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。     

淮南弱膨胀土融沉特性研究

采用自行研制的冻胀融沉试验系统,对淮南弱膨胀土进行不同荷载、含盐率等条件下的融沉实验。结果表明：荷载对融沉量的影响巨大,在一定范围内,当外部荷载越大时,土体的融沉量就越大;融沉系数与含水率呈正相关,与冻结温度呈负相关;融沉系数随着干密度的增加先减小后增大的,且存在一个临界干密度对应着土体的最小融沉系数;当土体添加了硫酸盐后,由于盐胀的发生,融沉系数反而随着含盐量的增加而增加。研究结果可为富含弱膨胀土地区人工冻结法设计提供参考。     

基于随机介质理论的地表冻胀预测及其参数敏感性分析

为预测人工冻结法施工引起的地表冻胀量,以广州某地铁为研究背景,运用随机介质理论建立水平冻胀计算模型,并对其中涉及的冻结锋面半径、冻胀区域外半径进行了探讨,分析了对地表冻胀量有影响的各参数的敏感性。由计算结果得出水平冻结引起的地表垂直冻胀量呈正态分布,在隧道中心处达到最大值;参数敏感性分析得出各参数敏感度从大到小依次为常数、土体冻胀率、隧道埋深、土体主要影响角正切值、冻结管布圈半径;最大垂直位移随着布圈半径、常数、冻胀率、土体主要影响角正切值的增大而增大,随着埋深的增大而减小。通过与实测数据进行比较验证了该模型的可靠性,为今后同类工程的设计与施工提供了参考。     

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。     

饱和粉土冻胀过程试验研究及数值模拟

 为了研究温度梯度、冻结速率、土样高度和竖向压力对冻胀的综合影响,在不同试验条件下对饱和粉土进行了一系列一维土柱冻胀试验,试验中测量土样温度、竖向压力、冻胀量和补水量。试验结果表明：在温度场处于准稳态时,冻胀速率与温度梯度成正比例增长关系,冻胀速率随着竖向压力增大而线性减小;定义比冻结速率为冻结速率与土样高度之比,当温度场处于瞬态时,冻胀速率随比冻结速率成幂函数增长,增长率随着比冻结速率增大而减小。提出了综合考虑温度梯度、冻结速率、竖向压力和土样高度的冻胀计算公式,在此基础上推导了考虑水分迁移的冻土热扩散方程,提出了模拟冻胀和温度变化的数值模拟方法,通过一个数值算例计算了冻结过程中的温度和冻胀量变化,并与实测结果对比验证了该方法的可靠性。     

重塑粘质黄土冻胀敏感性试验分析

以沈哈高速铁路沿线具有代表性的粘质黄土为研究对象,在室内冻胀试验条件下,研究了非饱和含水量、冷端温度、冻结速率、补水条件以及冻融循环对土体冻胀特性的影响。试验表明,在封闭系统下,非饱和土体冻胀系数随含水量增大而增大,且最终趋于一个稳定数值;封闭系统下,随着冷端温度的降低,含水量较大土样的冻胀系数逐渐减小,含水量较小土样的冻胀系数逐渐增大;开放系统下,土样冻胀系数随冻结速率的减小逐渐增大,且增幅越来越大;外界补水条件下,土体冻胀量增加显著,但随含水量的增大,其影响逐渐减弱;干密度较小土样的冻胀总变形随冻融循环次数的增加呈指数递减的趋势,干密度较大土样则呈指数增加的趋势。     

