A Frost Heaving Prediction Approach for Ground Uplift Simulation Due to Freeze-Sealing Pipe Roof Method

Freeze-sealing pipe roof method is applied in the Gongbei tunnel,which causes the ground surface uplift induced by frost heave.A frost heaving prediction approach based on the coefficient of cold expansion is proposed to simulate the ground deformation of the Gongbei tunnel.The coefficient of cold expansion in the model and the frost heaving rate from the frost heave test under the hydration condition can achieve a good correspondence making the calculation result closer to the actual engineering.The ground surface uplift along the lateral and longitudinal direction are respectively analyzed and compared with the field measured data to validate the model.The results show that a good agreement between the frost heaving prediction model and the field measured data verifies the rationality and applicability of the proposed model.The maximum uplift of the Gongbei tunnel appears at the center of the model,gradually decreasing along with the lateral and longitudinal directions.The curve in the lateral direction presents a normal distribution due to the influence of the constraint of two sides,while the one along the lateral direction shapes like a parabola with the opening downward due to the temperature field distribution.The model provides a reference for frost heaving engineering calculation.

多冷媒非均质人工冻结壁弹塑性应力分析

【目的】受制冷媒介温度差异以及被冻地层与冻结管距离差异的影响,多冷媒联合双排管冻结壁的非均匀性较为显著,为了合理评价该类冻结壁的安全性,需开展考虑非均质性的多冷媒人工冻结壁弹塑性应力分析。【方法】选取距离1/4管距处的冻结壁作为特征截面,将该截面上的温度分布曲线等效成三段一次函数形式,并将冻结壁视为随温度成线性变化的非均质材料,分别基于4种冻土屈服准则,推导得出多冷媒联合双排管非均质冻结壁弹塑性应力解析表达式。基于该解析表达式,对多冷媒冻结壁的受力特性进行计算,并将该计算结果与均质冻结壁计算得出的结果进行对比。【结果和结论】研究发现:(1)在盐水-二氧化碳联合双排管冻结壁中,径向应力随着相对半径r的增加而上升,环向应力在不同冻结区间(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)表现出不同的变化趋势。(2)基于均质冻结壁计算理论,弹性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁内侧,弹塑性状态的冻结壁的环向应力最大值出现在弹塑性分界面处,塑性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁最外侧;而基于非均质冻结壁计算理论,冻结壁环向应力最大值始终出现在冻结壁分区界线(r=2)处。(3)在考虑非均质特性后,冻结壁的弹性极限承载力降低1.8%,而塑性极限承载力提高8.1%。在弹塑性状态下,对应相同塑性区相对半径,非均质冻结壁具有更高的承载力,且这种现象随着塑性区相对半径的增大而愈发明显。研究成果对富水地层多冷媒联合冻结帷幕的设计具有重要的参考价值。

基坑免降水开挖的组合式冻结法支护工艺研究

近年来,随着地下水资源保护力度的不断增大,对基坑工程进行免降水开挖的需求愈加紧迫。为解决富水地层基坑工程施工中的免降水问题,提出一种新的基坑支护方法:传统悬挂式止水帷幕与水平冻土止水帷幕相结合的“组合式冻结法”。根据以往市政工程中的冻结法施工经验,总结组合式冻结法的施工流程,提出泄压孔、温度限位孔和局部冻结技术相结合的冻胀控制措施,以及利用冻结管嵌入地连墙的界面区强化措施。通过模型试验对组合式冻结法的可行性进行验证,试验结果表明,组合式冻结法可以有效实现基底的支护,在冻结薄弱环节临时竖井、地连墙附近冻结壁承载能力满足设计要求;观测发现地层冻结对地连墙强度和变形无明显影响。

人工冻土冻胀引发上覆地层与结构变形计算方法研究

人工冻结法在地下特殊施工中的冻胀风险引发广泛关注,上覆地表变形可能造成城市道路、建筑结构变形,继而引发破坏,需要对地表及结构变形进行预测。瞄准冻胀的实质是冻土中水分迁移引起的宏观表现,基于Peck公式计算思路,对冻胀引起的上覆地层变形进行公式推导和参数取值,得出适合计算冻胀变形的冻隆公式,以求解冻结过程中上覆地层产生的冻胀量。通过水分迁移试验测定冻结水分迁移速度,推导和归纳冻结外锋面半径经验计算方法,得出冻土体积增加量计算公式。以郑州某冻结工程实测数据,计算土体冻结过程中的水分体积增加率,冻隆公式计算值与实测值接近,满足施工过程中安全评价分析的需求。研究成果可为人工冻结技术在高风险地下工程领域的技术研究应用提供理论基础和计算参考。

