软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究

研究软弱地层联络通道冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律,是解决其冻胀及工后融沉预测与控制的前提。以软土隧道联络通道冻结法工程为背景,对冻结温度场、解冻温度场、地表变形、深层土体冻胀融沉及温度变化规律等进行了全程实测,对冻结壁的形成及解冻全过程进行了分析。结果表明:冻结过程温度变化规律可分为温度快速下降、降温减慢、降温速度加快、土体温度稳定、维护冻结等5个阶段。解冻期间,土体温度经历快速回升、0℃附近稳定、温度持续回升3个阶段。冻结圆柱交圈是产生迅速冻胀的临界时间点,冻胀主要发生在冻结18~45 d;联络通道解冻15 d,部分土体温度达到0℃附近,冻土进入相变阶段,因此应在15 d后开始融沉跟踪注浆;入土深度越大土体相变阶段持续时间越长,粉土融沉主要发生在解冻前2个月,其完全解冻需要100 d左右,此为跟踪注浆至少应持续时间。深部土体温度、冻胀融沉位移均随深度增大呈线性递增。实测拱顶冻结壁处最大冻胀及融沉位移分别是对应地表冻胀、融沉量的3.6倍、4.9倍。地表冻胀融沉槽为联络通道中线两侧符合拟正态分布规律,其影响范围约为隧道底部埋深的1.2倍。     

港珠澳大桥拱北隧道施工变形规律分析

在地质条件复杂的沿海富水地层开挖浅埋超大断面隧道,面临诸多风险,暗挖施工易对围岩进行扰动,引起地层变形。新型"管幕冻结"支护可以有效控制暗挖施工引起的地表沉降过大问题,该工法下隧道开挖过程中地表位移变化主要受暗挖产生的地层损失和土体冻结膨胀以及隧道开挖卸荷后的上浮效应等因素影响。基于现场实测数据,对洞内拱顶位移、水平收敛和地表变形规律进行分析发现,拱顶位移与对应地表处的位移变化具有较强的一致性,纵向上在隧道中部段出现上浮,两侧洞口段出现下沉。受分层开挖扰动影响,隧道两侧土体向内变形导致洞内水平收敛增大,最大水平收敛为15.72 mm,约为隧道横向跨度的0.8%。新型管幕冻结暗挖施工工法可以很好地控制富水地层渗漏水问题,且极大地减小了隧道内部的位移变形,但其冻结膨胀引起地表隆起及解冻后的地表融沉问题仍需密切关注。     

地铁双线隧道水平冻结位移场的模型试验

 针对地铁双线隧道水平冻结工程,基于相似理论,建立一套完整的物理模型试验系统。在保证冻结壁强度相似前提下,重点对双线隧道冻结暗挖过程中的冻胀和融沉位移场进行试验研究。试验结果表明,冻结壁的交圈时间与土层冻胀位移规律有着密切联系,先行冻结的上行线隧道由于水分迁移现象较强,使得土层冻胀位移相对较大。试验对比分析冻结壁2种不同解冻方式,发现冻结壁强制解冻条件下土层融沉现象较弱,强制解冻条件下近地表土层融沉位移仅为自然解冻条件下近地表土层融沉位移的47%,说明采用强制解冻方式可减小土层融沉。     

多次冻融条件下土体的融沉性质研究

以青藏铁路那曲物流中心站场路基填料为研究对象,通过室内试验深入研究和分析了压实度、荷载以及冻融次数对土体融沉性质的影响规律。研究结果表明：第1次冻融过程中压实度大的试样的冻胀融沉量小,而经历多次冻融后压实度大的试样的冻胀融沉量则变大;多次冻融后较大压实度的试样表现为隆起变形,而较小压实度的试样则表现为压密变形,即不同压实度试样在经历多次冻融后压实度趋于某一定值;存在一临界压实度值,该值下多次冻融后试样高度不发生变化;荷载的压密作用在抑制冻胀变形的同时也加剧了试样的融沉变形,总体变形量随荷载的施加和增大而增大;补水条件下多次冻融后试样的含水率远远大于初始含水率,因此应做好防排水措施;外界水源补给量随冻融次数的增加而减小,并在经历3次冻融后达到稳定,且冻结过程中的补水量远远大于融化过程中的补水量;融沉系数随冻融次数的增加先增大而后减小并在经历5次冻融后趋于稳定,因此可将5次冻融后的融沉系数作为评价土体融沉性质的指标。     

