下载文档原格式
建材发展导向2019年第7期冻结法在地下工程施工中的应用浅探康亚军（天津天营建筑工程设计有限公司，天津300000）摘要：城市化的建设在我国已经取得了一定的成就，随着城市化的进行，地下施工技术不断的成熟，结冻法是其中重要的辅助建筑方式之一，对地下施工具有良好的辅助作用，对工程的质量有着很好的影响。
为了能满足现在社会的需要，需要不断的对结冻施工方法应用进行探讨。
不断的改善技术加强对施工质量的检测。
关键词：冻结法；地下工程；施工中的应用1冻结法的主要内容冻结法通俗来说就是使用人工制冷的方式，把地层中的水分冻结起来，使得施工中的土壤具有一定的抗压性及稳定性，为施工的展开具有良好的条件。
冻结法适用于井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术结法既适用于松散不稳定的冲积层和裂隙发育的含水岩层，也适用于淤泥、松软泥岩以及饱和含水和水头特别高的地层。
对于土中含水率非常小或地下水流速相当大的处所不适用。
冻结法具有有效隔绝地下水；适应性强，几乎不受地层条件的限制（低含水量地层除外）；施工灵活；绿色施工，无污染；复杂地层施工经济合理等优势。
压缩制冷主要由三大循环构成：氨循环，盐水循环和冷却水循环。
这三大循环作用不一样，氨循环在制冷过程中起主导作用，盐水循环在制冷过程中起着冷量传递作用，却水循环在制冷过程中的作用是将压缩机排出过热蒸汽冷却成液态氨，以便进入蒸发器中重新蒸发。
结冻法的应用不断得到推广，使用范围不断的跨大，对于建筑行业的发展有着良好的帮助。
结冻法历史比较悠久，至今有一百多年的使用，现阶段比较成熟。
但是还是有着很大的发展空间。
2冻结法在地下工程施工中的应用2.1在交通不能阻断的地段应用道路是城市交通的必要，对于某些施工地段而言，由于建筑物或者其他的原因，道路需要保持原来的交通。
对于这些地段冻结法能较好的解决因为交通而带来施工不方便的问题。
由于这些地段交通频繁，使用混凝土直接对地面或者地层加固是行不通的，而且一般道路下边埋有光缆或者其他重要的通信或者通电输水的设备，对地面进行钻孔注浆的方法也不够全面。
浅谈地铁建设中的人工地层冷冻技术摘要：本文主要讲述了人工地层冻结技术的发展历程与其施工原理，并针对施工中产生的问题提出些可行性方法，并结合实际工程加以说明。
关键词：冻结技术；钻孔；冻结施工引言随着我国城市轨道系统的逐渐完善，其施工技术也在不断发展，在我国的地铁工程项目中，人工地层冻结技术也在不断发展，其实这项技术在国外发达国家早已成熟，并且在地铁建设中广泛应用，而我国实在近些年才对其进行引进与学习研究的，虽然我国的起步速度较晚，但由于这套技术在国外有许多成功经验，加之我国铁路施工技术人员的不断学习，所以我国的人工地层冻结技术发展迅速。
一、人工地层冻结技术的发展历程人工地层冻结技术最是在英国应用的，是在十九世纪六十年代，随后发展速度迅速，逐渐在德国、比利时、法国、荷兰、美国、前苏联、日本等国广泛应用。
其实人工地层冻结技术最早不是应用于地铁上，而是用于矿山工程或其他领域之中。
随着我国城市地下工程的增多，尤其地铁隧道工程的不断发展，冷冻技术不断融入到地铁隧道的施工之中。
二、人工地层冷结技术的施工原理与工艺人工地层冷结技术指的是运用人工制冷技术（一般为盐水冻结技术），将管道铺设在需要加固的地层中，用制冷压缩机进行制冷，并让低温盐水在冻结器中循环流动，降低地热能，把天然岩土转变为完整性好、强度高且不透水的临时加固体，从而达到使地下工程与地下水相隔绝的目的。
在开挖竖井或隧道等地下工程时，一定要在有冻结体保护的前提下对其进行施工，在完成支护砌筑之后，再让冻结的地层慢慢的进行解冻，最后还原到初始状态。
人工地层冷结技术除了可以运用盐水之外，还可以使用液氮或干冰作为冷媒体进行冻结。
人工地层冷结技术的优点也是非常多的，其优越性分别体现在以下几个方面：(1)地层强度高，冻结完成之后，地层的抗压强度可以提升到12~13MPa。
(2)隔水效果好，可保证工作面是无水的，在无水条件下进行施工开挖作业。
(3)支护的整体性能好，形成冻结体之后，不易产生裂缝，极大程度上保障了支护的整体性与完整性。
含水软土地基加固的冻结技术摘要：结合上海地铁建设工程实际，从工程设计、施工、加固效果等方面阐述了全封闭水平冻结加固技术的应用。