人工冻结水泥改良软黏土冻融及强度特性研究

为探究人工冻结水泥改良软黏土冻胀融沉特性及冻融前后强度变化规律,通过室内冻胀融沉试验和单轴抗压强度试验,揭示不同冻融状态、不同影响因素等条件下水泥改良软黏土冻胀融沉及强度特性。研究结果表明,软黏土冻胀率和融沉系数随冻结冷端温度降低而减小,且融沉系数大于冻胀率;掺入水泥后融沉系数均小于冻胀率,且随水泥掺量增加而降低,当水泥掺量超过5%时,融沉系数小于2%。水泥土起始冻结温度随水泥掺量增加而降低,当水泥掺量为9%时,起始冻结温度最低达到-1.53℃;冻融过程沿试样不同高度温度场变化分为积极冻结、维护冻结和融化三个阶段;冻融后水泥改良软黏土强度降低,25组试样平均降低56%,冻融后强度折减最大达76%。研究指出,改良土强度分别随水泥掺量增加而增大,随含水率增大而减小,随龄期增长而增大。

高流速卵石地层地铁联络通道人工冻结温度场研究

地铁联络通道的开挖经常受到地下水干扰,人工地层冻结法凭借其优秀的封水性和适应性成为富水地层联络通道施工的首选工法。依托北京地铁12号线苏州桥站~人民大学站区间1#联络通道冻结工程,通过现场实测研究地层温度场和泄压孔压力的发展规律,分析冻结帷幕的交圈特征,确定高流速地层冻结壁薄弱位置。结果表明:盐水去回路温度在冻结初期迅速下降,而后降速减缓并最终稳定在-28℃以下;测温孔中土体与管片交界处的温度高于土体内部,渗流上游冻结壁温度高于下游,这些区域应当重点监测;冻结至59 d时,利用基于实际降温速率的分阶段冻结壁厚度计算方法求得不同截面位置处的冻结壁最小厚度为2495.2 mm,同时泄压孔压力已全部释放并保持稳定,冻结壁不再发展,满足联络通道开挖要求。研究成果能为高流速地层的人工冻结参数选取和监测提供理论支持。

人工冻结联络通道冻胀三维扩展规律模型试验研究

为解决人工冻结联络通道冻土冻胀引发管片结构安全难题,采用相似模拟试验方法,对人工冻结过程中冻土三维冻胀特性进行了模型试验研究,得出以下结论:①冻胀引发地表及地表下20、40、60mm上覆土体曲线呈现冻结壁上部位置变形较大、边界位置变形较小的趋势,冻胀引发地表抬升曲线呈现高斯分布特征;②管片变形大致分为小变形-大变形-小变形3个阶段;③冻结壁径向扩展体积与轴向扩展体积比为15∶1,冻结壁径向扩展厚度与轴向扩展厚度比为1.1∶1。研究结果对不同约束下的人工冻土三维扩展规律进行了初步探索。

富水砂层斜井明挖段三维冻结温度场时空演化规律研究

为解决冻结斜井明挖段施工过程中,斜井冻结温度场难以准确预测导致开挖时间及速度无法确定的工程难题,以升富煤矿冻结斜井明挖段为研究对象,基于实测地层特性及冻结孔布置参数,采用COMSOL Multiphysics有限元软件,构建三维冻结温度场数值计算模型,对冻结斜井明挖段施工期间温度场的时空演化规律进行数值计算预测分析。计算结果表明:在相同冻结时间条件下,细砂层冻结壁平均温度比中砂层低0.28~2.39℃,细砂层冻结壁有效厚度比中砂层厚0.36~0.59 m。在持续冻结88 d后,明挖段冻结壁平均温度低于-12℃,且不同层位的侧帮冻结壁厚度均能达到4 m以上,底板处的冻结壁厚度均达到5 m以上,满足设计开挖需求。在开挖期间,井帮位置暴露的土体存在“热流侵蚀”现象,但在快速开挖施工的条件下,冻结壁的有效厚度并未减小且冻结壁平均温度仍处于-10℃以下,因此开挖过程中不会发生大范围的冻结壁“软化”现象。基于预测结果,制定了现场开挖方案,由现场实测数据可知,在开挖过程中测点及井帮温度出现轻微波动,但整体温度发展趋势较为稳定,表明施工期间冻结壁是安全稳定的。研究成果可为斜井冻结法凿井的安全施工及优化设计提供参考。

