速度谱和倾斜地层反射波组的扰动不连续可解释冻土层厚度。     

冻土与结构接触面冻结强度研究现状与展望

全面掌握冻土与结构接触面冻结强度研究进展,是进一步深入开展冻土与结构接触面冻结强度研究的前提。首先,从接触面冻结强度定义、接触面冻结强度剪切试验仪器研发、动静荷载作用下接触面冻结强度试验、接触面冻结强度数值模拟等多个角度系统归纳接触面冻结强度方面的最新研究成果。其次,通过对比不同接触面冻结强度剪切仪,指出现有试验仪器的不足,提出接触面冻结强度成因及破坏机理缺乏深入揭示的原因,讨论现有冻土与结构接触面单元模型、接触面冻结强度预测方法等方面存在的问题。最后,提出研发改进冻土接触面冻结强度试验仪器以更好模拟实际工况的展望,指出应当运用冻土微观结构研究手段深入揭示接触面冻结强度成因及破坏机理,建议结合试验和理论推导构建更为合理的冻土与结构接触面单元模型,阐述以多影响因素试验为基础探寻更为完善的接触面冻结强度预测方法。通过国内外研究现状、存在问题及其发展趋势分析,为冻土与结构接触面冻结强度研究以及冻土区地下工程设计和隧道工程人工冻结加固等方面提供参考和指导。     

人工冻土声波参数试验研究

用ＳＹＣ－２型声波探测仪，对取自淮南矿区井下冻粘土，冻砂土进行了测定。其声波纵横波速振幅衰减系数及动弹模与冻土温度、含水量、容重的关系均用于幂指数形式较好地描述。其中容波速，动弹模及振衰减的影响最大；其次为温度、含水量；冻土振幅度衰减系数对其物理参数变化的敏感性大于波速。另外还研究了冻粘土与冻砂土怕波特性差异、截载大小及加载时间对冻土怕特性影响。     

地铁联络通道冻结监测分析

南京地铁一期工程联络通道采用冻结法施工中,对冻结盐水温度、冻土温度、地表变形等方面进行了跟踪监测;通过对监测结果进行分析研究,获得了冻结盐水温度、冻土温度、冻涨压力、卸压孔压力的变化规律,在此基础上提出了联络通道冻结施工的建议。研究成果可供其他工程参考。     

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。      

测地雷达在寒区浅层地质调查中的应用

本综述了测地雷达技术在寒区浅层地质调查中的应用，包括：圈出地下冰，探测多年冻土构造、冻土上限、冰丘内部构造，测量河、湖冰厚度，多年冻土冻结核防护坝的勘深和监测，以及探测埋设的管道及其周围上层状态的变化等。     

直线形单排管冻土帷幕平均温度计算方法

冻土帷幕平均温度是人工地层冻结工程设计、施工和安全管理的重要参数.为了确定单排管冻土帷幕的平均温度,进而确定冻土的力学参数和冻土帷幕的承载能力,为冻土帷幕的安全状态作出评价.以单排管冻土帷幕温度场的巴霍尔金解析解为基础,建立了直线形单排管冻土帷幕的平均温度的两种计算模型——等效梯形法和等效三角形法模型,该模型以冻土帷幕某一横截面厚度上的等效梯形法或等效三角形法计算的平均温度来等效整体冻土帷幕的平均温度.在实际工程中可能出现的冻结管平面布置参数变化范围中,全面考察了冻土帷幕平均温度等效梯形法和等效三角形法计算结果与依据巴霍尔金解析解数值积分计算结果的误差.结果表明,等效梯形法和等效三角形法计算的冻土帷幕平均温度误差很小,优于流行的计算方法.     

季节冻土地区人工冻土墙的冻结特性研究

季节冻土层中的地温呈非线性分布,改变了冻土墙形成时的初始温度条件以及形成后的结构形式。有季节冻土条件下形成深6 m、厚1.4 m的冻土墙较无季节冻土的情况可减少冻结时间15 d,减少冷能消耗60 %,经济上有极大优势。通过数值模拟,得到了能量消耗与时间关系曲线、冻结管热流密度与深度关系曲线、冻土墙的厚度与时间关系曲线、冻土墙的厚度与深度关系曲线等,可见季节冻土层的存在显著提高了冻土墙的厚度发展速度,减少了冻结时间,降低了冷能消耗。模拟了49种工况,对冻结管直径、冻结管间距、冻结时间、冻土墙平均温度、冻土墙厚度等数据进行了非线性回归分析,得到冻土墙厚度与时间成对数函数关系、平均温度与时间成反比例关系的相关表达式,为人工冻结技术的合理运用和推广提供了理论依据。     

