（岩土工程专业论文）人工冻结法和高真空击密法软基处理机理及工程应用研究.pdf

摘要 本论文主要对属于临时地基处理的人工冻结法和属于永久地基处理的高真空 击密法这两种软地基处理方法的原理及工程应用情况进行了论述。 由于城市地面交通空间的相对减少，目前各大城市建造地铁的趋势越来越明 显，规模也越来越大，加之大部分地铁隧道都要穿过较差的软地层，为了不影响 地面交通与建筑物的正常运营，对软地基处理方法的要求越来越高，人工冻结法 作为一种比较成熟的软地基处理方法，而今越来越多地从矿山工程逐渐转向了市 政地铁隧道、联络通道以及联络通道和泵站的施工上来，由于建造这些结构所需 形成的冻土帷幕形状及周围情况比较复杂，采用平面应变或解析的方法很难综合 考虑各种影响因素，必须借助数值工具，f l a c 3 d 擅长模拟各类岩土工程问题，目 前已成为分析岩土工程三维问题的常用方法，本文将其应用于人工冻结法隧道施 工模拟分析。首先对目的人工冻结法的研究与应用现状作了总结，然后阐述了冻 土特性及f l a c 3 d 模型进行了阐述，最后采用f l a c 3 d 对于人工冻结法施工的隧道、 联络通道及联络通道和泵站三个实际工程进行了仿真模拟。通过对冻结法形成的 冻土帷幕应力与变形的分析得出几点结论：其一假设冻土帷幕为一1 0 0 c 的等温体并 采用m o h r - c o u l o m b 模型进行模拟目前基本可以满足工程应用需要；其二模拟实现 了人工冻结法隧道边丌挖边支护施工，沿隧道方向的变形曲线明显反映了这一施 工力学过程，而最大沉降与隆起位移总是出现在工作面附近，随着开挖与支护的 进行不断向前发展；其三模拟结果认为联络通道及联络通道和泵站冻结帷幕与原 隧道的接触部位是冻结帷幕的最薄弱环节。应力图显示该处易产生应力集中，且 主应力、剪应力均最大，另外由于该处与隧道管片接触，通风条件好，冷量损失 快，使该处的冻结效果在施工中最不易保证，这一点必须予以高度重视。 由于土地资源的有限性，使得现在国内许多沿海沿江省市通过填海( 江) 手段造 陆，特别是东南部沿海地区、海河流域、环渤海湾等地区吹填造陆工程量非常之 大，对国内地基处理工程界来说既是机会也是考验。高真空击密法是利用土体的 压实原理和压力差排水原理，通过高真空排水和强夯击密两道工序交替进行，逐 i 步降低土体含水量、提高土体密实度，最终达到提高地基承载力和减小工后沉降 目的的一种软地基处理新方法。本文首先阐述了高真空击密法目前初步得出的压 力差主动排水、硬壳层及下卧层不留人为排水通道机理。所谓压力差主动排水机 理是指强夯所激发出的超孔隙水压力( 正值) 与高真空排水时的负压力( 负值) 在地层 中形成了较高的压力差，迫使土体在常规真空情况下难以排出的孔隙水( 甚至部分 弱结合水) 得以排出，从而大大提高了排水效果，另外由于超孔隙水压力较快排出， 从而缩短了两次强夯的时间间隔。然后在叙述机理的基础上对高真空击密法在两 个典型的软地基处理工程的应用情况作了讨论。通过研究得出了几点结论：其一 高真空击密法扩大了强夯的使用范围，使其可以涉足某些饱和软粘土地基特别是 长江三角洲流域：其二由于采用了压力差主动排水方式，大大提高了地基处理效 率，使处理工期大大缩短：其三在一定厚度填土条件下人为形成的硬壳层对于附 加应力的扩散和减小工后沉降有一定积极作用。高真空击密法目前虽然作为一种 新的软地基处理方法已经在许多地区有所应用，对于某些软地基处理效果也颇为 明显，但目前对其加固机理的研究还不够深入，特别是对工后沉降的控制作用一 直是人们争论的焦点，高真空击密法所提出的人为形成的硬壳层和下卧层不留排 水通道原理虽然在某些工程中对于控制工后沉降也起到了一定作用，但由于没有 较深入的理论支持目自 尚不能使人们认同，因此高真空击密法地基处理原理还需 进一步深入研究。 文章最后对关于f l a c 3 d 前后处理所开发的两个实用软件进行了介绍，a t f 2 0 可以方便地将a n s y s 建立的复杂模型转化为f l a c 3 0 格式，弥补了f l a c 3 d 建模 麻烦的不足；p d p 1 0 可以按照需要自动生成f i s h 语言文件，运行f l a c 3 d 打开该 文件就可以产生所需的变量值，从而大大提高了编程与数值分析效率。 关键词：人工冻结法冻结帷幕数值模拟f l a c 3 d 高真空击密法改进强夯法压 力差主动排水硬壳层充水预压 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ep r i n c i p l e sa n da p p l i c a t i o n si ne n g i n e e r i n go ft w o m e t h o d so fs o i l i m p r o v e m e n t ，w h i c h a r et h ef r o z e nm e t h o df o rt e m p o r a r ys o i l i m p r o v e m e n ta n dh i g h e rv a c u u mm e t h o df o rp e r m a n e n ts o i