渗流作用下粗粒土冻结壁交圈规律及预测模型探索

由于渗流作用下的冻结壁发育规律不明等原因,部分冻结法施工工程依靠人工经验,缺乏科学的预测模型,与精准化设计和控制还有很长的距离。为探索渗流作用下冻结法施工中粗粒土层冻结壁的演化规律,本文首先建立冻结法施工数值模型,并通过室内模型试验反演验证所建立模型的有效性和适用性。之后,考虑渗流速度、冻结管间距、环境温度、含水率和导热系数等五个因素,开展冻结壁形成正交数值试验,确定冻结壁交圈时间和厚度的主控因素。最后,通过数值模拟研究主控因素作用下冻结壁的发育和演化规律。基于结果建立临界流速、冻结壁厚度、冻结壁交圈时间的预测模型,给出冻结法施工参数的选择方案。结果表明,建立的冻土水热相变耦合模型可有效模拟渗流条件下土体冻结过程,能够满足冻结壁发育过程计算分析的需要。基于正交数值试验结果发现,渗流速度对冻结壁厚度和交圈时间的贡献百分比分别为78%和52%,是影响冻结壁能否交圈和最终厚度的主控因素。当渗流速度超过一定阈值时,冻结壁无法交圈。本文将这一阈值定义为冻结法施工中的临界流速。当冻结壁能够交圈,其最终形成的冻结壁厚度也主要由渗流速度决定,二者呈负指数函数关系。冻结管间距对冻结壁最终厚度影响不大,但是对冻结壁交圈时间影响较大,它们之间存在负指数函数关系。本文给出了0~6 m·d^(-1)条件下的临界流速、冻结壁厚度、冻结壁交圈时间计算模型,它们可为粗粒土地层的冻结法施工参数选择和施工工艺设计提供理论指导。

Clogging caused by coupled grain migration and compaction effect during groundwater recharge for unconsolidated sandstone reservoir in groundwater-source heat pump

In unconsolidated sandstone reservoirs,presence of numerous movable grains and a complex grain size composition necessitates a clear understanding of the physical clogging process for effective groundwater recharge in groundwater-source heat pump systems.To investigate this,a series of seepage experiments was conducted under in situ stress conditions using unconsolidated sandstone samples with varying grain compositions.The clogging phenomenon arises from the combined effects of grain migration and compaction,wherein the migration of both original and secondary crushed fine-grain particles blocks the seepage channels.Notably,grain composition influences the migration and transport properties of the grains.For samples composed of smaller grains,the apparent permeability demonstrates a transition from stability to decrease.In contrast,samples with larger grains experience a skip at the stability stage and directly enter the decrease stage,with a minor exception of a slight increase observed.Furthermore,a unique failure mode characterized by diameter shrinkage in the upper part of the sample is observed due to the combined effects of grain migration and in situ stress-induced compaction.These testing results contribute to a better understanding of the clogging mechanism caused by the coupled effects of grain migration and compaction during groundwater recharge in unconsolidated sandstone reservoirs used in groundwater-source heat pump systems.

非对称异性隧道联络通道冷冻法施工技术

非对称异性隧道联络通道掘进时极易发生变形风险,因此对非对称异性隧道联络通道采取冷冻法加固施工技术。利用ANSYS软件,构建非对称异性隧道联络通道及其地层情况的三维模型,模拟不同冷冻天数、冷冻壁厚度、冷冻壁工况状以及冷冻温度下,联络通道的变形规律与稳定情况,并优化施工方案。结果表明:经冷冻法处理后的土体表现出良好的冻结效果,土体强度较高,掘进时土体不易塌陷;冷冻天数越长,位移变化量越小;土体冷冻壁较厚且全冷冻壁工况能够获得更加良好的加固效果;冷冻温度越低,联络通道越稳定。

单排微型桩加固缓倾长大裂隙土边坡的力学机制

预制混凝土微型桩广泛应用于南水北调工程含长大裂隙膨胀土边坡抢险加固工程,研究其加固力学机制,对膨胀土边坡安全防护具有重要意义。在相似模型试验的基础上,建立含裂隙面边坡滑体及微型单排桩模型;以平行裂隙面方向施加推阻力,开展了相似模型试验及数值模拟。结果表明:微型单排桩加固表现出较好的阻滑效果,将坡体系统的抗滑力维持在较高水平,边坡抵抗破坏的韧性增加,边坡稳定性显著提高。边坡抗滑阻力随桩间距增加而减小,单根微型桩的影响范围有限,随着桩间距的增大,土拱效应逐渐减弱,当桩间距为12倍桩直径时,桩之间的相互作用可以忽略,建议桩间距取8倍桩直径;布置在边坡中部的微型桩加固效果较布置在边坡上1/3位置的微型桩加固效果更好。