地下水渗流对联络通道冻结帷幕影响研究

为探究流速对联络通道冻结温度场的影响,基于水热耦合理论构建地下水渗流条件下地铁联络通道冻结法施工数值计算模型,并采用现场实测数据对模型的合理性进行验证。运用该模型对南通市地铁2号线联络通道冻结帷幕的发展规律进行计算分析。结果表明,当地下水流速为3、6、9m/d时,冻结帷幕的交圈时间分别为20、28、34d。冻结帷幕交圈后,联络通道左墙(位于地下水上游)外侧与上、下墙外侧冻结帷幕厚度的增加速率均减小。在同一冻结时间下,随着流速增大,左墙内侧厚度增大,外侧厚度减小,右墙内侧厚度减小,外侧厚度增大,其中左墙内侧与右墙外侧增加的最为突出。在冻结稳定时期,冻结帷幕厚度的增加主要体现在内侧,外侧由于受地下水流速的影响,厚度增长率较低。由此可知,地下水流速是影响冻结帷幕发展情况的原因之一,流速越大冻结帷幕发展不均匀性越大,位于上游冻结壁发展速度越慢,下游冻结壁发展速度越快。该研究对探究不同流速下粉质粘土层联络通道冻结壁的发展状况具有参考价值。

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。

60m级超长联络通道冻结法施工融沉控制研究

软土地区城市地铁建设联络通道往往采用冻结法进行土体加固,但冻结法存在冻胀融沉问题,尤其是超长联络通道解冻后融沉控制更为重要.本文依托福州地铁2号线紫阳站—五里亭站区间66 m国内最长的超长联络通道工程,采用自然解冻+精细融沉补偿注浆,通过科学设置冻结设计参数控制冻结范围,科学布置冻结孔、注浆孔,优化注浆参数,在注浆施工中采用精细控制措施,有效完成了融沉注浆施工.实测结果表明:该超长联络通道冻土体量大,融沉量相比常规联络通道地表沉降更大,范围更广,在离联络通道较近位置沉降量大;超过25 m后,沉降量较小.联络通道轴线处两端沉降量是中间沉降量的1.7倍;融沉注浆施工后,最大沉降量为12 mm,满足施工控制要求,可为后续类似工程提供经验参考.

富水地层地铁超长联络通道冻结位移场演化规律研究

人工冻结法因其安全可靠、环境友好等优点,被广泛应用于地铁联络通道的地层加固中。然而,相较于传统的联络通道,采用冻结法加固超长联络通道存在冻结体量大,地表冻胀控制难度高等特点。现有的研究成果难以充分描述其冻结位移场的发展规律,为此,依托福州市地铁2号线上洋站~鼓山站区间超长联络通道,该联络通道采用分区冻结主体和泵站、错开起始冻结时间等措施对地表冻胀进行控制。采用现场实测数据分析、数值模拟以及灰色关联分析等研究方法对该超长联络通道的冻结温度场和位移场的演化规律进行研究。研究结果表明:在错开冻结起始时间的情况下,冻结温度场和位移场的分布仍然具有良好的对称性,同时确定了冻结壁的薄弱位置应在该超长联络通道推迟冻结一侧的洞深方向12~15 m范围内。在联络通道洞身上方存在一个“圆饼”状的冻胀集中区域,地层位移场的发展表现出以该区域为核心向外衰减的特点,该联络通道的隆起特征值为43.16 mm,影响特征范围为21.95 m。就地层温度、盐水温度以及通道埋深而言,隆起特征值对通道埋深最为敏感,而影响特征范围受盐水温度影响最为显著。因此,为控制地表冻胀,在隧道的设计阶段可科学适当地加深超长联络通道的埋深,或在维护冻结期内安全合理地控制盐水的最低温度。研究成果可为今后同类长距离水平冻结工程的冻胀控制提供参考。

人工冻结隧道密贴下穿结构冻胀位移计算方法探究

冻结法是富水软土地层新建隧道下穿上部结构的重要方法,其中冻土与结构密贴穿越工程是冻结下穿工程中风险最高、难度最大的工况之一。基于上海轨道交通新建18号线下穿已运营10号线国权路地铁车站工程,采用极限拉应变法思路计算密贴穿越过程中上覆结构冻胀抬升变形,推导了水平冻结密贴施工引起上部结构冻胀位移的计算公式,将上覆地层土体变形看作刚度为土体刚度的“结构”变形。进行了冻结密贴相似模拟试验,得出上海地区⑧4灰色粉质黏土中冻结壁外锋面扩展系数A=165。工程采用分段控制冻结、错峰控制冻结、取土泄压等多种冻胀控制方法,施工过程中车站底板实际抬升位移为15.0mm,公式计算车站冻胀抬升为42.7mm,相似模拟试验抬升位移值为30.0mm,公式计算值为保守值。研究成果将为冻结密贴下穿工程建设提供数据参考和理论支撑。

