解决高寒地区露天煤矿季节性冻土剥离的方法和应用实践

本文通过对影响神宝能源公司露天煤矿土方剥离的季节性冻土形成情况和形成厚度进行分析,根据现场多年的工作经验,结合多项试验研究,分别使用了传统冻土爆破方法和创新的冻土掩埋方法对露天煤矿冻土进行处理。在使用冻土爆破方法时,制定了详细的爆破参数、爆破方案和操作规程,对季节性冻土进行爆破,达到了爆破效果最优化。在采用冻土掩埋方法时,根据季节性冻土的形成规律和露天煤矿的实际情况,制定了合理翻土深度,对预留的裸露台阶和坡面进行掩埋,取得了预期的效果。在结合两种方法的基础上,取长补短,成功的解决了露天煤矿季节性冻土剥离的难题,为露天煤矿土方剥离正常生产提供了前提条件,保证了露天煤炭生产正常接续,最大程度缩减了生产成本,减少了露天煤矿安全生产隐患,提高了工作效率,缩短施工工期,取得了较好的经济效益。     

北京地区表土冻融对工程建设的影响

北京地区表土为季节性冻土,具有冬季冻结、春季完全融化的特点。本文论述了表土冻融的机理,并分析了表土冻融对建筑地基基础设计与施工、基坑边坡支防护结构、道路路基、安设GPS观测点等工程建设的影响,提出了防治表土冻融灾害的对策,希望对工程建设有指导作用。     

土壤冻结深度公式的研究

对原有冻土深度计算公式进行分析的基础上，将原有计算公式统一为一个共用式。利用气象统计数据，将无覆盖冻土深度公式简化为Ｈ＝ｋｚｔ的形式。将有覆盖层冻土深度公式中覆盖层的厚度视为等效冻土深度，将原有公式统一为一个公式     

中国冻土力学研究50a回顾与展望

中国多年冻土和季节冻土面积分别占国土面积的 21.5% 和 53.5% 。在这些地区,地表层都被一层冬冻夏融的冻结–融化层覆盖,作为地基的冻结–融化层,在其冻融过程中土体性质受气温的变化直接影响着上部建筑物的稳定与安全,因此,在冻土地区进行水利工程、工业与民用建筑及交通运输工程的建设,就必须对冻土及其与工程建筑物相互作用的一系列工程冻土学理论和实践问题做出解答,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性、耐久性及经济合理性。简要回顾了中国冻土力学的创始和发展过程,阐述了冻土力学在强度与变形、本构模型研究、水热过程研究、冻土与结构物相互作用研究及冻土力学测试技术的发展等 5 个方面的成就,并根据冻土力学学科特点、工程建设对冻土力学发展的要求以及相关学科的发展趋势,展望了冻土力学未来的发展方向。     

季节性冻土地区横向受力桩的非线性解答

目前横向受力桩理论分析一般采用常数法、k法、m法、c法。我国《公路桥涵设计规范》推荐m法和c法[1]。上述计算方法中计算宽度均采用常数。但在实际情况中土体强度随深度发生变化,在季节性冻土中,土体强度还与温度密切相关。因此,文中建立了桩侧土抗力计算宽度随深度变化的函数关系,结合季节性冻土地区温度变化规律,选取了合理的抗力系数曲线,在此基础上对季节性冻土地区横向受力桩进行了理论分析,最终得到了非线性理论解。     

列车荷载对冻土路基动力响应分析

采用有限元软件建立列车荷载作用下冻土路基结构动力反应的数值模型,分析了列车荷载作用下冻土路基动力响应沿深度方向的分布规律,并探讨了冻土层和列车速度对路基振动反应的影响规律。所得结论为铁路路基设计和加固提供了理论依据。     

青藏铁路110 kV输电线路冻土桩基模型试验研究

根据相似理论的基本原理确定了青藏铁路110 kV输电线路冻土桩基室内模型试验的相似准则与试验方法,并据此研究了上拔、下压和倾覆荷载的独立与组合作用下冻土地基和桩基间冻结强度、桩基承载力、桩侧冻土抗力以及冻土地基系数随深度变化的比例系数等参数的变化规律。试验结果表明,温度是冻土桩基承载力的主要影响因素,其试验成果可为该输电线路桩基础设计提供参考。     

高原冻土区路基施工技术

在高原铁路和公路建设中,由于特殊的自然地理环境和恶劣的气候条件,高原冻土一直是困扰工程建设的最大难题,现以共玉公路改扩建工程D3合同段为例,分析高原冻土区路基施工的特点与技术,希望为相关施工提供参考。     

寒区路基工程与多年冻土间相互作用问题研究进展

多年冻土地区兴建的道路、工业设施以及大型土木工程建筑工程等,都会受到多年冻土稳定性问题的影响。土壤中的热状况、水分状况及其变化是引发冻害及严重程度的主要因素。基于工程稳定性、耐久性及积极性考虑,建立可靠的路基工程冻土热环境评价方法和合理准确的路基温度场计算模型对指导寒区工程建设有重要意义。本文从冻土介质热质耦合输运过程的机理及理论模型、温度场相关问题的计算方法及工程应用等几个方面简要综述了近年来国内外有关多年冻土地区路基工程与冻土间相互作用问题的研究现状和进展。     

