基坑冻结围护结构土压力环境的数值模拟分析

应用地层人工冻结技术形成冻结围护结构过程中伴随着明显的冻胀效应,赋予了结构侧向土压力新的内容和特点,传统的土压力计算方法不再适用.为了量化确定冻结结构土压力,将人工冻结技术应用于基坑开挖围护的过程抽象为热一应力耦合的非线性应力一应变关系问题.借助于有限单元法,通过冻胀效应改造结构应力场环境的分析,获得冻结围护结构侧向土压力的解答,为提高结构设计的安全性提供可靠的依据.     

单向冻结条件下裂隙岩体冻胀特性试验

单向冻结条件下寒区隧道围岩不均匀冻胀性是产生隧道冻胀力的主要原因之一.为研究寒区隧道含裂隙围岩不均匀冻胀特性,进行了单向冻结条件下裂隙岩体的冻胀试验,分析了裂隙岩体在单向冻结时的冻结过程及变形规律.试验表明,裂隙处冻胀与岩石自身冻胀存在明显差异,裂隙岩体在冻胀过程中表现出明显的不均匀冻胀特性.在裂隙较深的工况下,随裂隙宽度的增加,裂隙法向的线冻胀率增加.对于含裂隙饱和砂岩,岩石自身线冻胀率随冻结温度的降低明显增大,而裂隙法向的线冻胀率明显减小.凝灰岩孔隙率较小,岩体的冻胀变形以裂隙处的冻胀变形为主,岩石自身在低温条件下表现为冷缩.根据试验结果,在岩体不均匀冻胀系数中考虑了裂隙的影响,计算了含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数.裂隙平行于温度梯度方向时,随裂隙宽度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数有所减小.随温度梯度的增加,含裂隙饱和砂岩的不均匀冻胀系数增加,且增幅相比岩石不均匀冻胀系数明显增大.试验初步反映了裂隙岩体的不均匀冻胀特性,为寒区隧道裂隙岩体冻胀变形计算提供了试验依据.     

基于蠕变试验的冻结红砂岩长期强度

人工冻结法以其独特的优势广泛应用于西部建井工程,因此研究岩石在冻结状态下强度特性尤其重要,基于冻结红砂岩蠕变试验,分别通过过渡蠕变法、等时应力-应变法、裂纹损伤应力法、稳态蠕变速率交点法得到冻结砂岩长期强度。结果表明：（1）通过过渡蠕变法可以得到冻结砂岩长期强度的取值范围,约为三轴压缩强度的45~65%左右;（2）体积应变等时曲线簇更加能够体现时间对岩石变形的关系,长期强度约为三轴压缩强度的48%左右;（3）稳态蠕变速率法能够较为简单的确定岩石长期强度,但因其方法本身具有一定的局限性,综合考虑三向蠕变速率,对其改进得到稳态蠕变速率交点法,可以更加精确反映砂岩强度,长期强度约为三轴压缩强度的49%左右;（4）引入裂纹体积应变计算方法,根据其与时间的关系得到裂纹体积应变等时曲线簇,得到的强度值与等时曲线法及其相近,因此裂纹损伤应力法也可作为确定岩石长期强度依据。将冻结红砂岩的长期强度作为监测冻结壁变形的标准,可为评价冻结壁蠕变诱发失稳破坏提供理论支撑和试验依据。     

基于蠕变试验的冻结红砂岩长期强度研究

人工冻结法以其独特的优势广泛应用于西部建井工程,因此研究岩石在冻结状态下强度特性尤其重要,基于冻结红砂岩蠕变试验,分别通过过渡蠕变法、等时应力-应变法、裂纹损伤应力法、稳态蠕变速率交点法得到冻结砂岩长期强度。结果表明:(1)通过过渡蠕变法可以得到冻结砂岩长期强度的取值范围,约为三轴压缩强度的45%～65%;(2)体积应变等时曲线簇更加能够体现时间对岩石变形的关系,长期强度约为三轴压缩强度的48%;(3)稳态蠕变速率法能够较为简单的确定岩石长期强度,但因其方法本身具有一定的局限性,综合考虑三向蠕变速率,对其改进得到稳态蠕变速率交点法,可以更加精确反映砂岩强度,长期强度约为三轴压缩强度的49%;(4)引入裂纹体积应变计算方法,根据其与时间的关系得到裂纹体积应变等时曲线簇,得到的强度值与等时曲线法极其相近,因此裂纹损伤应力法也可作为确定岩石长期强度依据。将冻结红砂岩的长期强度作为监测冻结壁变形的标准,可为评价冻结壁蠕变诱发失稳破坏提供理论支撑和试验依据。     