冻融过程中未冻水含量及冻结温度的试验研究

 土体冻融过程中的未冻水含量是控制水分迁移及冻胀融沉的关键因素,而冻结温度是判断土体是否处于冻结状态的重要指标。基于频域反射法(FDR),测定不同初始体积含水率条件下青藏高原粉质黏土,冻融过程中的体积未冻水含量及温度变化,分析引起体积未冻水含量及冻结温度产生差异的主要原因。试验结果表明：初始含水率较高的土体,冻结过程中出现了很明显的过冷现象以及温度和体积未冻水含量的突变,而初始含水率较低的土体,这种现象并不明显。初始含水率较大的土体冻结先于初始含水率较小的土体,并且对温度突变的敏感性大于初始含水率较小的土体。对冻融过程体积未冻水含量的滞后分析发现,体积未冻水滞后度?θ和温度滞后度?T均是先增大后减小,体积未冻水滞后度?θ的峰值发生在相变区附近,其峰值随着初始含水率的增大而增大。当初始含水率等于或高于液限含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当初始含水率低于液限含水率时,冻结温度随含水率减小而降低。     

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。     

大直径直线钢顶管管周受力特性数值模拟研究

钢顶管作为薄壁结构，受力时与土体变形协调，故现有规范在计算钢顶管土压力时存在缺陷。通过ABAQUS有限元软件分析了不同参数设置下钢顶管土压力和摩阻力的数值大小与分布情况，并提出钢顶管侧向土压力的修正系数。模拟结果表明：DN2000钢顶管在113 kPa的竖向土压力作用下，水平向变形可达管径7‰，产生水平土体附加抗力；钢顶管土压力值与管道径厚比、埋深比呈显著正相关，土体变形模量的增大限制了管侧土压力的增加；侧向土压力系数随管侧变形呈指数增长；单位长度管壁摩阻力随径厚比和埋深的增加而上升，而管侧土变形模量对摩阻力的影响几乎不计。     

过街隧道施工对地下管线影响的三维数值模拟

 采用三维有限元方法分析过街隧道施工引起的相邻地下管线变形和受力,研究路面、管线材质、管线埋深、管线与隧道轴线间距以及管线与土体弹性模量比等因素对地下管线位移的影响,并与实测值进行比较。研究结果表明：有限元模拟结果与实测值较吻合,略大于实测值;路面的存在使浅埋管线的位移变小、沉降槽宽度变窄;隧道开挖引起的管线水平位移远小于竖向位移;与隧道垂直管线的竖向位移和水平位移最大值与管线埋深基本呈线性变化,且随着管线与土体模量比的增大逐渐减小;与隧道平行管线的最大竖向位移和水平位移值均随管线间距和埋深之比(L/h)增大而减小,最大水平位移值与L/h值基本呈线性关系,最大竖向位移值在L/h＜10时迅速增大;管线最大拉应力和压应力均随着L/h值增大而减小,当L/h＜5时急剧增大,当L/h≥5时缓慢减小,且应力值比较小。     

全断面注浆管棚矩形冻结加固技术与实测分析

依托南京地铁10号线梦都大街站一号出入口及风道加固工程,经方案比选并针对本工程的水文地质情况及上部横穿敏感结构的特殊条件,提出一种新工法——全断面注浆+顶部管棚+矩形水平冻结加固。通过实测加固土体温度、地表及管线位移,获得了加固土体的温度场分布及地表位移规律。结果表明:矩形侧向冻结壁向内、外发展速度的比值约为1.54;在相同冻结能量和冻结时间内,在粉土夹粉砂层和淤泥质粉质黏土夹粉砂层中冻结壁发展速度的比值约为1.72;冻结孔施工阶段暗挖通道两侧地表沉降量较大,而冻结阶段上方土体受冻胀影响最大;开挖阶段,距开挖面中轴线距离越近,地表沉降量越大,而融沉阶段却相反;地表及管线位移的监测结果表明该工法安全可靠。     

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。     

冻融循环下隧道非冻土段底部融沉变形规律

为研究寒区隧道非冻土段在冻融循环条件下的底部融沉规律以及洞内不同的气温对隧道底部融沉变形的影响.利用温度场解析解确定非冻土段范围,采用有限元进行建模计算.计算结果显示:在冷空气作用下,原来处于非冻结状态的围岩开始发生冻结,并产生向上的冻胀位移,表层围岩的冻融位移最大,初期最大冻胀位移可达8 mm,随着洞内气温的周期性变...     