该技术为我国含水软土地基加固，特别是城市地下工程建设中的软土地基加固提供了新的安全可行的方法。
关键词：水平冻结；软土地基；地基加固；信息施工；地下铁道；隧道北京中煤矿山工程公司(煤科院北京建井研究所)在我国人工地层冻结技术多年研究成果基础上，研究开发了全封闭水平冻结技术，并于1998年2～7月成功地将这种新技术应用在上海地铁2号线杨高路站-中央公园站区间隧道联络通道泵站工程(以下简称旁通道)的软土加固中。
该工程已通过初验，得到了建设单位及有关单位的一致认可和好评。
1 工程地质条件该工程位于上海市浦东，设在上海地铁2号线杨高路站-中央公园站之间最低轨位处，作为地铁运营中两车站之间的集水、排水及两隧道间联络等用处。
工程结构由两个与隧道相交的喇叭口、通道及集水井等部分组成(见图1)。
联络通道(包括喇叭口、通道)长约7.9m，开挖荒径最大尺寸约为4.4m×5m。
集水井开挖深度为通道以下4.5m，开挖荒径尺寸为4.7m×3.2m。
结构最深处距地表23.2m，距杨高路车站出入口约550m。
图1 冻结管与工程结构立面示意该地区地下水位1.5m，土体含水丰富。
施工区域的土层以灰色粘土和灰色淤泥质粘土为主，含水量为22.6%～63.0%，孔隙比为0.914～1.732，塑性指数为16.6～25.9，平均重度为18.25kN/m3。
土层流塑性强，具有中-高压缩性。
由于对施工造成上、下行线隧道和地表变形等影响的要求极严格，因此在这种地层条件下施工难度很大。
地表主要为柏树林和即将拆除的两栋简易民房。
由于简易民房建筑物已受两次隧道推进影响，并为密集人口的市区类似工程施工积累经验，因此对施工引起地表影响的要求非常严格。
2 冻结加固设计2.1 方案设计(1)采用从地铁隧道内钻进水平、近水平、上仰、下俯等几种方式的冻结孔来实现全封闭水平冻结法加固土层的目的。
可编辑修改精选全文完整版冻结法施工在深基坑中的应用摘要:冻结排桩法的基本思路是以含水地层冻结形成的冻结惟幕墙为基坑的封水结构,以排桩及内支撑系统为抵抗水土压力的受力结构,充分发挥各自的优势特点。
在施工深、大基坑时，采用排桩作为结构支撑体系工艺成熟，冻结帷幕具有良好的封水性能，两种技术的结合不仅解决了基础维护结构的受力间题而且解决了封水间题，施工可操作性强.两种技术的结合既是优势互补，又是一种大胆的技术创新。
关键词：深基坑；冻结排桩;围护结构1 引言土层冻结技术源于天然冻结现象，是人工制冷使地层中的水结冰，将天然含水土层变成冻结,形成冻结帷幕,增加强度和稳定性并隔绝地下水，方便地下工程开挖掘砌.1862年英国威尔士的建筑基础施工中首次成功使用人工制冷加固土壤；1880年德国工程师F. H。
Poetch提出人工冻结法原理，并于1883年在德国阿尔巴里煤矿中采用冻结法建造井筒，随后该方法被广泛应用到世界许多国家的地铁隧道、基坑边坡、矿井市政等工程中,成为岩土工程施工的重要方法之一.我国冻结法应用也有50多年历史,主要是用人工制冷技术暂时加固不稳定地层和隔绝地下水,目前也用于一些深基坑工程和地铁隧道工程。
目前，国内外冻结围护技术在基坑支护工程中的应用大致可分为以下5种方式。
(1)冻结围护技术作为服务于其他主工法的措施性工程的应用：冻结法具有封水性能好、适应性强、与混凝土壁等有极好的粘结性。
冻结法优良的防水性能使得它既可以作为主工法应用也可以作为其他工法的辅助工法的应用。
(2)冻结围护技术同其他工法的配合应用方式：冻结技术可以和旋喷法、注浆法、排桩法、地下连续墙技术等结合应用，使各种工法的优势互补，扬长避短。
(3)冻结围护技术作为预防已有建筑地基变形的预防性工程的应用：主要是在地层中形成密封的冻结壁，使土层的局部区域得到预加固，土层强度和刚度得以提高，可大大减少基坑开挖过程中已有建筑物地基基础的变形。
(4)冻结壁作为基坑工程的主要围护和承载结构的应用方式：其特点是所设计的冻结壁作为主要的承载结构物，要求在整个施工期都必须满足强度和变形的要求,在实际工程中多采用逆作法。
地铁施工技术交流材料冷冻法联络通道施工技术及风险控制措施一、冻结法的基本原理与特点采用冻结法对地层土体进行加固，是指利用人工制冷技术,使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术.其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。