冻结井筒水文观测孔设计与创新

本文结合以往施工经验，对水文观测孔在施工中常见的问题进行分析并指出了原因，同时还详细介绍了水文观测孔的设计原则与创新点，可为今后类似复杂地层的施工设计提供借鉴。     

浅析深冻结井高标号混凝土的研究

本文结合调查制定了低温环境下C70混凝土的原料配合方案。结合笔者对某煤矿副井井筒冻结法的具体条件的调查,采取了对井壁混凝土支护的一个实验,既完成了该试验在室内的成功,同时也完成了该副井外层井壁支护在工业应用方面的试验。本文介绍了C60～C70高强高性能混凝土在煤矿深立井施工过程中,在工艺以及质量方面的相关控制措施研究和应用表明,低温高强混凝土井壁在深立井冻结法施工中技术上可行,经济上效益显著。     

上海软土冻结加固冻胀防治技术的模拟试验研究

结合上海地铁建设工程实际，采用模拟试验的方法，分别对预留管拔除法和热盐水循环法抑制冻胀的机理、防治冻胀的效果以及影响冻胀的相关因素进行综合分析和试验研究，从而为上海软土冻结加固冻胀的防治提供了理论依据和有关的参考数据。     

冻结条件下岩石强度特性的试验

随着寒区或特殊施工环境条件下基础设施建设的需要,人们越来越发现有必要对冻结岩石力学问题进行深入的研究。以从胡家河矿井筒冻结现场选取煤岩及砂岩2种具有代表性的岩样,在MTS815实验机上进行不同围压及不同温度条件下的单轴及三轴压缩实验,分析煤岩及砂岩在相同围压不同温度条件下及相同温度不同围压条件下的强度特性,并对2种不同岩样的同一性和差异性进行了比较研究,推导了含温度因子的冻结岩石非线性破坏准则。为低温条件下岩石力学特性研究提供参考。     

青藏高原多年冻土冻结强度的影响因素

对青藏高原风火山现场及室内冻胀试验进行分析的基础上,对影响青藏高原多年冻土冻结强度的土温、含水率、土质、基础桩材料等因素进行了分析,得出：土温高于-7℃范围内与负温近似成线形关系,冻结强度随含水率的增加而增大,粗颗粒土冻结强度大于细颗粒土,建筑材料越粗糙,冻结强度越大.     

一维冻结土体冻胀量的水热力耦合计算

在分析冻胀形成原因的基础上，提出了一维条件下土体冻胀量计算的一种算法；该算法考虑了水分迁移、热传导和约束压力之间的耦合作用．根据实测数据进行计算所得结果与现场实测结果吻合较好．     

季节性冰冻地区公路冻害的防治对策

季节性冰冻地区，路面及路基上部的冻胀与翻浆破坏，不仅严重影响着行车的舒适性与通行能力，而且使各种等级公路的使用寿命大大缩短。针对季节性冰冻地区冻胀与翻浆的成因，给出了一些常用的公路冻害防治办法和对策。     

季冻区隧道冻胀力影响因素交互性及敏感性正交试验分析

为探究影响季冻区隧道衬砌冻胀力各个因素的交互性及敏感性,依托承担冬奥会人员转运工作的延崇高速主线翠云山隧道,通过建立ANSYS数值模型,对冻胀率、冻融圈厚度、衬砌弹性模量等冻胀力影响因素进行了正交试验。研究结果表明：(1)考虑各个因素对冻胀力的影响时可只考虑其主效应。(2)融圈厚度、冻胀率、衬砌弹性模量、冻结围岩弹性模量以及未冻结围岩弹性模量均对冻胀力的影响较为显著;各因素敏感性排序为：冻结围岩弹性模量>冻胀率>未冻结围岩弹性模量>冻融圈厚度>衬砌弹性模量。(3)相比于原始参数,实验最优参数各部位冻胀力均有所减小且降幅均超过30%,最小降幅发生在拱顶为34.20%,并据此提出了控制冻胀力的措施,为河北地区季冻区隧道建设提供指导。     