混凝土碎石复合桩加固倾斜可液化场地的数值模拟研究

地震震害调查显示,缓倾场地的液化侧向扩展是常见的地基失效形式。由于混凝土桩具有较高的竖向承载能力和抗剪能力,而碎石桩具有较高的渗透性,可有效降低周围场地的液化程度,因此,混凝土碎石复合桩能否作为有效应对缓倾场地液化侧向大变形的工程措施,其可行性值得深入研究。基于OpenSees有限元平台建立了可液化土-桩基础的数值模型,并验证了模型的有效性。在此基础上,研究了混凝土碎石复合桩对倾斜液化场地的加固效果。此外,讨论了混凝土芯桩面积占比、碎石壳厚度对倾斜液化场地动力响应的影响。结果表明:混凝土碎石复合桩抗侧移效果明显,可有效降低周围场地侧向位移和混凝土桩身弯矩。当桩体的混凝土芯占比约为20%、碎石面积占比80%时为最优设计方案。

人工冻土冻胀引发地面变形规律及影响范围探究

采用随机介质理论和模型试验方法,基于现场测试数据和文献发表数据,分析了人工冻土冻胀引发地面变形规律和冻胀影响范围。结果表明:(1)随机介质理论计算结果表明人工冻土冻胀引发地面变形曲线是一条高斯型二重积分曲线;(2)物理模型试验得出地面抬升曲线规律与高斯分布拟合度较高,试验地面抬升曲线的高斯分布拟合系数为0.97747,工程实测数据的高斯分布拟合系数为0.94932~0.99553,对文献数据拟合得出拟合系数位于0.95441~0.98344;(3)冻结引发地面变形范围为8~10倍冻胀丘宽度。冻结壁为对称结构或拟对称结构时,冻胀引发地面变形曲线可以采用高斯分布进行拟合。该结论可以为人工冻土冻胀引发上部地面变形量计算及影响范围提供设计参考。

加油站软土地基处理方案的比选及应用

软土地质承载力低,在此类地质建设加油站,容易导致建筑物地基产生不均匀沉降和变形,路面沉降开裂,稳定性不满足规范要求,严重影响加油站建设及运营安全。文章结合具体项目案例,对比分析桩基础和强夯置换法两种软土地质处理方案,并以强夯置换法作为软土地质的处理方法,采用竖向抗压静载试验、平板载荷试验等试验手段对处理后的地基进行检测,结果表明强夯置换法可以提高加油站软土的承载性能,处理后的地质能够满足设计要求。

钢框架结构商砼搅拌楼高位纠偏加固研究

纠偏技术是既有建筑工程结构纠偏加固的主要工程技术之一。文章以兰州地区某商混站钢结构高位顶升纠偏加固为背景,分析发现该钢框架结构商砼搅拌楼C轴较E轴沉降变形大,C轴向E轴方向倾斜变形,倾斜变形与沉降变形方向相反,故提出应力释放法对该楼进行高位顶升纠偏,最大顶升纠偏值为365 mm,该方法既可以消除因应力集中引发的工程事故,也可以纠偏到建筑物变形范围内使之正常使用,且工期短、经济、安全可靠。纠偏后经半年的变形观测数据分析结果,未发现明显继续变形,加固效果良好;该成果可为类似既有钢框架结构建筑物高位顶升纠偏加固提供经验依据。

复合地基加固软基工程中的长螺旋钻孔压灌桩施工技术

为解决工程施工期间的复合地基施工难题,避免软基造成安全质量隐患,该文以某地复合地基加固软基工程为实例,对复合地基加固软基工程中的长螺旋钻孔压灌桩施工技术进行研究,分析工程施工重难点,进行施工技术对比选择,最终选定长螺旋钻孔压灌桩施工技术进行复合地基的加固处理,提出前期施工准备、施工细节设计、钻机就位成孔、混合料泵送、质量检测处理、施工问题解决等技术应用措施。

浸水前后膨胀土边坡锚杆拉拔试验分析

针对浸润前后膨胀土边坡锚杆强度问题进行研究,通过室内模型试验研究,得到膨胀土边坡浸水前后锚杆的拉拔荷载位移曲线。实验结果表明:(1)浸水前后锚杆的拉拔荷载位移曲线均表现出“直线—曲线—直线”的阶段性特征,锚杆锚固长度与锚杆极限承载力的关系近似为线性关系;(2)锚固长度为70 cm、65 cm、60 cm、55 cm和50 cm的锚杆在浸水后锚杆极限承载力衰减了62.5%、67.5%、67.6%、68.8%和63.9%。