阿尔金山隧道洞口段气温与围岩冻融过程研究

季节冻土区隧道工程面临冻融不利影响,准确掌握隧道进深方向洞内气温分布与围岩体季节冻融过程对进出口保温段长度和保温材料厚度的合理设置至关重要。依托甘肃省阿尔金山公路隧道工程,开展了隧道进口段不同进深洞内气温的现场监测。在此基础上,基于考虑冰水相变的土体传热方程,利用数值模拟手段研究了不同保温层厚度条件下隧道洞口段不同进深围岩体季节冻融过程。结果表明,随进深不断增加,洞内气温年平均值逐渐增加,振幅逐渐减小,显著变化发生在洞口段300 m内。随保温层厚度增加,洞口段围岩体季节冻深呈指数函数形式减小。无保温措施条件下,距洞口5 m处季节冻深为2.51 m,相应冻结持续天数为138 d。铺设4 cm厚保温材料后,可有效保护洞口段围岩体不受季节冻融过程的显著影响。随进深增加,受洞内气温随进深增加而减小影响,围岩体冻结深度随保温层厚度的下降速率有所不同。     

交叠车站下穿段MJS+水平冻结冻胀位移场研究

交叠车站下穿段隧道进行开挖前首先要进行加固处理,以南京新建地铁7号线下穿既有10号线中胜站工程项目为背景,为控制施工引起既有运营车站的变形,采用MJS+水平冻结法联合加固方案。为掌握MJS+水平冻结联合加固的冻胀变形、冻胀位移场发展规律及其影响因素,进行冻胀位移场数值模拟。研究结果表明:在积极冻结过程中,“山”字形水泥土加固区内部及其左右两侧产生向上的变形,底部则产生向下的变形;水泥土加固区变形相比内外侧砂土变形较小,水泥土对抑制冻胀作用效果明显;地层初始温度越低,冻胀变形影响范围越广,变形值越大,在冻结40 d、地层初始温度为18 ℃时,既有车站底板在距中轴线水平距离12 m处产生最大冻胀变形,为6.97 mm,小于允许冻胀变形10 mm;在相同地层初始温度下,盐水温度越低,隧道埋深越浅,冻土帷幕越厚,冻胀产生的变形越大,实际工程中可通过优化盐水降温计划抑制冻胀变形以减小对周边环境的影响。研究结果可为相似工程提供设计参考理论依据。     

地铁联络通道冻结加固技术研究

结合上海地铁联络通道的冻结施工,介绍了联络通道和泵站合并建设模式下的冻土帷幕结构设计与水平冻结工艺,以及控制冻胀融沉的措施-强制解冻融沉注浆.对土体温度和地表变形等相关信息进行了监测,并对实测结果进行了分析.为今后联络通道冻结法施工提供了一定的参考.     

基于冻土正交各向异性冻胀变形的隧道冻结期地层位移数值分析

 针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。     

青藏铁路多年冻土隧道围岩季节活动层温度及响应的试验研究

高原多年冻土区隧道的修建,将不可避免地影响到隧道背后多年冻结围岩的热稳定性,并形成季节融化与冻结的活动层。结合青藏铁路二期工程格尔木—拉萨段风火山隧道修建,选取11个断面对多年冻土隧道开挖直到贯通引起隧道冻结围岩体的热学响应规律进行深入的现场试验研究。现场试验结果表明：（1）隧道背后围岩地温随时间及深度呈线性变化趋势。（2）施工期间,因受人为热源影响,围岩冻融范围超过该地区天然冻土上限值。有些断面隧道背后围岩融化深度超过5m,远远超过该地区天然冻土上限值（1.36～2.11m）。分析结果表明,其围岩融化范围与多年冻土上限的比值,随着洞内温度与洞外温度比值呈现线性变化。（3）贯通后,良好的保温措施使得围岩冻融圈范围小于天然冻土上限,且其围岩融化范围与多年冻土上限的比值,随着围岩表面温度与隧道洞外温度比值也呈现线性变化。     

