组合地层渗流对人工地层冻结法及周围工程环境效应的影响

随着沿海地区越来越多大型跨海、越江工程的出现,人工地层冻结法面临着更加复杂的水文地质环境问题及挑战。依托工程背景,通过典型砂黏组合地层的设计,按照严格相似比,建立了组合地层渗流环境下人工地层冻结法的缩尺模型,分析了软黏土下伏较大渗流砂层的工况下,渗流对上覆冻融敏感软黏土的冻结施工及周围工程环境的影响。试验测定了不同渗流速度下各影响区域内的温度、冻胀力、地表沉降量等参数指标。结果表明下伏砂层渗流速度过大会无法完成冻结,存在临界渗流速度。且渗流工况下软黏土上下冻结帷幕边缘的冻结效果也截然不同,尤其是稳定冻结温度和冻胀力发展模式。渗流直接影响的区域,渗流对软黏土潜热效应的削弱明显,随着渗流速度增大相变平衡时间呈线性减小。综合研究成果为冻结方案优化及施工安全提出了理论性指导意见,并对现场工程可能会遇到的施工质量、隧道安全、环境治理等做出预警建议。     

软黏土三维水-热-力耦合冻融模型及应用

人工地层冻结法是沿海地区软黏土进行地层加固的一种常见绿色工法,地下空间开挖的大型及复杂化使目前冻结法面临更加复杂的渗流环境。为此,通过分凝冻胀理论刚性冰模型的三维化推广,建立能考虑水分迁移的热-水-力耦合作用冻胀融沉模型,以模拟复杂渗流环境下的人工冻结工程。基于模型使用COMSOL有限元进行模拟,与同尺寸室内模型试验数据进行对比,验证该模型在复杂渗流环境组合地层(软黏土、粉细砂)冻结中的适用性。模拟结果表明：在组合地层条件下,渗流会削减冻结稳定时冻结帷幕的厚度;当速度大于1.2 m/d时,冻结帷幕将不能达到设计厚度;冻结帷幕靠近渗流边界的一侧冻胀力增长缓慢、冻胀力的最大值较低;渗流致使地表产生不均匀沉降,下游区域的沉降量更大。利用已验证模型对组合地层渗流作用下的冻结法施工进行模拟预测,提出结合组合地层渗流因素的隧道安全冻结法分级标准,为冻结法在沿海更复杂渗流环境下的施工安全与预警提供依据。     

基于冻融特性的人工冻结区域隧道安全控制体系

以人工冻融软黏土区地铁隧道的安全状态为出发点,使用comsol数值模拟的方法对冻结施工过程进行三维的数值模拟。根据数值计算结果,并基于软黏土冻融性态指标(冻胀力),对隧道受力及变形进行评价,确定地铁隧道针对软黏土冻融作用的安全控制等级。