复杂地质条件下地铁联络通道冻结工程冻土温度场变化规律

目的:揭示冻土形成与发展的过程可以为复杂地质条件下的冻结法施工提供科学依据,因此需研究冻结过程中冻土温度场的变化规律。方法:以福州地铁某江底联络通道冻结工程为例,开展土体热物理参数试验及冻结温度场试验。通过试验获得土体的导热系数、比热容、冻结温度等重要热物理参数值,以及冻结温度分别为-5℃、-10℃、-15℃和-20℃时,冻土温度场的变化规律。利用ANSYS有限元计算软件开展了冻土温度场数值计算分析,获得了不同冻结时间下,冻结温度场计算分布图、沿路径A—B的温度分布情况、有效厚度范围内冻土的平均温度等计算结果,并与工程实际测量值进行了对比分析。结果及结论:冻结温度越低,土体温度的变化速率越快;当冻结温度为-5℃、-10℃、-15℃及-20℃时,距离冷源最远处的测温孔测量得到的冻结温度稳定值分别为0.75℃、-3.00℃、-4.00℃及-7.50℃,稳定温度与相应冻结温度之间的差值分别为5.75℃、7.00℃、9.00℃以及12.50℃;该冻结工程冻土交圈时间为30 d,积极冻结时间为45 d,冻土平均温度达到了-14.80℃;计算结果与实测数据基本吻合,误差在工程允许范围之内,验证了所提数值计算模型对温度场计算结果的可靠性。

钱营孜矿新副井冻结温度场监测与分析

为了探究钱营孜矿新副井冻结过程中温度场演变情况,文章采用相关有限元软件对-50.20m细砂层的温度场进行了模拟、预测。根据模拟的结果绘制了相应的温度场负温区域图,与实测冻结温度场的结果进行了对比分析,ANSYS软件模拟的结果与实测结果吻合,从而为今后的冻结法施工提供了宝贵的建议。

既有管线影响下地铁车站基坑围护结构局部冷冻加固技术研究

目的:邻近地铁车站基坑的既有管线往往会导致围护结构施工时基坑的局部支护能力被削弱,进而可能导致基坑失稳。为减小既有管线对基坑围护结构施工造成的影响,需深化研究既有管线影响下基坑围护结构局部采用冷冻加固技术的应用效果。方法:基于济南地铁R1号线大杨庄站附属结构工程,针对既有高压电缆管道影响基坑围护结构产生的一系列施工问题,提出了采用“地下连续墙+钻孔灌注桩”组合支护结构形式,并采用冷冻法进行局部加固的应对措施。建立了该基坑的简化数值模拟模型,对冷冻加固前及冷冻加固后基坑的稳定性进行对比分析,并进一步提出了冷冻层合理的宽度和厚度取值。结果及结论:冷冻加固前,地下连续墙与钻孔灌注桩因支护刚度差异较大,难以协调二者周边土体的变形,钻孔灌注桩支护处围护结构明显内挤、地面凹陷较大,地下水渗流严重;冷冻加固后形成冷冻隔水墙,钻孔灌注桩处土体的支护刚度增加明显,围护结构周边土体的水平变形、地面沉降大幅降低。增加冷冻加固的土体范围能有效抑制围护桩变形、地面沉降与地下水渗流,但冷冻层的长度与厚度超过一定范围后,其冷冻后效果并不明显。冷冻加固范围取1.5 m厚、9.0 m宽较为合理。

高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究

高压旋喷桩在湿软黄土地基加固时效果良好,施工方便,适用于黄土地区既有路基帮宽工程地基处理,但其施工过程中会产生挤土效应,影响既有线路的运营安全。以某在建高速铁路引入既有城际铁路工程为依托,结合挤土试验和实测数据,探究高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响规律。结果表明,对于单桩挤土试验,高压旋喷桩挤土效应与桩周土体距桩心距离呈负相关变化,距离桩心越近,挤土效应越明显。高压旋喷桩沿竖向挤土效应与土层位置、土层压缩系数和湿密度等相关,沿桩深度方向周围土体侧向位移变化在埋深0~5 m范围最为显著。高压旋喷桩施工后,周围土体会出现回缩现象,现场测试各测斜孔回缩值在0~2 mm之间。多桩施工时,高压旋喷桩周围土体会产生位移累积效应,挤土试验中所选4根桩全部施工完成后,距桩心2 m位置处的测斜孔,其侧向位移在埋深0~2 m范围达8 mm以上。既有路基变形实测发现,应力释放孔和高压旋喷桩施工时可导致既有路基上拱或沉降,既有路基监测点最大累计上拱量5.95 mm,最大累计沉降量7.13 mm。通过采取在既有路基坡脚设置应力释放孔、高压旋喷桩由内向外施工并严格控制高压旋喷桩施工参数的措施,可保证既有线路基稳定。