各向均匀与单向冻结条件下饱和岩石冻胀变形特性对比试验研究

寒区隧道围岩的冻结是沿隧道径向的单向冻结,而不是常规岩石冻胀试验中的各向均匀冻结。为研究岩石在不同冻结条件下的冻胀变形规律,进而证实寒区隧道围岩单向冻结条件下具有不均匀冻胀性,分别进行封闭条件下饱和砂岩各向均匀和单向冻结时冻胀特性的对比试验。其中单向冻结试验利用自行设计的装置成功地进行。试验表明,封闭条件下饱和砂岩各向均匀冻结时,冻胀变形各向相等,变形过程可以划分为冷缩、冻胀、稳定3个阶段;而单向冻结时,沿冻结方向冻胀应变明显大于垂直冻结方向冻胀变形,且沿冻结方向冻胀应变变化过程也不同于垂直冻结方向冻胀应变,垂直冻结方向变形过程仍为冷缩、冻胀、稳定3个阶段,而沿冻结方向变形过程表现为冷缩、快速冻胀、冻胀量降低、稳定4个阶段,岩石表现出明显的不均匀冻胀性。试验测得饱和砂岩在0.7~2.2℃/cm温度梯度下的冻结不均匀冻胀系数在2.20~2.71范围。在试验的温度梯度范围内,不均匀冻胀系数与平均温度梯度呈线性关系,温度梯度越大,不均匀冻胀系数越大。为考虑围岩不均匀冻胀性的寒区隧道围岩冻胀力计算中不均匀冻胀系数的取值提供了试验依据,从而可合理地计算寒区隧道围岩冻胀力。     

季节性寒区隧道围岩融化分析的一种解析计算方法

融化与冻胀是影响寒区隧道围岩稳定的重要因素,为分析季节性寒区隧道融化时围岩应力分布规律,建立了一种理论分析模型。该模型是在围岩先发生冻胀的基础上进行的,考虑了冻结围岩融化时体积的缩小和融化围岩在荷载作用下的压缩过程,即当冻结围岩融化时体积缩小,融化范围外侧的围岩将向隧道方向移动,并对融化围岩进行压缩变形,当达到平衡后又有一部分冻结围岩进入融化圈范围内,使得该部分冻结围岩再次融化,外侧围岩再次移动,融化围岩再次压缩,最后再次达到平衡,如此往复,直至整个系统稳定为止。为简化分析,认为所有过程均是一次完成,且冻结围岩融化时体积的缩小量近似等于围岩冻结时体积的膨胀量;而融化围岩的压缩过程是将融化围岩和衬砌看作一复合支护结构并进行受力压缩的过程。通过算例分析可知:冻结围岩融化后,衬砌中的最大主应力有所减小,融化范围内的围岩应力减小明显,而未融化范围内(冻结状态)围岩由于几何尺寸的变化使得环向应力有所增加;同时进一步分析了冻胀线应变、地应力以及融化半径对融化过程的影响规律。该融化分析模型较好的吻合现场的实际情况,对寒区隧道围岩融化研究具有一定的参考意义,能较好地指导寒区隧道设计。     

单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验及THM耦合冻胀模型

为研究寒区岩石在梯度温度场中补水条件下的冻胀变形规律,进行了单向冻结时开放条件下饱和砂岩冻胀试验。试验结果表明,单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀过程中,沿冻结方向的冻胀位移变化过程可分为冷缩阶段、原位冻胀阶段、分凝冻胀阶段3个阶段。分凝冻胀阶段冻结锋面趋于稳定,冻胀变形持续增长,与时间基本呈线性关系。此外,分凝冻胀阶段补水量换算的迁移水分凝冻胀位移与冻结方向冻胀位移比较接近。随着平均温度梯度增大,分凝冻胀变形速率增大,且分凝冰位置与平均温度梯度线性相关。然后,建立了考虑孔隙水原位冻胀与迁移水分凝冻胀的THM耦合冻胀模型。模型中,孔隙水原位冻胀计算基于未冻水含量,并引入约束系数表征岩石骨架对孔隙水冻胀约束程度;迁移水分凝冻胀计算基于分凝势理论,水分迁移速率与冻结缘处的温度梯度成正比。模型计算结果与试验结果对比表明,建立的THM耦合冻胀模型能够比较准确地计算单向冻结时开放条件下饱和岩石冻胀位移,并能够模拟出分凝冻胀时分凝冰层引起的位移突变及分凝冰位置,可用于寒区冻胀敏感性岩石开放条件下冻胀变形计算。     

水泥土加固法冻胀抑制效应数值模拟

水泥土与人工冻结联合加固法在盾构隧道端头加固中效果明显。本文以南京地铁十号线过江隧道端头联合加固工程为背景,分别进行了水泥土及原状土体冻结温度场和冻胀位移场耦合数值模拟研究,并通过对比实测与数值模拟结果,验证了计算方法的正确性。研究结果表明:冻结管间、冻结管与围护结构间区域降温速度较快,后排冻结管后方受加固体影响,是冻结壁发展最不利部位;冻结管和围护结构的约束作用会抑制周围土体的冻胀,两排冻结管间冻胀位移最大;水泥加固后地层冻胀敏感性明显减弱,地表最大冻胀量为对应原状土的14.3%,1 mm以上冻胀量地层在深度方向上为对应原状土的30.6%。研究结果对进一步探索水泥土与人工冻结联合加固工法有指导作用。     

