宁波轨道交通人工冻土物理力学特性试验研究

为了给宁波轨道交通人工冻结提供设计、施工参数,对宁波海相沉积人工软土开展了冻胀融沉、抗剪强度和单轴抗压强度试验研究,获得了江厦桥东—天一广场区间人工冻结工程主要地层在开放条件和封闭条件下的冻胀率和融沉率以及冻土的抗剪强度指标及极限抗压强度值。结果表明：开放条件下各土层的冻胀融沉较封闭条件下大,且随含水量的增加而增大;冻...     

常州典型土层冻胀融沉特性试验研究

以常州市轨道交通典型土层为研究对象,介绍了人工冻土冻胀融沉试验的原理和方法,通过冻胀融沉试验得到了不同土层在封闭系统和开放系统状态下冻胀率及融沉系数与时间的关系曲线,研究成果为常州市轨道交通人工冻结法后期的设计与施工提供了重要参考依据。     

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。     

冻土冻胀融沉的微观分析

从冻土微观结构分析了其冻胀、融沉发生机制,结果表明：随着温度的变化,冻土会出现冻胀和融沉现象,这些破坏的出现与其微结构随温度的变化密切相关,温度的变化诱发微结构内部颗粒间连接刚度的变化,正是这些变化导致了冻胀、融沉现象的出现。     

钢管冻土协同结构冻结壁边界发展过程的模型试验

钢管冻土协同结构是有效控制冻胀融沉影响的新冻结模式,冻结过程中控制冻结壁边界的发展是抑制冻胀融沉环境影响的关键。以上海地铁18号线江浦路站冻结加固工程为背景,基于相似理论设计进行了钢管冻土协同结构冻结壁边界发展过程的模型试验,分析钢管和循环水对协同结构冻结壁边界发展过程的影响规律,获得以下结论：冻结壁边界位置的钢管不仅可以抑制冻土向外发展,而且会明显增大冻结壁边界位置的温度梯度,使形成的冻结壁更均匀,冻结32d时单排和双排钢管内、外侧温差分别可达到11.2℃和7.6℃,而钢管外侧冻土的温度较冻结管下部对应位置偏高6.7℃和10.7℃。冻土边界位置4℃的循环水可有效控制冻土边界向外扩展,进一步提升冻结壁的均匀性,冻结32d时冻土边界位置钢管内外侧温差达到18.3℃,钢管外侧冻土的温度较冻结管下部对应位置偏高16.9℃。研究结果表明,冻结壁边界位置布设的钢管或4℃的循环水均可有效控制冻土边界的扩展,提高形成冻结壁的均匀性,显著削弱冻结过程中冻胀对周围环境的影响,而边界位置4℃循环水的控制效果更好。     

地铁隧道冻结法施工融沉控制方案及实施

人工冻结法开始逐步被应用于城市地下工程的开挖和支护以来,以其对各种地层的适应性强,对环境影响小等特点,较其他地基处理工法显示了较大的优势,但冻结引起的土体冻胀融沉对环境产生了负面影响,制约了冻结法在对环境要求高的地方的应用。为了减缓融沉对环境造成的影响,一般工程中采用注浆补偿的方法,在冻结后开始解冻时配合注浆来控制冻土的融化沉降。作者结合具体工程实例介绍了冻结法施工融沉控制方案及实施要点,给出了融沉注浆的施工工艺的原则和主要施工参数,该工程实践对以后类似工程的实施具有一定的指导和参考价值。     

地铁隧道工程人工冻结法研究进展

简要介绍了近年国内人工冻结法在地铁隧道联络通道和隧道进出洞施工中的应用.根据人工冻土的物理力学性质和工程中的问题,将已有成果主要分为施工现场监测、室内与模型试验、理论与数值模拟三部分进行讨论,总结了有关施工工艺的改进、温度场在施工过程中的发展、冻胀融沉引起位移的预测、理论建模和多场耦合的数值模拟等研究进展,并提出一点建...     

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。     

地铁工程冻结法施工常见事故原因分析

结合冻结法自身的特殊性,对冻结法在地铁工程应用中的冻结孔钻孔时水土喷涌、隧道管片损坏、冻土帷幕失效以及冻胀融沉等各种事故的原因进行了分析,为事故的防范和治理提供了方向.     