li m p r o v e m e n t d u et ot r a f f i cs p a c ed e c r e a s i n gi nt h ec i t y , t h et e n d e n c yo fb u i l d i n gm e t r oi sm o r e a n dm o r ea p p a r e n ti nm a n ym e t r o p o l i s e s c o n s i d e r i n gm a n yt u n n e l so ft h em e t r og o i n g t h r o u g ht h ew o r s es o f ts o i l s ，t h ed e m a n d sf o rt h es o f ts o i li m p r o v e m e n ti sm u c hs t r i c t w i t h o u tt h ei m p a c to fm e t r oc o n s t r u c t i o no nt h et r a f f i co nt h eg r o u n da n dt h eb u i l d i n g s t h ea r t i f i c i a lf r o z e nm e t h o di sv e r ym a t u r ea sas o f ts o i li m p r o v e m e n tm e t h o d t h i s m e t h o dh a sc o n v e n e df r o mm i n i n ge n g i n e e r i n gt om e t r ot u n n e l ，c o n n e c t e da i s l ea n d p u m pr o o mc o n s t r u c t i o n b e c a u s et h es h a p eo f t h ef r o z e ns o i lc u r t a i ni sv e r yc o m p l e x ， i ti sv e r yd i f f i c u l tf o rt h ep l a n es t r a i na n da n a l y t i c a la p p r o a c h e st ot a k ei n t oa c c o u n t m a n yi n f l u e n c ef a c t o r so nt h ef r o z e nc u r t a i n t h et h r e ed i m e n s i o n a lc o d ef l a c 3 di sa c o m m o nt o o li n g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g s o ，t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e s t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r o z e ns o i la n dt h ea p p l i c a t i o no ff l a c 3 d t h e n 。t h ef r o z e ns o i l m e t h o da p p l i e di nt h r e ep r a c t i c a lp r o je c t ss u c h 觞t u n n e l ，c o n n e c t e da i s l ea n dp u m p r o o mi ss i m u l a t e dw i t hf l a c 3 dc o d e l a w so fs t r e s s e sa n dd e f o r m a t i o n so ft h ef r o z e n s o i lc u r t a i na r em a i n l ys t u d i e d n o w a d a y s ，t h et h r e ep r o j c o t sh a v eb e e nc o m p l e t e d b a s e do nt h es u r v e yd a t ai nt h e s ep r o j e c t s ，i fw eo b t a i nr e a s o n a b l ep a r a m e t e r si n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sm a yb ea v a i l a b l e h o w e v e r , t h er e a s o n a b l e c o n s t i t u t i v em o d e l sf o rt h ef r o z e ns o i la n dp h e n o m e n o no fg r o u n ds a g g i n gd u