地铁联络通道冻结法施工土体含水量对地表变形影响的试验研究

为探究地铁联络通道冻结法施工土体含水量对地表变形的影响,基于冻结法施工地表变形模拟试验,总结了土体冻融过程中的地表变形规律,并结合土体含水量试验,分析了不同土体含水量下冻结法施工中地表变形的响应特性。试验结果表明:①在土体冻胀、融沉影响范围内,地表不同位置的冻胀结束时间基本相同,但融沉结束时间存在差异;②冻结管布置圈中心的地表冻胀位移和融沉位移均比两侧大,且地表平均冻胀速率也比两侧大,但地表不同位置的平均融沉速率存在差异;③土体的冻胀与融沉并非互逆过程,地表融沉位移通常大于对应的地表冻胀位移,且冻胀位移量越大,融沉位移超出冻胀位移的比例越高;④土体含水量越高,地表冻胀、融沉位移量越大,冻结期间地表的平均冻胀速率随土体含水量的升高而增大。

联络通道冻结法设计关键要点及数值模拟

联络通道冻结法以盐水为媒介对岩土体进行冻结,达到满足安全要求的冻结壁厚度。其设计的合理性非常重要,设计关键要点包括设计思路、周边环境及工程地质条件、冻结壁厚度、冻结壁平均温度及交界面温度、单孔盐水流量、盐水温度控制、积极冻结时间等。基于此,以某项目为例,确定该联络通道冻结壁厚度2.5 m,平均温度-10℃,通过数值模拟的方法,对冻结壁的强度和变形进行计算分析,结果表明:冻结壁最大压应力为1.5 MPa,最大拉应力0.3 MPa,最大剪应力0.6 MPa,抗压、抗拉和抗剪的安全系数分别为2.4、6.7和2.5,冻结壁最大移位15.9 mm,满足冻结壁强度和变形要求。该项目的顺利实施表明了该工程设计和数值模拟结果是合理的。

广州地铁超长水平冻结多参量监测分析

广州地铁3号线天河客运站折返线工程是目前国内最长、开挖断面最大的水平冻结隧道工程。文中根据不同施工阶段中对盐水温度、土层温度、地表变形、冻土压力、隧道衬砌变形等多个参量的现场监测数据,从时间和空间上分析了冻结帷幕演化过程、冻结帷幕发展速度等;探讨了土层温度变化规律以及冻土压力与土体温度间的相互关系,得出了在积极冻结期,沿测温孔深度方向土体温度的变化梯度随冻结时间增加不断减小,土体温度变化速率随时间增加而降低的特征;对比研究了冻结阶段、隧道开挖阶段和融沉阶段地表变形特征,并提出了缩短积极冻结期的建议和方法。

单排管冻结温度场ТРУПАК和БАХОЛДИН公式的适用性

采用Ansys有限元分析软件模拟单排管冻结壁温度场的分布情况,将得到的数据与Трупак单排管公式和Бахолдин单排管冻结温度场公式作比较,分析Трупак公式与Бахолдин公式,找出公式的不足,同时验证工程中还在应用的Трупак公式与Бахолдин公式根据测温值反算冻土壁厚度公式的适用性.结果表明,冻土柱交圈前,Трупак单管公式能比较真实地反映单根管情况下冻土温度场的情况;交圈后Трупак公式的应用是极不合适的,而Бахолдин公式得到了满意的结果.

考虑土层冻结温度时人工冻结温度场模型

为了研究土层冻结温度对冻结壁厚度计算的影响,构建了考虑土层实际冻结温度的人工冻结温度场模型.对前苏联学者关于人工冻结温度场的若干经典解析解,如特鲁巴克单管和单排管解、巴霍尔金单排和双排管解,做出了修正.推导出了全面反映确定温度场下冻结壁厚度与土层冻结温度之间关系的修正解.结果表明:冻结壁厚度随土层冻结温度的降低而减小.当冻结温度为-1^-2.5℃时的冻结壁厚度比按冻结温度假设0℃时的计算值可减薄10%~23%.土层冻结温度对冻结壁厚度的影响不容忽视.

大连路隧道联络通道冻土帷幕数值分析

从数值方法的角度对大连路隧道联络通道冻结法施工冻结帷幕的变形与应力进行了分析与安全评价,详细讨论了帷幕中位移及应力的分布情况,并指出了帷幕最不利状态的分布位置在帷幕与已建隧道接触处,由于该处的冻结效果最差,所以施工中必须特别注意;对于上海地区类似工程来说,1.8m厚的冻土帷幕是可以满足施工要求的,从而为今后联络通道数值分析及冻结法施工提供了一定的经验。