人工冻结法地基处理及应用研究

本文介绍了冻结法进行地基处理的原理和特点，对于该技术中存在的如未冻水含量对冻结土强度的影响。冻结与解冻速度，冻胀融沉，冻融土的物理力学性质等问题进行了研究并给予了解答。可以通过增加负温来降低未冻水的含量以满足冻土的强度要求；通过控制冻结与解冻速度等措施，可以降低冻胀量与融沉量以及避免融陷的危险发生，采用注浆法可对冻融土体进行加固，提高其承载力。     

人工冻结作用下淤泥质黏土冻胀特性试验研究

冻结法施工在上海软土地区隧道附属设施建设中(如隧道旁通道、地下泵房等)得到较多地应用。上海地铁隧道一般位于第④层饱和淤泥质黏土层中,饱和淤泥质黏土层冻胀变形使地铁隧道管片破裂、渗水或漏泥,严重影响隧道管片质量与地铁安全运营。以上海第④层饱和淤泥质黏土为研究对象,通过室内冻胀试验,研究冷端温度对土体的冻胀力以及冻胀率的影响规律,结果显示土样冻胀率以及冻胀力与冷端温度具有较好的线性关系。通过冻结温度试验测出了土体的冻结温度,同时建立了第④层饱和淤泥质黏土的冻结温度场,进一步揭示了冻结锋面的发展与时间的关系。研究成果为上海地铁隧道冻结法设计、施工与地铁安全运营提供了有价值的参考。     

人工地层水平冻结冻胀对邻桩的影响

人工地层水平冻结技术在富水的软土地铁区间隧道中得到了一定的应用。但人工冻结过程中土体会产生冻胀,对于邻近的既有建筑物桩基产生不利影响。针对某工程实例,通过有限元计算,分析了某地铁隧道水平冻结引起的冻胀对邻近建筑物桩基础的影响,给出了3种冻土冻胀率下的离隧道不同距离的4根桩的水平冻胀力分布及侧向位移分布。结果表明,水平冻结冻胀对3r(r为冻结壁半径)范围的桩影响较大。     

锚碇深基坑排桩冻土墙围护结构的冻胀力研究

在分析深基坑排桩冻土墙围护结构的冻胀力产生机理的基础上，提出采用卸压孔法来减小水平冻胀力。通过数值模拟，得到了有、无卸压孔条件下排桩所受水平冻胀力的具体数值，同时，给出了水平冻胀力与冻土墙厚度的变化关系，从而为这种新型围护结构的工程应用提供了设计依据。结果表明，施工卸压孔可使排桩所受的水平冻胀力明显减小。     

人工冻土帷幕的冻结过程研究

人工冻土帷幕具有广泛的应用前景。研究表明,冻土的均匀性和冻结状态是影响人工冻土帷幕强度的重要指标。冻结方向、受力方向、冻结时间影响下的冻结锋面发展情况和温度场规律是描述冻土力学性能差异的四个重要特征。该文通过分析这些指标和特征,完善了人工冻土帷幕的分析计算内容,有助于验证冻结时间、冻结位置等重要工程指标的正确性。     

冻结施工与防冻胀保护在红岭东风井施工应用

通过对冻结法施工理论的梳理、冻胀成因及其防护措施的分析,依据红岭煤矿东风井冻结法施工、防冻胀保护的施工经验,总结了冻结施工中防冻胀保护的可行方法,以保证已砌井壁不受破坏。     

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。     

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.     

单排管冻土帷幕平均温度计算方法分析

以基于巴霍尔金温度场理论的冻土帷幕平均温度计算方法为基础,考虑了冻结管间距和冻土半径,得到了平均温度简化公式。同时,用Matlab软件拟合简化公式,得到了简化公式的两个参数。结果表明,采用简化公式计算的平均温度比较接近精确值。     

冻结加固盾构端头土体温度场数值分析

在人工冻结加固盾构到达端头土体施工过程中,土体温度是关系到冻土帷幕发展情况以及确定盾构机推进时机的重要参数。以南京地铁二号线集庆门车站北端头盾构进洞冻结加固工程为背景,利用大型有限元数值分析软件建立数学模型对冻结和自然解冻温度场进行计算,研究了多圈水平冻结条件下温度空间分布及温度随时间变化规律,并对左线开挖后垂直冻结管停冻和不停冻两种方案对温度场的影响进行对比,研究表明:采用多圈水平冻结并合理布置冻结圈径可以显著加快冻结壁的形成,从而缩短工期;自然解冻时存在两个解冻锋面,其中管片散热对解冻影响较大;自然解冻时温度上升速率先快后慢,而解冻锋面推进速度则越来越快;在左线开挖后可以停止左、右线洞门之间垂直冻结管的冷媒循环,同样能够保证右线冻结壁厚度达到设计要求。     

Nonlinear analysis for the coupled problem of temperature, seepage and stress fields in cold-region tunnels

In this paper, a mathmatical mechanical model and the governing differential equations of the coupled problem of temperature, seepage and stress fields with phase change are first derived from the theory of heat transfer, the theory of seepage and frozen soil mechanics. Then the finite element formulae of this problem are obtained from Galerkin's method. Finally, an illustrative example of the temperature field and stress field in a cold regions tunnel, considering the seepage and frost-heaving force influence, is provided. The example shows that the influence of frost-heaving force on the stresses of the tunnel lining is very large and, thus, the effect of this factor on the tunnel lining should be taken into account in the cold regions engineering design.