量热法与测温法在冻土未冻水测试中的应用

冻土未冻水含量不但是评价冻土中水分迁移特性的重要指标,而且也是冻土热工计算中常用的参数。分别对量热法与测温法的原理进行分析,指出测温法原理中存在混淆温度概念的问题。量热法可以测定土样任一含水量任一负温条件下的未冻水含量,而测温法试验曲线中查得的数据仅是某一冻结起始温度对应的初始含水量,不能反映冻土中未冻水含量随温度的变化规律。选取2种细粒土料配置6种不同含水量土样进行了2种方法的对比试验和测温法中土的起始冻结温度的平行试验。试验结果表明,由测温法确定未冻水含量具有不可靠性。建议在试验条件允许的情况下,使用量热法进行冻土未冻水含量的检测。     

人工冻土温度场影响因素灵敏度分析

在冻结法凿井施工中,全面掌握诸因素对人工冻土温度场发展的影响程度,对于优化冻结方案、处理紧急情况有重要的意义.文章通过对两淮地区大量的冻结法施工井筒冻结时段的温度场实测数据样本分析,较全面地考虑影响人工冻土温度场发展的诸因素,利用人工智能方法构建一个大型的能预测温度场的动态网络结构,通过对网络结构隐含信息的分析,得出系统中各因素对冻土温度场影响的灵敏度.     

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.     

人工冻土动态力学特性研究现状及意义

冻土的动态力学特性研究是冻土静力学研究的发展和分析冻土体动力失稳等特征的重要基础。综述了国内外研究现状可知,冻土力学特性的研究集中在冻土的静态力学方面,动态力学性能研究大多是低频或小幅值的振动加载下的情况。根据应变率大小,采用分离式Hopkinson压杆装置研究冻土的高应变率下的冻土动态力学特性是可行的。冻土动态力学性能的研究是煤矿冻结法施工及人工冻结工程建设中安全有效快速施工的重要基础研究,具有重要的理论意义和工程应用前景。     

苏州地铁典型土层冻土力学特性研究

人工冻结法已经并将大量用于苏州轨道交通连通道及盾构进出洞施工,而冻土力学特性是冻结法设计所需的重要参数,此前尚无苏州地区冻土物理力学参数相关试验研究资料,若参考其它地区参数进行冻结设计将会给施工带来许多不确定性。本文以苏州地铁典型土层为研究对象,对其冻土抗压强度、弹性模量、泊松比进行室内试验研究,根据试验数据曲线,分析总结了抗压强度随不同温度、含水率、干密度的破坏形态和变化规律以及弹性模量、泊松比随温度变化的规律,并作出了定量和机理分析,研究成果对苏州轨道交通建设冻结法设计指标的确定具有重要参考价值。     

高密度电法在输电线路塔基基础附近多年冻土探测中的应用北大核心CSCD

多年冻土区输电线路塔基基础附近活动层厚度和地下冰变化与基础稳定性密切相关,塔基施工的热扰动和混凝土基础的热效应使得基础周围冻土易发生退化,不利于基础的稳定。高密度电法是冻土工程环境研究中常用的地球物理方法,其探测结果的可靠性和分辨能力受数据采集方式、目标体地电结构影响。为减小对输电线路塔基附近冻土特征识别的不确定性,通过建立基础周围多年冻土地电模型的正反演模拟,发现活动层处于融化状态时各种装置方式数据采集均能较好地反映活动层厚度的起伏,但由于冻融锋面附近显著的电阻率差异,难以识别多年冻土层内的地下冰空间分布特征。而活动层处于冻结状态时进行探测能显著提高对多年冻土层内的地下冰空间分布特征识别精度,其中偶极-偶极装置可较好地识别高、低含冰量区域的发育位置和形态特征。在青藏直流输电线路塔基基础附近冻土探测中证实了方法的有效性,探测结果揭示了施工过程和基础热效应导致的塔基基础附近的地下冰退化。以上研究表明,通过正反演模拟,根据具体探测目标选择合适的探测时机和数据采集方式,能显著提高高密度电法探测结果的有效性和精度。     

我国冰川冻土物探工作的进展及建议

物探作为一种地质勘探手段,早被广泛用于探矿、探查石油构造,以及工程地质、水文地质勘察等方面。50年代后期,我国有关勘测设计单位在多年冻土区工程地质调查时便开始使用了物探方法,但正式把冰川冻土物探做为一种专门技术进行系统的研究和应用则始于60年代初。现已发展成为电法、地震法、重力、放射性、雷达、测井和实验室研究等综合物探方法,并能有效地测定冰川和冻土的厚度,圈定多年冻土和融区的分布范围,了解地下冰状况和冻结松散沉积物厚度等,在冰川冻土研究和勘测工作中发挥了积极的作用。     

水分对冻土中超声波速的影响

温度、水分(包括冰与未冻水)及结构状况直接影响着冻土的各种性质。一定负温下,不但冻土中冰晶含量取决于含水量,而且随土粒径的不同,含水量变化也必将或多或少地影响到冻土的结构状况。改变含水量,冻土的物理力学性质随之改变,同时它的声学特性也将发生相应变化。了解冻土中声波传播速度的变化规律,对于研究冻土物理力学性质以及用声测法对冻土进行无损检测,无疑具有重要意义。