圆形深基坑中人工冻土帷幕力学性能研究

采用理论分析、数值模拟和物理模拟试验相结合的综合研究方法,对圆形深基坑中人工冻土帷幕的力学性能进行研究和探讨,为冻结法应用于深基坑支护工程提供理论依据。通过理论分析,证实圆形冻土帷幕嵌固深度和帷幕厚度的综合确定方法在大直径深基坑工程力学设计中是适用的。 首先通过基坑抗隆起稳定计算确定冻土帷幕最小嵌固深度;然后通过抗滑动稳定、整体稳定和管涌等稳定性验算,作为帷幕嵌固深度的最终设计值;最后考虑冻土帷幕受均匀外载和不均匀外载,经过基坑整体稳定性验算,根据强度条件计算出的帷幕厚度作为帷幕厚度的最终设计值。利用理论分析和数值模拟计算,对深大圆形基坑非嵌岩条件下的冻土帷幕水平变形、坑底隆起变形和基坑周围地表沉降等基坑变形问题进行研究,提出了帷幕水平位移、坑底隆起变形和地表沉降的计算方法和计算公式,获得坑底最大隆起量、地表最大沉降量与冻土帷幕水平位移极值之间的近似比例关系,并且分析基坑周围各种建（构）筑物的安全范围,提出控制坑底隆起和周围地表沉降的安全技术措施。 研究结果表明： （1）基坑底部土体的隆起变形特征受冻土帷幕强度、厚度、基坑开挖半径和开挖深度的影响不明显,只是在量值上有所变化,在相同条件下,帷幕最大隆起量约为帷幕最大水平位移的5.2～7.8倍。 （2）基坑周围地表沉降量随基坑开挖半径和开挖深度的增大而增大,随冻土帷幕平均温度的降低而减小。 （3）基坑周围地表最大沉降量约在相同条件下冻土帷幕最大水平位移量24%～30%。利用自行设计加工的大型深基坑冻结模拟试验台,进行大直径圆形冻土帷幕受力与变形的物理模拟试验,获得深基坑开挖过程中圆形冻土帷幕水平位移随基坑开挖深度、开挖半径和冻土平均温度等影响因素的变化规律和冻土的蠕变规律。 试验结果同时表明： （1）冻土帷幕水平位移随基坑开挖深度和开挖半径的增大而增大,随冻土的平均温度降低而减小; （2）冻土帷幕最大水平位移位置均出现在开挖面以下,一般出现在帷幕全深的0.7～0.8倍深度范围内; （3）基坑开挖结束时,冻土帷幕内靠近冻结管断面的水平位移与内侧面水平位移之差仅有10.6%,明显不同于矿山凿井工程中的冻结壁变形规律。     

多排管局部冻结冻土壁温度场特性

上海地铁一区间隧道因施工联络通道发生工程事故导致隧道坍塌,修复工程中部分采用四排局部垂直冻结形成冻土墙,用于抵挡水土压力和嵌固完好隧道。针对冻结深度深以及冻结土层为扰动的粉质黏土、砂质粉土并承受较高承压水头这些特点,工程中对冻结壁温度场发展进行实时监测。从冻结深度、厚度方向上分析多排局部冻结排内和排外温度发展特征,并分析计算出积极冻结期排内冻土壁交圈时间、发展速度。鉴于目前计算冻土帷幕厚度公式并不适用于计算多排管冻结,引入双排管计算公式,并利用作图法推导出平均温度计算公式。利用这2个公式,分析多排局部冻结冻土壁特征,计算出积极冻结期结束时冻土壁厚度和平均温度,以及整个冻结期排外冻土壁单侧发展厚度和发展速度。     

冻土墙墙体时空扩展的材料非线性有限元分析

运用有限元分析程序 ,完成了对热物理参数非线性变化的土体材料人工冻结过程的计算分析 ,模拟了冻结结构时空扩展过程 ,深入研究了土体内的温度分布以及能量消耗等具有实际工程意义的问题 ,在此基础上推导出关于冻结过程的能量消耗计算的一般形式 ,对人工冻土墙的工程设计具有重要的意义。     

琼州海峡隧道盾构对接冻土帷幕温度场数值分析

盾构对接冻结法加固时,确定冻结方案、掌握冻土帷幕温度场发展与分布规律等是需要解决的关键问题。依托琼州海峡隧道盾构对接工程,运用有限元软件建立直管冻结和半圆环形冻结两种数值模型,对冻土帷幕温度场的发展规律进行研究,主要得出:两种模型冻土帷幕在各个切片上都能满足设计要求,故在琼州海峡隧道盾构对接时采用冻结法加固是可行的;随冻结时间的增加,两种模型的冻结壁都是以冻结管为中心开始生成并慢慢相交,最后形成封闭的冻土帷幕以达到止水支护效果;直管冻结的冻土帷幕生成时间更短且最终生成的冻土帷幕厚度更厚。所得结果可为今后类似工程设计提供了参考依据。     

