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人工地层冻结冻土帷幕形成与解冻规律研究

肖朝昀  
【摘要】: 人工土冻结法(AGF)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城市挖掘、钻凿施工中相邻土体的变形而受到越来越多的重视,已成为地下工程的主要技术手段之一。人工地层冻结是一个随时间变化的动态复杂过程。冻土帷幕的性状受到制冷系统运行状况、地质条件、边界散热、施工工况等诸多因素的影响。冻土性质、冻土帷幕的结构状态都是温度的函数,而冻土帷幕温度场是随时间变化的,因此对冻土帷幕温度场研究具有重要意义。 本文依托上海地铁四号线董家渡段修复工程中采用冻结法施工的江中段垂直冻土墙冻结工程,以及冻结停止后,在现场进行的自然解冻和强制解冻原位试验,通过现场监测、理论分析、数值分析等手段对人工冻结冻土帷幕形成及解冻规律进行研究。本文的主要工作及研究成果有: (1)分析影响土地热物理性质的各种因素,总结前人对未冻土和冻土的导热系数、比热、导温系数、相变潜热计算方法。依据这些公式,给出了上海常见冻结土层热学性质参考值。在没有试验情况下,温度场计算所需的热学参数可通过表中数值根据含水量大小插值求得。 (2)通过对上海地铁四号线江中段垂直冻结信息化监测,较全面揭示了多排管局部冻结冻土帷幕排内和排外发展特征。多排管冻结有利于加强冻结效果;有利于形成较大的冻土壁厚度,局部冻结导致冻土壁在深度方向上呈“凸肚子”形状;多排管冻结有利于形成较低平均温度的冻结壁。实际工程中可利用多排管局部冻结这些特征,对设计施工进行优化。 (3)通过自然解冻和强制解冻原位试验,得出冻土自然解冻和强制解冻温度变化规律。冻土自然解冻速度非常缓慢,强制解冻能显著的加快冻土解冻速度。对于多排管冻结形成的大体积冻土,可利用强制解冻加快冻土解冻速度,达到及时跟踪注浆,更好的控制融沉目的。 (4)根据热平衡原理,冻结管向土体供给的冷量等于冻土帷幕增长所需的冷量,建立了单排管直墙型、多排管直墙型、直墙拱形冻结计算模型。利用所建立的模型,计算出冻结一定厚度冻土需冷量和解冻时间,模型计算值与实测值吻合较好。 (5)利用已建立的单排管直墙型冻结计算模型,详细分析了冻结影响系数取值,冻结管内盐水温度,含水量大小以及冻结管间距对冻结需冷量和冻结时间的影响。 (6)利用热平衡原理,建立了单管强制解冻,单排管强制解冻和多排管强制解冻计算模型。利用已建立的模型,分析单排管和多排管强制解冻一定厚度冻土需热量和解冻时间,分析单、双排管强制解冻速度。 (7)采用解析法和有限差分方法,分析地温对冻土帷幕的作用,得出有限厚度冻土帷幕受地温作用问题不能简化为半无限空间问题来求解的结论。有限厚度冻土帷幕受地温作用,其温度场变化规律为:冻土帷幕内不同位置冻土温度快速上升至相变温度附近;相界面基本以均匀速度由边界向冻土帷幕中心推进,当相界面位置接近冻土帷幕中心时,相界面移动速度加快;解冻完成土体温度缓慢上升,待整个冻土完全解冻完成后,土体内温度上升速度变快。单排管冻结形成的冻土帷幕自然解冻,其解冻时间及解冻速度与厚度大致呈抛物线关系,而多排管冻结形成的冻土帷幕自然解冻,其解冻时间及解冻速度与厚度大致呈线性关系。 (8)利用有限差分方法,分析冻结未停止及冻结停止后边界散热对冻土帷幕作用。在冻结未停止时,由于受边界散热影响,环境温度越高,冻土相界面移动速度越快,冻土厚度减少越多,相界面移动随时间的增长逐渐减慢,最终冻结与边界散热对冻土帷幕作用达到平衡,相界面稳定在一定的位置上。若冻结停止,冻土帷幕受边界散热影响显著,相界面基本以均匀速度移动,直到冻土完全解冻为止。采用在表面敷设如聚苯乙烯泡沫塑料等隔热材料能够减少空气散热对冻土帷幕的影响。 (9)联络通道自然解冻同时受地温及边界散热作用,边界散热对冻土帷幕解冻起主要作用。 (10)利用有限差分方法,分析混凝土水化热对冻土帷幕作用。前三天混凝土内温度急剧上升,之后受冻土帷幕低温和混凝土永久支护边界散热的影响,温度逐渐下降。受混凝土水化热的影响,前三天相界面移动迅速,并且达到最大值,经过几天的稳定后,冻土开始回冻,冻土帷幕回冻速度比较缓慢。分析结果表明,浇注的混凝土始终不会进入负温状态,混凝土不会因为冻土帷幕低温影响遭受冻害。


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