1、岩土冻结实质岩土冻结性质的改变，即将含水地层（松散土层或裂隙岩层）冷却至结冰温度下,使土中孔隙水或岩石裂隙水变成冰,岩土的性质发生重要变化,形成一种新的工程材料--“冻土” .2、冻土结构特点而冻土结构具有较高的强度和绝对的封水性.3、冻土结构功能冻土结构的承载功能和封水的不承载功能。
4、制冷方法其制冷技术方法，通常使用制冷设备,利用物质由液态变为气态,即气化过程的吸热现象来完成的。
4。
1、有两种类型:⑴、冷媒剂（盐水）吸热：氨 (—33.4℃)；干冰（—78。
5℃)；⑵、直接气化吸热:液氮(—195.8℃)；干冰（—78。
5℃）4。
2、冻结系统常有两种类型：⑴、封闭系统（盐水冻结）；⑵、开放系统（液氮冻结）5、冻结法的适应性冻结法加固与其它加固方法相比，其适应性更强,能够适应粘土、粉土、砂层以及砾石、卵石等任何地层。
6、冻结法的特点6。
1、冻土帷幕的变化性：⑴、冻土范围可变；⑵、冻土温度可变；⑶、冻土强度可变（强度是温度的函数)6.2、冻土帷幕的连续性：水在负温下结冰的必然性;6.3、冻土帷幕的可知性:通过温度测试可判断冻结范围、冻土强度7、冻结法施工的优点7.1、安全性好:⑴、冻土强度较高;⑵、冻土连续性可靠、封水性好7.2、适用性强：⑴、适用于几乎所有具有一定含水量的松散地层（包括岩石）;⑵、复杂地质条件可行(流砂、大深度、高水压）7.3、灵活性高：⑴、冻土帷幕性状（范围、形状、温度、强度）可控8、冻结法施工缺点由于冻结法所形成的冻土帷幕其范围、温度、强度具有变化性，其冻结范围、强度随温度的变化而变化，如果供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能（范围、强度）退化，安全性能降低，施工风险增大。
浅析深基坑支护施工技术及实践深基坑支护施工技术是指在建设过程中，为了保证基坑的稳定和安全，在基坑开挖过程中采取的一系列措施和技术。
深基坑支护施工技术是基坑施工的关键环节之一，它直接影响到基坑的稳定性和施工的安全性。
深基坑支护施工技术主要包括以下几个方面：1. 地下连续墙：地下连续墙是起到围护基坑土体的作用，使得土体能够稳定地存在。
地下连续墙施工需要采用钢筋混凝土浇筑技术，将混凝土浇筑到钢筋网格之上，形成坚固的连续墙。
地下连续墙的厚度和间距需要根据基坑的深度和土体的特性来确定。
2. 土体冻结法：土体冻结法是一种常用的深基坑支护施工技术。
它是通过在基坑周围设置冷却设备，将周围的土体冷冻成为冻土，从而增加土体的强度和稳定性。
土体冻结法适用于含水量较高的土体，可以有效地防止土体流动和坍塌。
3. 土体钻孔桩：土体钻孔桩是指在基坑周围钻孔，并将钢筋混凝土灌注在孔中，形成钻孔桩。
土体钻孔桩可以提高土体的承载能力和抗侧压能力，使基坑能够稳定地存在。
土体钻孔桩适用于土层较松软、稳定性较差的地区。
4. 土体加固法：土体加固法是指通过在土体中注入固化材料，如水泥浆、树脂浆等，增加土体的强度和稳定性。
土体加固法可以针对土体的不同性质和特点来进行施工，可以在一定程度上提高土体的抗侧压能力和承载能力。
深基坑支护施工技术的实践需要充分考虑工程环境和土体特性，确定合适的施工方案和工艺流程。
在实际施工中，还需要合理控制施工过程中的各项指标，如施工时机、施工进度、施工质量等。
还需要进行施工监控和安全检查，保证施工过程的安全性和质量。
深基坑支护施工技术是一项复杂而关键的施工技术，涉及到土体力学、结构力学等多个学科的知识。
只有充分了解和应用这些技术，才能保证深基坑支护工程的安全和顺利施工。
土木工程中的地下人工冻结技术土木工程是一门古老而又关键的学科，它涵盖了道路、桥梁、建筑物等各种结构的设计和建造。
而在土木工程中，地下人工冻结技术是一项重要的技术，它在改善土壤、增强地基等方面发挥着重要的作用。
地下人工冻结技术是指通过控制土壤温度，将土壤中的水转变为冰，从而增强土壤的强度和稳定性。
这项技术最早应用于煤矿工程中，用于预防煤层冒顶和地质灾害。
随着科学技术的进步，地下人工冻结技术逐渐被引入到土木工程中。
在土木工程中，地下人工冻结技术主要应用于地铁、隧道和桥梁等工程中。
例如，在地铁施工中，经常需要在软土或者湿地中建造隧道。
