摘要：随着沿海地区越来越多大型跨海、越江工程的出现,人工地层冻结法面临着更加复杂的水文地质环境问题及挑战。依托工程背景,通过典型砂黏组合地层的设计,按照严格相似比,建立了组合地层渗流环境下人工地层冻结法的缩尺模型,分析了软黏土下伏较大渗流砂层的工况下,渗流对上覆冻融敏感软黏土的冻结施工及周围工程环境的影响。试验测定了不同渗流速度下各影响区域内的温度、冻胀力、地表沉降量等参数指标。结果表明下伏砂层渗流速度过大会无法完成冻结,存在临界渗流速度。且渗流工况下软黏土上下冻结帷幕边缘的冻结效果也截然不同,尤其是稳定冻结温度和冻胀力发展模式。渗流直接影响的区域,渗流对软黏土潜热效应的削弱明显,随着渗流速度增大相变平衡时间呈线性减小。综合研究成果为冻结方案优化及施工安全提出了理论性指导意见,并对现场工程可能会遇到的施工质量、隧道安全、环境治理等做出预警建议。

摘要：人工地层冻结法是上海市地铁建设中最常用的加固软黏土地基、止水防渗的重要工法。在人工地层冻结法施工过程中,由于水的冻结膨胀作用,会对地铁隧道、联络通道、周围环境造成较大影响。本文使用COMSOL根据水-热耦合理论针对上海市常见的某地铁人工冻结法施工进行模拟。得到了施工过程对温度场、位移场的影响,从而为今后联络通道冻结法施工提供依据。

摘要：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.

摘要：人工地层冻结法的实施会引起地层的冻胀,为了探究富水砂卵石地层冻胀特性及其对既有结构的扰动,首先阐述了土体冻胀的本质和温度与结构应力应变之间的关系,并依托洛阳轨道交通1号线塔湾站-史家湾站区间联络通道工程建立三维热力耦合数值模型,对砂卵石地层冻结期间的地层冻胀变化和既有隧道变形受力进行了数值计算分析。结果表明:冻结管降温使得冻结管周围地层中的水分冻结,土体体积膨胀,进而使联络通道设计位置上方地表出现隆起,且距联络通道中心的水平距离越近,隆起变形值就越大。地层的冻胀对既有双线隧道造成扰动,隧道结构变形主要表现为拱顶隆起、拱底下沉、靠近联络通道一侧的拱腰向隧道内侧产生横向变形,同时联络通道设计开口位置附近的管片结构出现应力集中现象。在整个冻结过程中,冻结前期设计加固区域地层的降温速率和低温扩散速率较快,地层冻胀效应变化显著,而到冻结后期受冻结范围影响地层冻胀变形和既有隧道变形的增幅均有所减小。

摘要：人工地层冻结技术被广泛应用于地下工程施工中。冻结温度场的计算是人工冻结法理论研究的基础,也是冻结施工设计的重要依据。人工地层冻结施工常使用环形单圈冻结管冻结,而至今尚无关于其温度场的解析解。基于水-热异类相似原理,根据传热过程与地下水流动相似的特点,利用保角映射、汇源反映和势函数叠加原理,类比推导了环形单圈冻结管稳态温度场解析解,并用热学数值模拟方法加以验证,同时提出了简化的解析公式。结果表明,解析解计算结果与数值模拟结果较吻合,其简化公式得到的结果与原解析公式基本一致。在解析公式的基础上,经过简化,反推得到外部冻结壁厚度公式。解析解、简化公式以及厚度公式可为环形单圈冻结施工与设计提供理论的依据与指导。

摘要：采用'卸载状态下冻结壁-周围土体共同作用'力学模型进行立井冻结壁应力和位移分析,推导出冻结壁应力场和位移场的解析公式,得到冻结壁设计厚度与冻结壁状态的关系。在该基础上,导出了冻结壁在不同状态下外载和内表面的位移计算公式。最后,结合工程实例进行了解析公式的应用分析,计算结果与现场监测情况较为吻合。