et oi t s m e l t i n gn e e db ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l h i g hv a c u u mm e t h o di st ou s et h ep r i n c i p a l so fi m p a c to fs o i la n dt h ed r a i n i n g w i t ht h ed i f f e r e n c eo ft h ep r e s s u r e ，g r a d u a l l yl o w e r st h ew a t e ri ns o i l st oe n h a n c et h e d e n s i t yo ft h es o i l si no r d e rt og e th i g h e rt h ec a p a b i l i t yo ft h eg r o u n df o u n d a t i o na n d r e d u c et h es e t t l e m e n to fs o i l sb yt h et w os t e p so fh i g hv a c u u md r a i n a g ea n dd y n a m i c i m p a c t i nf a c t ，h i g h v a c u u mi m p a c tm e t h o db e l o n g st or e v i s e dd y n a m i ci m p a c t c o n s o l i d a t i o nm e t h o d t h i sm e t h o dd e c r e a s i n gt h ew a t e ri ns o i l sa v o i d so rr e d u c e st h e p o s s i b i l i t yo fs o i ls p r i n g s c o r r e s p o n d i n g l y , t h eh i 曲d i f f e r e n c ep r e s s u r ec a u s e db yt h e d y n a m i ci m p a c t c o n s o l i d a t i o na n df l a e n e g a t i v e p r e s s u r ec a u s e db yh i 曲v a c u t l l l d r a i n a g e t h em e c h a n i s mo fs o i li m p r o v e m e n ti sf o r m e dw i t hc o m b i n a t i o no ft h eh i 曲 v a c u u md r a ：i n a g ea n dd y n a m i ci m p a c t t h e r ea r em a n yf i l l i n gs o i lp r o j e c t si nm a n y o f f s h o r ep r o v i n c e sa n dc i t i e sd u et ot h el i m i t a t i o no fl a n d h i g hv a c u u mm e t h o da sa n e wm e t h o do fs o i li m p r o v e m e n ti su s e dc o m m o n l yi nm a n ya r e a s t h ee f f e c to ft h i s m e t h o di sa l s ov e r ye f f e c t i v e h o w e v e lt h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo fs o i l i m p r o v e m e n ti sn o te n o u g h t h ep a p e rs t u d i e st h r e ea s p e c t so ft h em e c h a n i s m so f t h e h i g hv a c u u mm e t h o d t h e nt h ea p p l i c a t i o n si n t w ot y p i c a lp r o j e c t sa r ed i s c u s s e d t h e p a r a m e t e r so ft h i sc o n s t r u c t i o na r eg i v e n t h eh i g hv a c u u mm e t h o di ss u m m e du p ， e x t e n d st h es c o p eo ft h en o r m a ld y n a m i cm e t h o db yt h ew a y so fa c t i v e l yd r a