而这些地质条件往往使得隧道施工变得异常困难。
此时，地下人工冻结技术便成为了解决问题的重要手段之一。
地下人工冻结技术的基本原理是通过冷源向土壤散热，使土壤温度逐渐下降，最终将土壤中的水转变为冰。
冰的形成使得土壤增强，从而提供了可靠的施工条件。
冻结过程中需要控制温度、压力、冷却速度等参数，以确保冻结效果。
在实际应用中，地下人工冻结技术需要充分考虑工程的特点和环境因素。
例如，在地铁隧道施工中，地下水位、土层厚度、地下水温度等因素都会影响冻结效果。
因此，工程师需要详细调查和分析地质信息，制定合理的冻结方案。
地下人工冻结技术具有许多优点。
首先，它可以有效地增强土壤的强度和稳定性，提供可靠的施工条件。
其次，它可以减少地基沉降和地面沉降，防止地质灾害的发生。
此外，地下人工冻结技术还可以控制地下水位，减少对周围环境的影响。
然而，地下人工冻结技术也存在一些挑战和问题。
首先，冻结过程需要大量的能源消耗，对环境产生一定的影响。
其次，由于土壤温度的变化，周围土壤的性质可能发生变化，对周围建筑物或管线等产生影响。
因此，在实际应用中需要充分考虑这些问题，并采取相应的措施。
总的来说，地下人工冻结技术在土木工程中发挥着重要作用。
它能够有效地增强土壤的强度和稳定性，为工程提供可靠的施工条件。
然而，该技术仍然需要进一步发展和完善，以应对不同地质条件和环境要求。
地层人工土冻结法人工冻结技术结构设计毕业设计论文第一章绪论1.1选题意义随着社会经济的不断发展，人口的不断增长和土地资源的稀缺性。
开发地下空间已经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势。
专家预测21世纪是建设地下工程的世纪。
各种地下工程如矿山工程、深基础建筑及地下室、城市地铁和河底、海底及穿山隧道等正在兴建中，并且呈现不断增加的趋势，与之俱来的基坑壁的支护、隔水等问题也变得越来越突出，尤其是在恶劣的地质、水文条件以及苛刻的周围环境下。
人工土冻结法由于基本不受支护范围和支护深度的限制，以及能有效防止涌水以及施工中相临土体的变形而受到越来越多的重视，并将是完成地下工程的主要技术手段之一。
完善和发展人工土冻结理论和技术体系不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的经济前景。
在饱和含水软弱地层中，在刚建好的两条区间隧道再建通道、泵站，虽然可以借鉴上海地铁一号线区间隧道旁通道施工经验，但由于国内没有相应的人工土冻结法施工规范，所以冻结法作为一种辅助施工工法，其实施的可行性、安全可靠度、施工速度、工程造价等多方面都面临考验。
如何保证工程及周围环境的安全，采用何种施工技术，如何确定合理的冻结参数并降低造价等，具有很大的意义。
地层土人工冻结技术是一种起源于天然冻结现象的土层加固技术。
传统上较普遍的人工土冻结是使用盐溶液间接制冷法，就是将盐溶液用氨或氟里昂压缩方法冷却后，作为冷媒在土体内埋设的管道中循环，吸收土体热量，增加自身显热，不断循环制冷，直到土体冻结，达到加固和稳固土体的目的。
发展和使用较晚的人工土冻结方法有直接制冷法，即不循环制冷，例如使用液氮或干冰等物质，使它们在土体内发生相变，直接作为冷媒吸收土体热量，使土体降温，土中水分冻结，形成冻土体。
采用人工制冷加固（冻结法），可以使土体中的大部分水结冰，这不仅提高了土的强度，增强了土体的稳定性和整体性，而且可以达到其他止水方法所无法比拟的隔水性能；同时随着地层开挖深度的增加，冻结法施工更具有经济上的优势。
人工冻结法的施工技术研究毕业本科毕业论文人工冻结发的施工技术研究摘要：本文首先介绍了选题的目的与意义、国际及国内人工冻结法的研究与应用现状及冻胀融沉机理及试验研究。
接下来介绍了人工冻土的分类和构造以，及地下水对冻土形成的影响。
在冻土形成的过程中，物理力学性质也发生了很大的变化，于是在文中进一步研究了冻土的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度。
并阐述了人工冻结法的原理、设计以及冻结壁形成过程中温度场的变化。
在上述理论的基础上，进一步了解冻结法的设计和施工。
于是本文主要从冻结方案选取、冻结孔的布置与施工以及土体开挖过程对人工冻结法进行阐述。