考虑井帮收敛的深井冻结壁塑性设计研究

合理的冻结壁设计是冻结法成功的前提。为了研究井帮位移收敛量对冻结壁厚度设计的影响,采用柱形孔收缩理论,推导出塑性冻结壁和弹塑性未冻地层力学模型的应力、位移完全形式解,建立冻结壁厚度塑性计算公式;采用两种计算公式和数值模拟方法研究工程案例,并验证新公式的正确性;分析了水平地压、冻土的黏聚力与内摩擦角、未冻土的弹性模量与泊松比、未冻土的黏聚力与内摩擦角等参数对井帮变形和冻结壁厚度的影响规律。结果表明:对于完全塑性冻结壁、弹性地层力学模型,考虑井帮位移收敛影响与否,800 m深处冻结壁厚度相差约8.6%,井帮变形量约0.17;在预测千米表土立井井帮变形方面,新计算式具有一定的理论意义与实用价值。

高家堡煤矿西区进风立井近千米富水岩层冻结技术研究

以高家堡煤矿西区进风立井的冻结法施工为背景,对井筒冻结技术方案、冻结质量保障措施开展了详细探讨。实践表明,将供液管由常规的Φ75 mm×6 mm增大到Φ85 mm×7 mm,可以有效保证冻结管末端的盐水温度,将冻结管盐水流量增大至20 m^(3)/h,保障了地下水大流速、高地温条件下近千米深立井的冻结效果。进风立井冻结工程于2019-12-18开机冻结,井筒于2020-12-27顺利掘砌到底,创造了岩层冻结深度990 m的新纪录。相关研究可为类似地层条件下的立井冻结工程提供参考。

冻结管对冻土试件自身抗拉性能的强化效果分析

为了更加精准地开展人工冻结法设计,以存在冻结管的冻土试件为研究对象,利用冻结管-冻土接触面强度试验数据为条件,建立数值计算模型,对不同工况下的冻土试块的应力分布及其服役性能进行研究。研究结果表明:在所有计算中冻结管-冻土接触面未发生破坏,且冻结管的存在会有效降低冻土试块的最大拉应力;在计算中单冻结管试件最大拉应力比无冻结管试件降低1 1%,双冻结管试件最大拉应力比无冻结管试件降低17%。冻结管对于抗拉性能的提升主要受其布置位置影响,冻结管规格对强化效果的影响相对较小,在设计中可以忽略。最终根据研究结果提出了同时考虑冻土帷幕厚度、平均温度及其内部冻结管布置高度的设计思路。

冻结法凿井冻结温度场的数值反演与模拟

考虑了冻结孔的实际偏斜状况,提出了基于平面有限元模型的冻结温度场数值反演及模拟方法.介绍了模型的基本特征、计算参数及数值反演、模拟的基本步骤.由于能够模拟冻结孔的实际分布状况及冻结管外表面的温度下降过程,并且以土性参数的反演为前提,因而该模型能够以较高的精度模拟冻结温度场的发展过程.通过某冻结温度场的数值模拟实例验证了该方法的可行性,并对影响数值模拟结果的主要因素进行了分析.

直线双排管冻结壁平均温度的等效抛物弓形模型

在双排管冻结壁温度场的巴霍尔金(Бахолдин)解析解和考虑地层实际冻结温度时该解的修正解的基础上,建立了一种双排管冻结壁的平均温度解析计算模型——等效抛物弓形模型。该模型以冻结壁某一横截面厚度上的等效抛物弓形法计算的平均温度来等效整体冻结壁的平均温度。在实际工程中可能出现的冻结管平面布置参数变化范围内全面考察了冻结壁平均温度等效抛物弓形计算结果与依据巴霍尔金解析解数值积分计算结果的误差以及误差规律。结果表明,等效抛物弓形计算的冻结壁平均温度误差较小,具有足够的工程精度。

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.

基于分布式光纤传感技术的冻结温度场监测系统

分析冻结法凿井施工采用分布式光纤温度传感器进行温度场监测的可行性,给出了基于分布式光纤温度传感器的冻结温度场监测系统的组成、原理和光缆布设方案。通过与传统的单总线温度传感系统数据对比,其具有测量温度值准确,数据量大,系统稳定性高,布设更加方便等优点。