摘要：人工地层冻结法是沿海地区软黏土进行地层加固的一种常见绿色工法,地下空间开挖的大型及复杂化使目前冻结法面临更加复杂的渗流环境。为此,通过分凝冻胀理论刚性冰模型的三维化推广,建立能考虑水分迁移的热-水-力耦合作用冻胀融沉模型,以模拟复杂渗流环境下的人工冻结工程。基于模型使用COMSOL有限元进行模拟,与同尺寸室内模型试验数据进行对比,验证该模型在复杂渗流环境组合地层(软黏土、粉细砂)冻结中的适用性。模拟结果表明:在组合地层条件下,渗流会削减冻结稳定时冻结帷幕的厚度;当速度大于1.2 m/d时,冻结帷幕将不能达到设计厚度;冻结帷幕靠近渗流边界的一侧冻胀力增长缓慢、冻胀力的最大值较低;渗流致使地表产生不均匀沉降,下游区域的沉降量更大。利用已验证模型对组合地层渗流作用下的冻结法施工进行模拟预测,提出结合组合地层渗流因素的隧道安全冻结法分级标准,为冻结法在沿海更复杂渗流环境下的施工安全与预警提供依据。

摘要：人工地层冻结工法将土体中水变成冰,形成冻土,提高土体自身的承载力,是地下工程理想的加固体与止水帷幕。在高地下水位软土地区,冻结法被广泛应用于盾构进出洞加固工程中,其常见的布管形式有直线排管和圈管两大类。人工冻土帷幕的力学性能与布管形式和温度分布密不可分,因此掌握不同布管形式的温度场分布是冻结工程成功的基础。现在较为流行的方法是将冻结看作准稳态过程,利用稳态公式近似计算温度场分布。对于单排管冻结稳态温度场的解,目前仅有简单布置条件下的解析解,尚无通用的解答形式。基于人工冻结稳态温度场假设,依托Бахолдин单排管模型建立相应稳态温度场的周期形式计算模型,引入狄拉克函数,利用格林函数法获得其解析解的周期表达形式,并外推获得广义单排管冻结稳态温度场解析解的矩阵表达形式;选取1种特殊的布管形式,应用有限元软件进行冻结瞬态数值模拟,检验稳态温度场解析解用于预估瞬态温度场分布的准确性和适用性。结果表明,在单排管冻结前期,由于冻土尚未交圈,冻结管与土体热交换剧烈,解析解与数值计算结果之间存在一定的误差,但总体变化趋势是保持一致的。当冻土发展一段时间后,热交换趋于稳定状态,解析解与数值计算的吻合程度非常高,即该阶段内,利用解析解能较好得预估瞬态温度场分布情况。

摘要：研究目的:在河口三角洲地区使用人工地层冻结法修建越江、跨海隧道等大型工程的联络通道时,常常会遇到孔隙水含盐量高软黏土地层,这不同于以往的小型淡水冻结工程。通过配置不同孔隙水含盐量的重塑软黏土,经过冻融处理后,采用直剪、渗透、压缩、压汞试验的方法探究孔隙水含盐量对冻融软黏土强度、渗透、压缩的特性和孔隙结构的影响,并测定探究冻融时孔隙水中离子浓度变化规律,从而为三角洲地区软黏土孔隙水盐分过渡带的融沉注浆、沉降预测等提供参考依据。研究结论:(1)盐分能增大冻融软黏土的不排水抗剪强度、减小渗透系数、增大压缩模量,且浓度越高,影响程度越大;(2)冻融能使软黏土孔隙水中的Cl^-、Na^+浓度轻微降低;(3)盐分能使得冻融软黏土整体孔径和峰值孔径不同程度地减小;(4)本研究结果有助于沿海越江、跨海等大型冻结工程的施工控制,以及周围工程环境的治理。

摘要：为解决施工过程中冻结温度场难以预测的问题,基于冻结孔实际成孔位置以及土体的热物理参数,并结合测温孔数据,利用COMSOL Multiphysics软件,对临涣煤矿中央风井各层位冻结壁交圈时间及不同月进尺条件下冻结温度场的发展情况进行预测分析。结果表明:该风井不同层位冻结壁的交圈时间介于31~48 d之间,其中-65 m细砂层位冻结壁的交圈时间最短,仅为31 d;-215 m黏土层冻结壁的交圈时间最长,达到48 d。分别以85 m/月和100 m/月的速度掘进,开挖至各个层位时,冻结壁均能交圈,且平均温度均低于-17℃,均能够满足设计要求。