人工湖岸船台桩基础“冻拔”防治措施的提出和实验

论述了切向冻胀应力引起船台桩基础"冻拔"质量问题的作用机理;研究制定的"冻拔"质量问题的工程防治措施应用效果的实验监测。     

水泥预加固-人工冻结联合工法加固地层冻胀特性

为研究采用联合工法施工,能够有效控制土体冻胀位移的施工参数,本文以广州地铁十四号线某联络通道冻结工程为背景,通过有限元软件建立联络通道冻胀位移场三维数值模型,研究了盐水温度和水泥掺量对土体冻胀位移的影响,并计算不同冻结壁厚度下地表冻胀位移量以及联络通道开挖土体的塑性区域,在满足施工安全的前提下,进一步对冻结壁设计参数进行优化,以减小土体冻胀位移。结果表明：采用水泥预加固-人工冻结联合工法施工,当水泥掺量设定为12%,盐水温度控制在-25℃~-31 ℃时,积极冻结末期,地表冻胀位移能够满足工程监测要求;水泥掺量设定为12%,冻结壁厚度设定在1.8m,盐水温度控制在-31 ℃。可见相对于原施工方案,采用联合工法施工,积极冻结末期地表冻胀量减小了73%。     

河流冰盖热力增长的数值模拟

文章基于多相流理论,建立了河流的热力与水力条件耦合的二维河道模型.模型把河流当作大气-冰体-水体的一个耦合系统,考虑了系统中界面的热量交换,并考虑了冰花在冰盖下堆积对冰盖热量交换的影响.在不同的入口冰花浓度、冰盖上表面温度、入口水流速度的工况下,对冰盖的增长进行了模拟分析,获得了冰盖厚度的增长特征与冰盖形成后水体速度场和温度场的分布特征.模拟结果表明:入口冰花浓度越大、冰盖上表面温度越低、入口流速越小,则形成的冰盖厚度越大;断面上的流速越大,水温越低.     

富水砂卵石地层地铁联络通道冻结试验研究

联络通道是地铁区间的重要结构,冻结法凭借封水性好和适应性强等优势成为复杂环境条件下建造联络通道的核心工法。依托北京地铁19号线草桥站~右安门站区间3#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情况,以保证联络通道冻结施工顺利推进。结果表明,盐水去回路温度和测温孔温度均经历快速降温、缓慢降温和持续降温三个阶段,冻结壁外侧温度高于内侧,迎水面侧温度高于背水面侧,应重点关注迎水面冻结壁外侧的交圈情况。泄压孔压力经历保持平稳、压力增长和压力释放三个阶段,冻结28d后,泄压孔压力增长趋缓,冻结壁交圈良好。冻结37d后,测温孔的平均温度均低于-10℃,泄压孔压力降为0MPa,冻结壁已基本不再发展。     

冬季引水明渠冰盖生长的数值模拟

冬季寒区引水明渠的结冰问题会影响河道的运行和管理,文章利用热力和水力耦合的数学模型对不同条件下二维渠道内的冰盖生长进行数值模拟,通过改变水流速度、气温、水深以及风速的大小分析形成的冰盖厚度;根据数值模拟结果,得出了寒区引水明渠冰盖厚度的增长规律与冰盖形成后水流速度场和温度场的分布规律,以及不同因素对渠道结冰的影响程度.     

黏质粉土冻胀过程中水分重分布和密度变化规律

为了探究黏质粉土冻胀过程中水分重分布和密度变化规律,通过4个不同顶板温度条件下黏质粉土的单向冻结试验,采用切层法和计算机断层扫描(CT)对试样冻结前后的分层含水率数据和分层密度数据进行了分析。结果表明:试样冻胀是由水分迁移和初始土样中的水分重分布后在已冻区和冻结缘区域发生相变后体积膨胀所控制的;试样冻胀后已冻区密度减小,未冻区密度增大,与含水率的变化规律相反。整体试样的宏观冻胀包含了已冻区的冻胀作用和未冻区的固结作用。     

冻融循环下含裂隙类岩石冻胀力的力学模型及实验研究

以水泥砂浆类岩石材料为研究对象,结合弹性力学、断裂力学和流体力学相关理论,推导出体积膨胀机制作用下多孔岩石冻胀力计算的理论模型,得出冻胀力和体积模量之间呈正相关的增长方式;对经过冻融循环的含裂隙试件进行单轴压缩实验,分析冻胀力对不同角度裂隙试件的影响,发现冻胀力对0°试件的峰值强度影响最明显,随着裂隙倾角的增加,冻胀力对裂隙试件的峰值强度的影响逐渐减弱。该研究为岩体裂隙中冻胀力的求解提供了一个确切的模型,并通过实验验证了冻胀力模型的可行性,为以后研究裂隙中冻胀力的大小提供了理论依据。