最后结合某地铁隧道联络通道冻结法施工技术，对人工冻结发法在实际工程中的应用，进行了深一步的了解。
关键词：人工冻结法、冻土、冻结壁、冻结孔Abstract: Frist, this paper introduces the topics of the purpose and significance of international and domestic Artificial Freezing Method Research and Application Status and frost thaw Mechanism and Experimental Study.Next comes the classification of artificial frozen soil and structure, as well as the impact of groundwater on the formation of the freezing soil.In the process of the formation of the freezing soil, the physical and mechanical properties great changes have taken place .So this paper study the tensile strength, compressive strength and shear strength of the freezing soil in the text for further.And describes the principles of artificial freezing method , design, and the changes of the freezing wall temperature field during the formation.It’s b ased on the above theory , learn more about the design and construction of freezing.Then select of the article elaborates artificial freezing method from the frozen solution , freezing hole layout and construction as well as during the excavation of soil.Finally, a subway tunnel connecting passage freezing construction technology, made of artificial freezing method in practical engineering applications, conducts a deep understanding of step.Keywords: artificial freezing , frozen , freeze wall , freezing hole目录第一章绪论 (5)1.1选题意义 (5)1.2问题提出 (6)1.3国内外研究现状 (8)1.4冻胀融沉机理及试验研究 (10)第二章冻土描述及其性质 (11)2.1冻土定义 (11)2.2冻土分类 (11)2.2.1按含冰特征 (11)2.2.2按冻结状态持续时间分类 (11)2.2.3按活动层与下卧层的类别及其关系分类 (12)2.2.4其他类型的冻土 (12)2.3冻土构造类别 (14)2.4冻土形成过程 (15)2.5地下水对冻土影响 (17)2.5.1土粒与水的相互作用 (17)2.5.2水质与流速对岩土冻结影响 (18)第三章人工冻结法原理及其力学参数和特性 263.1人工冻结法原理 (26)3.1.1制冷技术 (26)3.1.2地下水对冻结的影响 (27)3.1.3温度场和冻结速度 (27)3.1.4冻胀和融沉效应 (28)3.2人工冻土的力学参数 (28)3.3冻土强度 (29)3.3.1单轴抗压强度 (29)3.3.2单轴抗拉强度 (31)3.3.3抗剪强度 (32)3.4冻结壁的温度场 (34)3.4.1冻结壁形成 (34)3.4.2冻结壁温度场的影响因素 (35)3.5人工土冻结法设计 (37)3.5.1冻土墙结构设计 (37)3.5.2设计方法 (38)第四章冻结法凿井技术 (39)4.1冻结方案选取 (39)4.1.1一次冻全深方案 (39)4.1.2分段冻结方案 (39)4.1.3差异冻结方案 (39)4.1.4局部冻结方案 (40)4.2钻孔布置及钻孔施工 (41)4.2.1钻孔布置 (41)4.2.2冻结孔钻进 (43)4.2.3磁性单点测斜仪 (43)4.2.4陀螺测斜仪 (44)4.3冻土体开挖及风险分析 (45)4.3.1冻土体开挖 (45)4.3.2联络通道冻结加固暗挖法风险分析 (47)第五章某地铁隧道联络通道冻结法施工 (48)5.1工程概况 (48)5.2冻结法的设计及施工 (49)5.2.1冻结孔布置设计 (49)5.2.2冻结系统设计及技术指标 (50)5.2.3冻胀、融沉及隧道变形控制设计505.2.4冻结施工情况 (51)5.3信息化监测技术 (52)5.3.1冻结帷幕温度场监测 (52)5.3.2钢护筒内壁温度监测 (53)5.3.3盾构管片背后土体冻胀压力监测545.3.4盾构隧道变形监测 (55)5.4冻结过程中若干问题及对策 (57)5.4.1盐水冻结系统运转的控制 (57)5.4.2冻胀的控制 (57)5.4.3融沉的控制 (58)5.4.4施工过程中对关键技术的控制. 58 结论与展望 (60)参考文献 (61)第一章绪论1.1选题意义随着社会经济的不断发展，人口的不断增长和土地资源的稀缺性。
文章编号:100926825(2005)2220090202人工冻结技术用于软土深基坑的可行性分析收稿日期:2005208203作者简介:李瑞峰(19792),男,吉林大学建设工程学院岩土工程专业在读研究生,吉林长春 130026李瑞峰摘 要:通过对淤泥质粘土冻结后的力学、变形性能以及冻土墙的稳定性的阐述,并对冻结法施工软土深基坑在经济、技术方面的可行性进行了分析。
研究结果表明,淤泥质粘土冻结后具有一定的强度,利用冻土墙维护软土深基坑在经济、技术上都是可行的。
关键词:冻土墙,支护,坑壁中图分类号:TU471.8文献标识码:A引言目前我国施工基坑,坑壁维护常用方法有很多,这些方法在我国基础工程施工中均已取得许多成功的经验,但也存在一些问题,随着城建规模的迅猛发展,基坑的跨距、深度不断地加大,在一些沿海地区的地基属软弱地基,常伴有淤泥,在这种条件下进行大型基坑的开挖,坑壁维护越来越困难,成本越来越高,为此必须寻找一种既安全又经济的新的坑壁维护方法,冻结法即为其中之一。
冻结法施工建筑物基坑是利用人工制冷技术对基坑周围的土层进行冻结,使之形成一连续、封闭的冻土帷幕墙,并以此维护坑壁的稳定和隔绝地下水与基坑内部的联系,保证基坑和基础的施工安全。
冻结法施工有如下优点:1)冻结法适用于各种复杂地层,尤其是淤泥这样一类用其他施工方法十分困难的地层;2)冻结管布置的任意性,使基坑的形状、平面尺寸、深度等不受影响。
而且,基坑越深其经济效益越显著;3)冻土墙的隔水性,解决了基坑的排水问题,同时也解决了因降水地层沉降对邻近建筑物的危害;4)冻土墙的可取消性和无污染性,将不影响建筑物及其周围的地下结构,也不影响日后建筑物的管线埋设[1]。
1 人工冻结技术维护坑壁的技术可行性分析1.1 工程地质和水文地质条件冻结法的施工虽不受地基土的地质条件影响,但由于地下水流动带入热量妨碍冻土柱的连接,因此,冻结法对地下水的流速有一定的要求。
工程中一般要求其流速小于临界流速即17×10-3m/s 。
当超过这个临界流速时,可采取如下措施确保冻土墙形成:1)增加冻结管组数;2)降低盐水温度,减小冻结管间距;3)采用注入法减小地基的渗透系数,减缓流速;4)设置井点,减小被处理地基内的动水力坡度;5)用板桩形成障碍,以改变地下水流的方向。
可见,冻结法在淤泥质粘土的不同地质条件中通过一定的技术是完全可以试用的[2]。
1.2 维护结构的强度特性冻土的力学强度性质是决定冻土墙稳定性的关键因素。
淤泥质粘土是我国基坑维护中难度最大的土层。
为此,取天津淤泥质粘土(ρ=17.75kN/m 3,ρd =12.95kN/m 3,W =47.2%)进行冻土力学性能试验。
1.2.1 冻土单轴抗压强度1)冻土单轴抗压强度与冻结温度的关系。