i n i n gd u e t ot h ed i f f e r e n c eo fp r e s s u r e f i n a l l y , t h ep r e a n dp o s bp r o c e s s i n gc o d e a t f 2 0 ，p d e 1 0f o rf l a c 3 da r ea l s o i n t r o d u c e d i ti sc o n v e n i e n tt ot r a n s f e rt h em o d e li na n s y st of l a c 3 df o r m a tw i t h a t f 2 0c o m p e n s a t i n gf o rt h em o d e l i n gi nf l a c 3 d p d e1 0c o d ea u t o m a t i c a l l yc r e a t e s f i s hf i l e p d p 1 0c a ne n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fp r o g r a m m i n ga n dn u m e r i c a la n a l y s i s k e y w o r d s ：a r t i f i c i a lf r o z e ns o i lm e t h o d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l a c 3 d ；f r o z e ns o i l c u r t a i n ；h i g h v a c u u md e n s i f i c a t i o n m e t h o d ；r e v i s e dd y n a m i c c o n s o l i d a t i o n ；a c t i v e l yd r a i n i n gw i t ht h ed i f f e r e n c eo fp r e s s u r e ；h a r dc r u s t ； p r e p r e s s u r ew i t ha l l u s i o n i v 第一部分人i ：冻结法软基处理机理及。r 稗应用研究 第一部分 人工冻结法软基处理机理 及工程应用研究 l 前吾 1 前言 人工冻结技术是指采用人工制冷方法将低温冷媒送入具有一定含水量和地下 水流速的软弱地层中，使地层中的水与周围土颗粒发生冻结，从而形成强度高、 弹模大和抗渗性好的冻结壁，在冻结壁的保护下进行内部开挖和永久支护结构施 工的一种特殊地层加固方法。冻结法施工技术是采用人工制冷的方法将含水或流 沙等的不稳定地层冻结，形成具有一定厚度和强度的冻结壁，隔绝地下水与结构 的联系，从而在冻结壁的保护下进行通道开挖和结构施工的一种地层加固方法。 所以，冻结法与搅拌桩、旋喷桩等其他地层加固方法相比具有以下优点：1 对周 围结构形状适应性强：只要冻结孔的布置位置准确，并保持足够的冻结时间，就 可以形成不同形状且均匀性好的冻结壁：2 隔水性能极好：交圈以后冻结壁连续 性好、强度高，因而隔水性能非常之好；3 对地层污染小：由于冻结法只是通过 降低温度来提高原位土体的强度，并不改变地层成份，是一种临时地基处理的物 理方法，因而对地层污染程度很小。 冻结法最初起源于天然冻结，随着人工制冷技术的出现才逐渐用于工程，经 过一百多年来的发展，到今天已经形成了一项专门的工程冻结施工技术。在国外： 1 8 6 2 年英国人在南威尔士的建筑基础施工中。首次采用了人工制冷技术来加固土 壤，从此揭丌了人工冻结法在工程中应用的序幕【1 i ；1 8 8 3 年德国技术人员在阿尔 巴旱德煤矿工程中采用冻结法成功地丌凿了深达百米的竖井筒，并获得了冻结法 丌凿的专利f j l ；1 8 8 6 年瑞典在一个长2 4 m 的人行隧道施工中首次使用了水平冻结 技术【1 1 ；1 9 9 1 年德国在e i s b a c h 河底三个平行隧道施工时出现坍塌，使用了液氮人 工冻结法【2 1 ：1 9 9 4 年在德国d u s s e l d o r f 市中心火车站附近地铁扩展工程中对冻土进 行了室内试验，发现只有土的饱和度达到6 0 以上时，其强度和抗变形性能才能 满足要求【3 1 。 我国首次成功应用人工冻结技术是在1 9 5 5 年歼滦煤矿竖井施工工程中【4 1 ，此 后人工冻结技术就在煤炭系统中推广开来，截止到1 9 9 9 年，我国煤炭系统已用冻 结法建成竖井近5 0 0 个总长度超过7 0 m ，最大冻结深度已达到4 3 5 m ，伴随着竖 2 同济人学博十屙出童占报告 井冻结技术的发展，我国的水平冻结技术和斜井冻结技术也已经取得了很大的成 功。