多年冻土区斜坡地带锥柱基础初始回冻过程模型试验

青海—西藏±400 kV直流联网工程沿线穿越多年冻土区565 km,其塔基将不可避免地遇到大量的冻土工程地质问题。锥柱型基础具有承载能力强并可消减切向冻胀力的特点,因而成为该条线路多年冻土区杆塔基础的主要形式。本文以青藏±400 kV直流联网工程为背景,对多年冻土地区斜坡地带锥柱型基础在回冻过程中的稳定性开展研究。主要通过相似比为1∶10的室内模型试验,监测地基土回冻过程中基础所受的冻胀应力,以及基础位移在水平与垂直方向的变化规律,并基于试验结果和研究现状对工程设计、施工与维护提出建议。试验结果显示：在冻结过程中随着地基土温度的降低冻胀力逐渐增大,基础顶部的水平冻胀力最大达到130 kPa,基础底部的法向冻胀力最大可达80 kPa。冻结过程中基础有冻拔现象,最大为5.5 mm。试验中基础顶部的水平位移最大达到3.8 mm。     

隧道冻结法施工引起地表冻胀预测模型的参数敏感性分析

隧道水平冻结施工过程中,土层冻结体积膨胀,引起地面上升和变形,过量的变形会对周围地表建筑物产生危害。本文结合工程实例,验证了冻结壁交圈后隧道水平冻结施工引起地表冻胀位移的历时预测模型的可靠性。通过参数敏感性分析得到了反映冻结温度场发展速度的常数A对地表冻胀位移的敏感性最强,而冻结管布圈半径Rd对地表冻胀位移的敏感性最弱,土体冻胀率的变化率可近似反映地表垂直冻胀位移的变化率。本文的研究成果可为今后水平冻结法的设计和施工提供参考依据。     

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。     

Coupled thermo-hydro-mechanical modeling of frost heave and water migration during artificial freezing of soils for mineshaft sinking

Artificial freezing of water-bearing soil layers composing a sedimentary deposit can induce frost heave and water migration that affect the natural stress–strain state of the soil layers and freezing process. In the present paper, a thermo-hydro-mechanical (THM) model for freezing of water-saturated soil is proposed to study the effects of frost heave and water migration in frozen soils on the formation of a frozen wall and subsequent excavation activity for sinking a vertical shaft. The governing equations of the model are formulated relative to porosity, temperature, and displacement which are considered as primary variables. The relationship between temperature, pore water, and ice pressure in frozen soil is established by the Clausius–Clapeyron equation, whereas the interaction between the stress–strain behavior and changes in porosity and pore pressure is described with the poromechanics theory. Moreover, constitutive relations for additional mechanical deformation are incorporated to describe volumetric expansion of soil during freezing as well as creep strain of soil in the frozen state. The ability of the proposed model to capture the frost heave of frozen soil is demonstrated by a comparison between numerical results and experimental data given by a one-sided freezing test. Also to validate the model in other freezing conditions, a radial freezing experiment is performed. After the validation procedure, the model is applied to numerical simulation of artificial freezing of silt and sand layers for shaft sinking at Petrikov potash mine in Belarus. Comparison of calculated temperature with thermal monitoring data during active freezing stage is presented. Numerical analysis of deformation of unsupported sidewall of a shaft inside the frozen wall is conducted to account for the change in natural stress–strain state of soil layers induced by artificial freezing.     

上海地铁旁通道冻结法施工技术

结合上海地区地铁所处地层的特点,对旁通道的冻结施工作了详细的分析。对水平冻结工艺、冻结施工、冻土开挖、冻胀融沉等几方面提出了有参考价值的施工参数及控制措施。最后对施工的一些安全问题提出建议。