平面冻土墙围护深基坑的时空效应数值模拟

对深基坑平面冻土墙围护结构及周围地层的应力和位移进行了三维有限元数值模拟，其中冻土墙为符合Mlses屈服准则的非均质粘弹塑性介质，地层为符合Drucker-Prager屈服准则的弹塑性介质，同时考虑了基坑分步开挖及时间的影响。分析了冻土墙厚度、深基坑跨度及冻结盐水温度与基坑稳定性的关系并得到了回归关系式。最后，采用本程序对一试验模型进行了计算，其结果令人满意。     

三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究

 随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,越来越有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以陕西彬长矿区胡家河煤矿冻结立井为背景,从现场采集的煤岩和砂岩为代表,进行常温(+20 ℃)和不同冻结温度(－5 ℃,－10 ℃,－20 ℃)条件下的岩石在不同围压下的三轴压缩试验。分别探讨了围压对于冻结岩石三轴强度特性的影响和冻结温度对于冻结岩石三轴强度特性的影响规律,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种岩样冻结温度的同一性和差异性进行比较研究。煤岩和砂岩在冻结的效应方面有着明显的差异性,主要原因是其岩石内部结构性的差异。富水砂岩冻结后对温度的敏感程度要高于煤岩。强度随温度降低而增大的主要原因是温度降低时,岩石冻结时的矿物收缩和冰本身的强度及冻胀力使得富水冻结岩石的峰值强度得到提高。为低温条件下岩石力学特性和煤矿冻结立井设计施工提供参考。     

深基坑圆形冻土帷幕力学性能的模型试验研究

 利用自行设计加工的大型深基坑冻结模拟试验台，进行大直径圆形冻土帷幕受力与变形的物理模拟试验，获得深基坑开挖过程中圆形冻土帷幕水平位移随基坑开挖深度、开挖半径和冻土平均温度等影响因素的变化规律以及冻土帷幕暴露段水平变形规律。试验结果表明，冻土帷幕水平位移随基坑开挖深度和开挖半径的增大而增大，随冻土的平均温度降低而减小。随着开挖深度的增加，冻土帷幕暴露段的水平变形不断增大，且表现为“中间大、两头小”的变形特征；不同温度下冻土帷幕的弹性变形占总变形量的比值不同，由－4 ℃时的30%增加到－18 ℃时的90%。对几个影响因素进行综合分析可知，冻土帷幕水平变形的主要影响因素是基坑半径和开挖深度，而帷幕平均温度、厚度及施工段高的影响相对较小。     

人工冻结粉土未冻水含量测试试验研究

未冻水含量测试是冻土科学研究中的一个重点和难点问题。为测定粉土中未冻水含量,将小体积土样冻透后,放置在温度恒定的空气中,依靠自然对流加热融化,记录其中心温度–时间变化曲线。根据牛顿冷却定律,建立一个反映冻土温度随时间变化的计算模型,应用该模型拟合温度–时间曲线的融土部分,得到融土与空气表面的对流传热系数;拟合温度–时间曲线的相变部分,确定某地区的粉土冻结点。根据冰的质量和相变过程吸收热量的关系,建立冻透状态下未冻水含量的计算模型及测试方法。应用该方法进行粉土未冻水含量测试,结果表明,该粉土冻结至－4 ℃时未冻水含量在3.75%左右。反演土样融化过程的理论计算温度与实测值吻合较好,表明了提出的理论模型及测试方法的可行性。     

多年冻土物理特性的试验研究

青藏铁路的大部分区域由多年冻土组成,冻土顶层或活动层特别容易受季节冻融的影响。针对冻土段路基结构的设计要求必须对多年冻土物理力学性质、强度和变形等特征进行深入的了解。为此,进行了包括颗粒分析试验、土粒比重试验、击实试验、压缩试验、三轴压缩试验等在内的多种室内土工实验。     

未冻水仓影响深厚冻结壁安全的探讨

指出随着表土层厚度的逐渐增大,冻结法凿井工程中多圈冻结管设计越来越多,多圈冻结工程中,极有可能在两排冻结管交圈以后两者之间形成未冻土夹层,在适宜的工程地质条件下,甚至有可能形成密闭的水仓,这是冻结工程的重大安全隐患,针对这个问题,探讨了形成密闭水仓的可能条件、危害及施工处理对策,以期为深厚表土层冻结法凿井工程提供指导。     

地铁隧道联络通道冻结帷幕形成分析

结合上海地铁某旁通道冻结工程,根据人工冻土温度场的基本理论和工程实测数据,提出了工程实用的冻结帷幕形成分析方法,包括冻土帷幕的厚度、平均温度、界面宽度、卸压孔压力变化规律和探孔检查情况,通过实测的卸压孔压力上涨规律,判断冻土帷幕交圈时间,最后,通过探孔检查和工程开挖验证了理论分析的可靠性。本文为确定旁通道冻结工程适宜的开挖时机提供有效的分析方法,对类似冻结工程具有指导意义。