1 9 8 2 年丁德文对人工冻结法中的热力学问题进行了研究，总结了不同冻结期 的数值模型，同时对不同冻结期温度场的计算方法进行了探讨，给出了不同冻结 期的近似解和数值解【5 】；1 9 9 1 年翁家杰采用位移反分析方法并结合冻结壁模型试 验，对冻结壁稳定性问题进行综合研究，并提出用极限应变作为冻土工程稳定性 判据【6 1 ：1 9 9 6 年汪仁和在模型试验基础上，对粘土冻结壁的变形规律进行了较详 细的讨论，并得出了冻结壁井帮最大位移的计算公式【7 】：同年他又把冻结法引进深 基坑支护工程，进行了冻土挡墙稳定性的模型试验研究【8 】：中科院兰州冰川冻土研 究所冻土工程国家重点实验室于1 9 9 6 年开展了液氮人工冻结地基模型实验f 9 1 0 】； 1 9 9 7 年周希圣等结合上海延安东路隧道冻结施工工程，总结了城市中应用冻结技 术遇到的一些特殊问题及相应的技术措施【1 1 】：1 9 9 8 年翁家杰在对延安东路隧道南 线浅复土段冻结加固若干冻土热力参量的监测研究的基础上，对冻结压力、冻结 区地表变形、冻土体分层变形及环境地表变形进行了讨论【1 2 】：2 0 0 2 年汪仁和等采 用a n s y s 对单、双排管冻结下冻结壁的形成及其变化特征进行详细的计算分析， 指出双排管冻结下冻结时间缩短、冻结效率提高并且冻结壁平均温度下降等特性， 并给出了双排管冻结下冻结壁平均温度的简化计算方法【3 1 。目前已经被广泛应用 于以下几个方面：1 特殊地层凿井、基坑和挡土墙加固【1 4 1 ：2 盾构隧道盾构进出 洞周围土体加固；3 地铁、公路隧道联络通道及泵站施i t l 5 】；4 两段隧道地下对 接时土体加固【6 】：5 用于特殊地段工程事故处理或抢险修复等【1 7 】。总之，冻结法 施工技术已经在现代城市地下工程中占有越来越重要的地位并且应用日益广泛。 1 1 竖向冻结技术 竖向冻结技术是指施工竖向( 近似斜向) 冻结孔，最终的冻结壁由多个垂直冻 结柱( 近似斜柱) 交圈连接而成的一种冻结技术。其形式主要有圆形墙、重力式挡 土墙、底部固定式挡土墙和锚拉式直挡土墙等。由于冻结法造价比较高，冻土体 积通常限制在1 5 0 m 3 以内，所以目前在城市地下工程中竖向冻结技术主要用于地 铁( 公路) 隧道盾构施工中盾构进出洞以及隧道施完成后隧道底部泵站周围地层 3 1 前言 的加固，盾构出洞关系到盾构基坑的安全以及盾构后序施工的顺利进行；盾构进 洞关系到已建隧道的安全；而隧道底部建立泵站更是隧道最终成败与否的关键所 在。所有这几种情况不仅要求加固帷幕具有较高的强度，而且对加固帷幕的抗渗 性也非常高。冻结壁的高强度和高抗渗性正是竖向冻结技术最为突出的两个优点， 目前在上海软土地区已经有许多成功案例：大连路过江隧道盾构进出洞、明珠线 一期浦东大道站盾构进出洞、复兴东路双层越江隧道盾构进出洞、翔殷路越江隧 道盾构进出洞以及m 8 线曲阳路站盾构进出洞等。 1 2 水平冻结技术 水平冻结技术是指施工水平向( 近似水平向) 冻结孔，最终的冻结壁由多个水 平冻结柱( 近似斜柱) 交圈连接而成的一种冻结技术。其断面形状主要有圆形、城 门形。目前在城市地下工程中水平向冻结技术主要用于地铁( 公路) 隧道上下行线 之间联络通道的施工中。联络通道是在上下行线两条隧道施工即将完成时或已经 完成后建造的，加固土体与两条隧道必须连成一个与外界周围地层隔绝的整体， 因此其形状是不规则的，这为加固帷幕的施工带来了一定的难度。而冻结法可以 形成均匀、又能适应周围隧道的外观形状并与其紧密联结成一个整体的不规则加 固帷幕，这是其它加固方法所不可替代的。北京地铁热八线复兴门至八王坟的南 隧道，在由东掘进到大北窑车站东侧的隔断门时，隧道顶部遇到了粉细砂层，发 生坍塌，并造成地表沉陷，后采用水平冻结技术获得了成功【i3 】，这是我国首次使 用水平冻结法施工，水平距离为4 5 m 。现在水平冻结法技术几乎已经成为软土地 区隧道联络通道施工中一种特定方法，上海地区的工程案例有很多：大连路过江 隧道近2 5 r n 长的联络通道【1 9 】、复兴东路双层越江隧道上部和下部各两个联络通道， 以及m 8 线双圆盾构黄兴绿地翔殷路区间旁边泵房工程等。 1 3 特殊工程冻结技术 人工冻结法还经常用于一些采用其他方法无法施工或者精度要求比较高的特 殊工程中，例如上海市轨道交通明珠线二期上体馆附近需要从在运营中的地铁一 号线底下成7 7 0 角斜向穿过。其隧道顶面紧靠一号线车站底板，且需要穿过一号线 4 i 司济人学博十斤出站报告 ii i 上体馆车站两侧0 8 m 厚的地下连续墙，施工期间必须保证一号线地铁站和地面立 交桥的j 下常运营，整个穿越段总长大约2 2 6 m 。该工程具有较大的风险性，而且对 施工精度要求高，施工中不仅要保证加固施工的万无一失，而且还要严格控制施 工对地层的扰动。采用其他方法成功率比较低，又不易施工，最终决定采用冻结 法加固地层，并已经取得了成功。另外在特殊地段进行建造隧道而盾构又无法施 工时也常采用冻结法，上海轨道交通四号线修复段中地质情况比较差的一段隧道 及与完好隧道的对接工程就是采用冻结法进行施工。 1 4 工程事故应急处理 冻结法也可以用于处理某些工程事故，广州地铁二号线海珠广场站到公园前 站区间隧道暗挖施工中遇到了硬塑粉质粘土层，地面发生塌陷，后来采用冻结施 工工法才使隧道顺利通过不良地层，并保证了地面建筑物的安全【2 0 l 。对于某些非 常紧急工程常采用直接冻结法( 制冷剂常为液态氮) ，直接冻结法是将液氮溶入酒 精后形成制冷介质，用泵把这种液体泵入地层中的冻结管内，另一端排出已同地 层发生过热交换尾气。