青藏铁路路基预制拼装式骨架护坡试验分析

青藏高原强烈的环境温度变化和特定的地质条件会引起路堤边坡冻胀融沉，使边坡表层土的强度下降而导致表层流坍甚至边坡滑塌。为保证高原冻土地区人工边坡在一定时期保持稳定，在北麓河厚层地下冰段设计并开展了预制拼装式骨架护坡路基现场实体工程的试验研究。大面积的坡面被骨架护坡分成菱形窗格后，形成的塌滑体的范围和厚度减小，杆件与坡面牢固的连接为一体，增强了边坡的整体性，提高了土体的抗剪切能力，从而加强了士体的抗冲刷能力。此外，两节杆件垂直于坡面搭接，组成菱形窗格的一条边，垂直于坡面方向可以有少许的位移，适当释放窗格内土体的冻胀力。锚杆、杆件实现了以点带线、以线带面的平面防护形式。分析观测资料表明，路堤骨架变形呈现寒季冻胀、暖季融沉的一般特点，且融沉和冻胀变形逐年趋于稳定，骨架护坡对维持边坡坡面稳定起到了较好的作用。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

近接隧道冻结对运营车站冻胀变形控制研究

为了研究不同冻胀控制方法下土体冻胀的发展规律,以上海某近接穿越既有车站的隧道冻结加固工程为原型,根据相似准则建立了冻土与车站结构相互作用的模型试验台,对隧道水平冻结过程进行模拟研究,探究调整冻结盐水温度以及泄压等方法下隧道冻结冻胀变化规律。研究结果表明,将冻结盐水温度从-28℃提升至-18℃后,隧道的积极冻结时间增长91%,但车站底板冻胀力减小了16.7%;三角区泄压后车站底板冻胀力减小了26.3%。根据相似模拟试验得到的不同冻胀控制措施下车站结构的冻胀变化规律,提出在施工工程中采取三角区泄压及调整冻结参数等措施来控制冻胀对车站结构的影响。同时根据工程施工监测数据,对不同冻胀控制措施的应用效果展开了研究,研究结果表明,三角区泄压孔泄压后10d内车站底板位移量减少了65.5%;冻结盐水温度为-28℃、-20℃、-10℃时车站底板竖向位移增长速率分别为0.35mm/d、0.14mm/d和0.01mm/d,随着冻结盐水温度的提高,车站结构竖向变形速率明显减缓,调整冻结盐水温度对冻胀控制效果十分显著。     

Experimental study on freezing and thawing deformation of geogrid-reinforced silty clay structure

Reinforcement can reduce soil’s frost heave (F-H), but what kind of reinforcement condition is most beneficial to control soil’s F-H if it is not clear? In this study, orthogonal experiments of freezing and thawing (F-T) to reinforced silty clay under different conditions were carried out. F-H, thaw settlement (T-S) deformation and water content of three different heights of melting clay were tested. T-S displacement was positively correlated with water content and more closely related to upper layer clay’s water content. SPSS software was used to fit the regression equation of F-H and T-S displacement expressed by various influencing factors. The top three factors influencing the F-H and T-S displacement were initial water content, reinforcement spacing, and upper pressure. Taking the lowest displacement of F-H and T-S as control target, the optimal solution of all factors and target values were obtained with MATLAB software when the freezing temperature and number of freezing and thawing cycle (FTC) and upper pressure were − 15 °C, 5 times, and 30 kPa. The lowest values of F-H and T-S displacement were 3.61 mm and − 0.514 mm, respectively, when the values of the initial water content, compaction degree, and reinforcement spacing were 16%, 90%, and 25 cm, respectively.

     

冻结法施工中的冻土特性试验研究

为获得冻结法施工中土体冻胀融沉特性规律,以某地下联络通道工程为原型,根据相似理论,进行了水平冻结模型试验。结果表明,冻胀融沉过程中,土体温度先迅速降低后升高,维持在0℃一段时间后,继续缓慢升高至室温;土压力值先增加后减小,其中,竖向土压力值随深度的增加而增大,相同埋深下,距冻结管越近,水平土压力值越大;土体融化固结沉降值明显大于冻胀位移值,土体竖向位移较水平位移变化显著。积极冻结期内土体温度降低速率变慢,且埋深越大、距冻结孔越近,土体温度降低越快、降幅越大;无侧限土体压力值先增加后减小,侧限土体压力值则逐渐增大,全封闭土压力值变化率更显著。