两者基本呈线性,利用直线回归可得如下方程(回归相关系数r =1):σ=a +b |T |=-0.195+0.370|T |(1)2)冻土的弹性模量与温度关系。
同样可利用线性方程回归得如下关系式(回归相关系数r =1)[3]:E =a +b |T |=-1.25+6.65|T |(2)试件破坏形态在-8℃～-16℃之间,淤泥质粘土冻土的破坏形态均呈腰鼓形(属塑性破坏)。
温度越高,腰鼓越大。
1.2.2 冻土抗剪强度冻土的抗剪试验采用变角剪方法。
试验得到淤泥质冻土的抗剪强度指标[4]:粘聚力(c )和内摩擦角(φ)与冻结温度的关系。
可见,淤泥质粘土冻结后的粘聚力和内摩擦角与冻结温度的关系也基本呈线性。
由回归分析可分别得到如下:方程:c =a +b |T |=0.185+0.163|T |(3)φ=a +b |T |=14.9+0.42|T |(4)τ=(0.185+0.42|T |)+R ・tg (14.9+0.42|T |)(5)1.3 维护结构的变形特性1.3.1 冻土单轴蠕变经对该淤泥质粘土的冻土单轴蠕变试验发现其蠕变强度的明显下降均在三个月以后,完全可以满足施工要求1.3.2 冻胀和冻融沉陷文中的淤泥质粘土冻结时易膨胀,使周围未冻土区产生变形,随着冻结的进行,地表以冻结区为中心形成斗笠状的隆起,这会使得地基中的土压力增大给基坑造成负荷而且冻土墙解冻时脱水,往往引起原体积收缩,使地层产生下沉,一般冻胀量越大,下沉量也越大。
为此必须考虑抑制冻胀防止冻融沉陷。
可见,抑制冻胀防止冻融下沉是冻结法用于软土深基坑维护,特别是用在建筑物密集地区基坑维护的主要课题。
可实施的抑制冻胀措施有:1)降低冷却温度,增大冻结速度;2)把冻结范围控制在必要的最小限度;3)研究冻结管的布置,使冻结膨胀变形和热的传递方向相一致;4)利用钻孔使地基产生沉降和松动抵消部分变形;5)研究冻土形成的顺序,尽量用横向位移吸收膨胀;6)通过增加孔隙水的粘性,来控制向冻结面的水分迁移量[5]。
1.4 淤泥质粘土在低温与常温下的力学性能比较(见表1)通过表1可以看出,淤泥质粘土冻结以后,其力学性能得到了很大的改善,其中R ,E ,C 增大几十倍甚至上百倍。
表1 淤泥质粘土在低温与常温下力学性能比较土性σ/MPaC /MPaΨ/(°)E /MPa原状土0.04～0.0550.009～0.0128～120.8～2.4冻 土2.67～5.591.45～2.6717～2155～1052 冻结法维护基坑稳定性的经济可行性分析・09・第31卷第22期2005年11月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.31No.22Nov. 2005 文章编号:100926825(2005)2220091202基于MARC 软件的岩体节理裂缝数值模拟收稿日期:2005207226作者简介:彭海军(19762),男,河海大学土木工程学院在读硕士研究生,江苏南京 210098蔡汝铭(19772),男,河海大学在读硕士,助教,淮阴工学院,江苏淮安 223001彭海军 蔡汝铭摘 要:在地下洞室的数值模拟计算分析中,研究的对象主要是岩体,研究方法很多,而有限元方法在实践中是使用最为广泛的,简析了裂缝模拟的基本原理,使用有限元分析程序MARC 模拟裂缝,分析裂缝存在时对洞室结构的各种影响。
关键词:有限元法,数值模拟,岩体裂缝,MARC 中图分类号:TU457文献标识码:A引言地下洞室一般是指由人工开挖或生产活动在地层中形成的地下空间,其研究的对象主要是岩体,岩体是一种天然形成的复杂的地质介质而非性质单一的材料。
而含有软弱夹层及节理裂缝的岩体又极为常见,因而用有限元分析岩体时模拟裂缝方面显得十分重要,完全模拟这种地质介质难度相当大,在实际的数值模拟过程中,都要进行适当的合理的简化,以方便模拟。
文中用MARC 软件对数值模拟岩体裂缝进行了简化,进而得到合适的计算模型,在此基础上进行计算得出相应的结论。
1 将空间问题简化为平面应变问题由于地下洞室相对于洞室断面来讲往往是很长的,可以认为变形分量和位移分量都不会沿z 轴方向(洞室长度方向)发生变化,所以各点都只会有x 和y 方向的位移而不会有z 方向的位移。
因此可以将空间的数值模拟问题简化为平面应变问题[1]。
如果采用三角形单元划分所需模拟截面,则有限元的计算三大方程可以简单用节点位移{δ}e 参数表达出来。