这种方法冻结管内温度较低，形成冻土帷幕的速度非常快， 几小时就可以形成强度高、抗渗性好的帷幕。缺点是造价太高，只有在非常紧急 又必须确保安全旱才使用。意大利波太兹的某一输水隧道工程在采有盾构施工过 程中【2 ，当施工到2 6 3 0 m 时，发生了严重涌砂事故，涌入大量泥砂将盾构完全淹 没事故发生后在其它加固方法无法奏效的情况下采用了液氮冻结获得了成功， 同时也付出了较大代价，每立方米土体消耗液氮2 0 0 升。 1 5 存在的问题 在城市地下工程中采用冻结法进行施工通常存在许多问题：其一为冻土模型， 目前在进行冻土结构受力分析时仍然沿用常规的弹性或弹塑性模型，实际上冻土 的强度与变形都是随温度而变化的，简单进行模拟会带来一定误差：其二为冻结 孔布置，目前对于冻结孔布置的依据主要是单孔冻结柱直径，对于平行布孔模式 误差不大，对于发散型模式所带来的差异却是不可忽视的：其三为冻结壁厚度， 一定温度下的冻结壁厚代表着冻土强度，而冻土强度的确定与其模型有关，因此 5 1 前言 冻结壁厚度的确定最终要归结到冻土模型上，这也更要求对冻土模型进行深入研 究：其四为施工前期冻结引起的冻胀现象，冻胀会对附近地下已建结构产生冻胀 力作用，轻则使结构产生变形，重则会导致结构破坏，此外还可能引起地面隆起， 虽然目前可以通过施工卸压孔来减小冻胀力，但是这种方法纯属经验，且不十分 有效；其五是施工完成后冻土融化会产生融沉现象，如果冻土体积过大会引起地 面沉降，最严重的是地面沉降可能导致地面建筑结构的丌裂、地下各种相关管线 变形、开裂等现象，这是绝对不允许的，目前通常采用后期跟踪注浆来控制融沉， 但是与控制地面隆起相似，控制融沉方案也基本上以经验为主：其六是冻结施工 过程管理，就冻结方法本身来说冻结施工工艺已经十分成熟，但是对于城市地下 工程来说，冻结法的难点主要在施工中各个环节的衔接上，任何一个环节出现问 题都可能导致整个工程的失败，例如联络通道施工一般分为以下几个过程：加 固拟建通道四周土体形成加固帷幕：打丌隧道管片：分段开挖加固帷幕内土 体：分段建造通道临时支护以及永久支护：通道建造完成后关闭隧道管片。 在通道建造过程中，从打丌隧道管片时起直到关闭管片，已建隧道就一直面临可 能发生的危险，方案设计和施工管理等任何一个环节的疏忽大意都可能导致已建 隧道发生灾难性的破坏，特别是在饱和软粘土地区施工，上海地铁4 号线黄浦江 底冻结法联络通道就是一个惨痛的教训复兴东路隧道也因为风险太大而取消了 原定建造江中泵站的计划。以上这三方面说明冻结法还有待于进一步深入研究及 加强科学管理。 1 6 本文研究内容 1 ) 针对人工冻结技术在市政隧道工程中的应用，对各种人工冻结技术的研 究现状进行了总结与概括，提出了目前需要解决的问题： 2 ) f l a c 3 d 是对隧道工程问题进行数值分析的有力工具，本文对其数值模拟 过程中进行了详述； 3 ) 采用f l a c 3 d 对采用人工冻结法施工某隧道、某联络通道和某联络通与泵 站在冻结帷幕保护下进行开挖时进行了数值模拟，主要分析了开挖对隧 6 同济大学博十j 斤出站报告 道管片以及冻土帷幕应力与变形的影响，总结了其受力与变形规律，为 设计与施工提供定的依据。 参考文献 【l 】陈瑞杰，程国栋，李述训，郭兴民，朱林楠人工地层冻结应用研究进展和展望【j 】岩土工 程学报，2 0 0 0 ，2 2 ( 1 ) ：4 0 4 4 【2 】2 r e b a nd n e we x p e r i e n c ea n dp r o b l e m sw i t hl i ng r o u n df r e e z i n g i n ：g r o u n d f r e e z i n g r o t t e r d a m ：b a l k e m a , 19 91 【3 】p e t e rj o d a n ，h e i m u th a b u s eo fa r t i f i c i a lg r o u n df r e e z i n gi nt h r e es e c t i o n so ft h ed u s s e l do f s u b w a y i n ：g r o u n df r e e z i n g ，p r o c7i s g f , 19 9 4 【4 】中国矿学院主编特殊凿井【m 】北京：煤炭j 1 ：业出版社，1 9 8 0 【5 】j 德文冻结肇变化的数学模型及其计算 j 】科学通报，1 9 8 2 ( 1 4 ) ：1 4 7 1 1 4 7 3 【6 】翁家杰，张铭冻结肇弹塑性反演分【j 】中国矿业人学学报，1 9 9 1 2 0 ( 1 ) ：3 6 - 4 3 【7 】汗 ：和粘十冻结肇的变形特性与计算( j 】冰川冻十，1 9 9 6 1 8 ( i ) ：4 7 5 2 8 】汀f ：和，郁楚侯，熊声誉，千货i 宁冻十挡墙稳定性的模型试验研究【j 】岩十一l ：程学报， l9 9 6 18 ( 5 ) ：5 2 5 7 9 】c h e nr u i j i e ，z h ul i n n a n o nt h eh e a te x c h a n g eo ff r e e z ep i p ew i t hl i q u i dn i t r o g e ni ng r o u n d f r e e z i n g i n ：i n ts y r u p0 1 1g r o u n df r e e z i n 9 9 7 。