几何方程:{ε}e =[B ]{δ}e ,本构方程:{σ}e =[D ][B ]{δ}e ,由虚功原理得到的平衡方程:{F}e =[B ]T [D ][B ]tA {δ}e。
其中,{σ}e 和{ε}e分别为单元的应力与应变分量;[D ]为平面应变弹性矩阵;[B ]为位移—应变关系矩阵;t 为单元厚度;A 为单元面积。
则单元劲度矩阵[k ]e =[B ]T [D ][B ]tA 。
根据单元劲度矩阵总装整体劲度矩阵得出结构的平衡方程[K ]{δ}=[R ]。
2 节理裂缝的模拟简化岩体是一种地质介质,在它形成的过程中,大多经历了许多的地质构造活动,这些地质构造运动在地层中形成了一系列的构造形迹,大型的有断层、褶曲等,小型的有节理、断裂、裂缝等,而小型的节理裂缝的宽度几乎接近于零,这时如仍沿用普通的平面单元模拟就会出现困难,目前普遍采用的方法是用goodman 单元模拟节理裂缝。
按平面应力问题考虑,其基本原理如下[2]:假设一种“零宽度矩形节理单元”,如图1所示节理单元图。
底面任一点的位移为:{δ}B =[N ]{U}B ,顶面任一点的位移为:{δ}T =[N ]{U}T , 基坑深度和长度的加大,将大大地增加现有结构的维护难度。
但对冻结法而言,冻结深度的增加,施工的难度并不增大,却相对节省大量的辅助工作量,总造价的增加比例也较小。
由此可见,基坑越深,冻结法施工越具有优越性。
3 结语1)淤泥质粘土冻结后其力学性能得到很大的改善,在一定的条件下可以保证冻土墙的稳定性,使冻土墙成为一种可靠的结构。
2)冻土墙结构形式灵活,同时具备多种加强的措施与绝热保温的方法,还可以与旋喷桩联合使用。
因此,可确保维护结构的安全可靠。
3)淤泥质粘土冻结后具有典型蠕变特性,冻土墙破坏前可允许较大变形,因此在建筑物密集地区,冻土墙应按变形条件设计。
4)冻结法用于软土深基坑在经济上有较大优势,一般当基坑深度H ≥10m ,冻结法在经济上的优越性就很明显了。
5)冻结法用于软土深基坑在技术上是可行的,它可在地下水流速小于临界流速的任何地质条件下使用。
6)对于软土深基坑,冻胀和冻融沉陷不利于冻结法在基坑工程中应用,但可采取文中所述措施抑制冻胀,消除下沉。
参考文献:[1]李永盛.深基坑维护结构的变形、稳定与相邻构筑物的影响[J ].建筑施工,1994,16(4):29238.[2]高大钊.软土地基理论与实践[M ].北京:中国建筑工业出版社,1992.46271.[3]崔托维奇.冻土力学[M ].张长庆,译.北京:科学出版社,1985.902105.[4][日]水下诚一.冻土物理学[M ].王 异,译.长春:吉林科学技术出版社,1985.1812182.[5]杨 平.在含水砂层采用冻结法作深基坑维护壁[J ].建筑施工,1995,17(4):142163.Possibility studies on construction deep softclay foundation pit by freezing methodL I Rui 2fengAbstract :This paper inquircs the possibility of the freezing method in constructing deep softclay foundation pit ,through studing the meehanical properties of frozen mucky soil and the stability of frozen mucky soil retaining wall.A conclusion is reached that under certain circumstances ,it ’s feasible and practicalble to build frozcnsoil walls to maintain the foundation pits.K ey w ords :forzensoil walls ,maintenance ,foundation pit・19・ 第31卷第22期2005年11月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.31No.22Nov. 2005。