r o t t e r d a m ，s w e d e n ：b a l k e m a ，1 9 9 7 。 【1 0 】z h ul i n n a n ，c h e nr u i j i e l a r g e s c a l em o d e lt e s to bt h ea r t i f i c a lf r e e z i n go ff o u n d a t i o nw i t h l i q u i dn i t r o g e n i n ：i n ts y m po ng r o u n df r e e z i n 9 9 7 r o t t e r d a m ，s w e d e n ：b a l k e m a , 19 9 7 【l i 】周希圣张文生，李建平城市软十冻结加同的技术措施【j 】中州煤炭，1 9 9 7 ( 增刊) ： 2 6 2 8 【1 2 】翁家杰群孔冻结冻十加i 前体的虑力与变形【j 】地下_ r ：程与隧道，1 9 9 8 ( 1 ) ：2 - 9 【13 】汗f 。：平，曹荣斌双排管冻结卜冻结温度场形成特征的数值分析【j 】冰川冻土，2 0 0 2 2 4 ( 2 ) ： 1 8 l 一1 8 5 【1 4 】曹光保，周芳冻结法施j l ：软十深基坑的可行性研究【j 】淮南：i ：业学院学艰，2 0 0 0 2 0 ( 2 ) ： 2 3 2 7 【1 5 】陈湘生徐兵壮，汀崇鲜刖冻结法加洲隧道连通道泵站上海地铁i 号线。j 海两路人泵站 冻结l ：稃( j 】建井技术。1 9 9 5 ( 2 ) ：6 8 j6 】上海轨道交通地铁四号线修复i ：稗两端接头冻结法施一：方案2 0 0 4 【1 7 】槎海涛地铁隧道水平冻结壁喷射混凝十性能测试与分析f j 】煤炭科学技术，2 0 0 1 2 9 ( 4 ) ： 1 4 【1 8 】周晓敏，苏立凡，贺长俊，关继发北京地铁隧道水平冻结法施工【j 】岩十j i = 程学报，1 9 9 9 2 l ( 3 ) ：3 1 9 - 3 2 2 【1 9 】武弧军，杨敏，李人勇人连路隧道联络通道冻十帷幕数值分析【j 】岩十力学，2 0 0 5 【2 0 】郭晓江冻结法往广州地铁二号线暗挖隧道中的应用【j 】煤炭j i 一：程，2 0 0 1 ( 1 2 ) ：2 7 2 9 【2 1 】翁家杰，陈明雄冻结技术在城市地下二i ：程中的应用 j 】煤炭科学技术，1 9 9 7 2 5 ( 7 ) ：5 1 5 3 7 同济大学博士后出站报告 2f l a c 3 d 有限差分数值分析软件 2 1f l a c 3 d 有限差分数值分析软件 2 1 1f l a c 3 d 软件简介 f l a c 3 d ( 全称为f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so f c o n t i n u ai n3d i m e n s i o n s ) 是基于拉 格朗同差分法的种显式有限差分三维程序软件【1 1 ，是美国i t a s c ac o n s u l t i n gg r o u p i n c 公司于1 9 8 6 年推出的。目前，该程序已被4 2 个国家的5 0 0 多个用户广泛应用， 应用范围涉及岩土工程、地质工程以及构造地质学和成矿学等领域 2 - 1 s 。我国是在 2 0 世纪9 0 年代初开始引进该软件，主要应用于以岩石和土体为研究对象的岩土工 程学科，尤其在矿山工程和水工结构工程的分析中发挥了较大的作用，而在地质 学方面的应用则是刚刚起步。 f l a c 3 d 是研究三维连续介质达到平衡状态或稳定塑性流动状态时力学行为 的显式有限差分程序，三维快速拉格朗同法的求解使用了离散模型、有限模型和 动念松弛三种计算方法：离散模型方法是连续介质被离散为若干互相连接的六面 体单元，作用力被集中在节点上：有限差分方法是变量关于空间和时间的一阶导 数均用有限差分来近似表达：动态松驰方法是应用质点运动方程求解，通过阻尼 使系统运动衰减至平衡状态。 介质力学依赖于应变的定义、运动定律的基本原理和本构方程。最终的数学 表达是一组关于应力、动态变量( 应变率和速度) 偏微分方程。在给定几何尺寸、材 料特性参数以及边界条件和初始条件下来求解这些偏微分方程。下面对f l a c 3 d 有限差分法的数学模型进行介绍。 2 1 2f l a c 3 d 的数学模型 2 1 2 1 空间导数的有限差分近似 三维快速拉格朗r 法采用了混合离散方法，区域被划分为常应变六面体单元 的集合体，而在计算过程中，程序内部又将每个六面体分为以六面体角点为角点 8 2f l a c 3 d 有限筹分数值分析软件 的常应变四面体的集合体，变量均在四面体上进行计算，六面体单元的应力、应 变取值为其内四面体的体积加权平均。如图2 1 表示某四面体。节点编号为f ( k 1 ，2 ，3 ，4 ) ，第f 面表示与节点f 相对的面，设其内任一点的速率分为二，则可由高 斯公式得： j v - d v = j v ，n j d s ( 2 1 ) 式中：v 一四面体体积： s 一四面体外表面： 聊一外表面的单位法向向量。 对于常应变单元，v i 为线形分布，n i 在每个面上为常量，由式( 2 1 ) 得： 一专善w s n ( 2 2 ) 式中：上标，表示节点l 的变量，( f ) 表示面，的变量。 警j i 4 2 1 。2 。2 运动方程 幽2 1 四面体 三维快速拉格朗同法以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后 通过运动方程在时域内进行求解。节点运动方程可表示为如下形式： 加， f ( t ) i - - - 1 = t 严 ( 2 3 ) a ：f 肌 p ， 式中：e 7 ( f ) 一在t 时刻，节点在i 方向得不平衡力分量，可由虚功原理导1 t i 。 朋一为，节点的集中质量，在分析动态问题是采用实际集中质量，而 9 。i 司济入学博士后出站报告 在分析静态问题时则采用虚拟质量以保证数值稳定，对于每个 四面体，其节点的虚拟质量为： m t ：品m a x 咖s 】2 ，汪1 3 ( 2 4 ) 9 矿 ”7 ， 、7 式中：口= k + 4 3 g ，k 为体积模量，g 为剪切模量，式( 2 4 ) 的前提是时间 步a t = 1 。 任节点的虚拟质量为包含该节点的所有四面体对该节点的贡献之和。 将上式左端用中心差分来近似表示，则可得到： v 量+ 钟y ，一钟争 皿5 ， 2 1 2 3 应变、应力及节点不平衡力 三维快速拉格朗同法由速度来求某一时步的单元应变增量，如下式： a s 矿= 妻h 4 v j , i 】a t ( 2 6 ) 此时，可由本构方程得出应力增量： a c t = h ：，( o r ：，s 盯) + 盯；( 2 7 ) 其中h 为已知的本构方程，盯：为大变形情况下对应力所作的旋转修正： a c r ：“j = 白膻仃酊一盯廿缈幻p ( 2 8 ) 式中：= 寺( 一，) 式( 2 6 ) 至式( 2 8 ) 中的导数可由式( 2 2 ) 近似表达。各时步的应力增量叠加即可得 到总应力，然后即可由虚功原理求出下一时步的节点不平衡力。每个四面体对其 节点不平衡力的贡献可采用式( 2 9 ) 进行计算： p ；= 弘1 ，z y s f ) + i 1 加，y ( 2 9 ) 式中：p 一材料密度； 包一单位质量体积力，任一节点的节点不平衡力为包含该节点的所有四 面体对该节点的贡献之和。 得到节点不平衡力后即可进入下一时步的计算。 2 1 2 4 阻尼力 2f l a c 3 d 有限差分数值分析软件 对静态问题，三维快速拉格朗曰法在式( 2 3 ) 的不平衡力中加入非粘性阻尼以使 系统的振动逐渐衰减直至达到平衡状态( 即不平衡力接近零) 。此时式( 2 3 ) 变为： 盟：丛掣( 2 1 0 ) 一= 一 i ， a t朋。 、 式中：阻尼力为 z ) = 川i f 7 ( t ) l s i g n ( ，j ) ( 2 11 ) 其中：口为阻尼系数，其默认值为0 8 ； i1 ( y 0 ) s i g n ( y ) = o ( y = 0 )( 2 1 2 ) i - l ( j ， 一2 5 ) 和底部( f 下方：x = 0 0 1 ) ；。y = 一3 1 m ；z - - - o - - 一2 5 ) 竖向位移在开挖 过程中的变化情况，其中( a ) 为左侧隧道顶部竖向沉降位移在1 1 3 步丌挖过程中 的变化情况，从中可以清楚地看出，随着开挖的进行沉降位移不断向前推进，近 似呈“弓”字形，这是由于两侧地下连续墙弹性模量高、产生的位移小造成的。 其最大位移值为3 。1 5 c m ；( b ) 为左侧隧道底部竖向隆起位移在1 1 3 步丌挖过程中。 的变化情况，隆起位移也近似呈“弓”字形，与对应沉降位移不同的是所有点处 的隆起位移都是不断增大的，前一步开挖位移线都包含在后一步开挖位移内部， 最大位移为3 0 4 c m ；( c ) 为右侧隧道顶部在1 4 - 2 6 丌挖时的沉降位移曲线，其发展。 与分布情况与( a ) 类似，只是数值稍大，这是由于在左侧隧道开挖时该处土体已经 发生了一定的位移引起的，其最大值为3 1 2 c m ：( d ) 为右侧隧道底部在1 4 2 6 步开 挖过程中竖向位移分布曲线，其发展状况与曲线形状都与( b ) 基本一致，所不同 的也是数值稍大，原因与顶部竖向沉降位移偏大一样，都是由于左侧隧道开挖已 引起一定位移造成的。 2 6 3 人工冻结法软地基处理技术及工程应用 2 5 - 2 0 0 0 1 5 萋0 o ， 晕0 0 0 5 o 0 5 1 隧5 道中心线( 唑1 0 与o ( a ) 左侧( 先挖) 隧道顶部竖向沉降位移 - 2 5 2 5 詈0 0 1 5 皇 鎏o 0 1 0 0 0 5 0 - 2 01 51 0- 5 惑道中心线( m ) ( b ) 左侧( 先挖) 隧道底部