工程冻土研究.ppt

工程冻土研究绪论第一章岩土工程冻结法理论 1 1冻结法发展现状 1 2冻结法设计理论 1 3冻结技术理论研究现状第二章松散破碎岩土层的注浆加固理论 2 1岩土层注浆加固技术现状 2 2注浆加固理论研究 2 3注浆工艺及应用技术研究 第三章岩土工程的混凝土帷幕技术理论 3 1地下连续墙的发展 3 2连续墙的设计理论研究 3 3连续墙的施工工艺研究 3 4地下连续墙的施工技术第四章岩土边坡支护的土钉墙技术 4 1土钉墙发展现状 4 2土钉作用机理研究 4 3土钉墙的稳定理论研究 4 4土钉墙的设计与施工技术研究 第五章岩土工程沉井技术理论 5 1沉井法的发展现状 5 2沉井技术设计理论 5 3沉井施工技术研究第六章隧道围岩支护技术理论 6 1隧道围岩松动圈理论 6 2围岩松动圈锚固理论 6 3巷道松动圈支护理论第七章深基坑支护技术理论 7 1深基坑支护结构现状 7 2深基坑支护设计理论研究 7 3支护结构设计计算方法 7 4深基坑支护工程事故分析 第八章复合地基加固技术理论 8 1复合地基作用机理研究 8 2复合地基承载力与变形理论研究 8 3复合地基施工技术研究主要参考书目 1 城市地下工程 陶龙光等 科学出版社 2 地基处理与托换技术 叶书麟等 建筑工业出版社 3 岩土加固实用技术 程良奎等 地震出版社 4 特殊凿井 中国矿大编写 煤炭工业出版社 5 深基坑支护设计与施工 余志成 施文华编著 中国建筑工业出版社6 地基处理与基坑支护工程 黄生根等 中国地质大学出版社 特殊岩土工程技术理论第一章岩土工程冻结法理论 1 1冻结法发展现状1 应用条件及特点 冻结法是岩土工程施工中的一种辅助手段 当遇到涌水 流沙和淤泥等复杂不稳定地质条件时 需要施工地下工程结构 在技术 经济分析比较的基础上 可选用冻结法施工 该方法的特点是技术可靠 安全性高 特别适用于在松散含水表土层的土木工程施工 缺点是准备时间长 设备较多 成本较高 2 应用与发展过程 德国采矿工程师F H Poetsch探索不稳定地层凿井技术 于1880年提出了冻结法凿井的原理 1883年首次应用于凿井工程中并获成功 在日本及欧洲各国的城市地铁等市政工程中都有广泛应用 我国1956开始采用冻结法施工立井井筒 先后建成了尽百个井筒 至今最大冻结深度已达435m 穿过的最大表土深度为374 5m 70年代北京地铁采用了冻结法施工 冻结长度90m 深80m 采用明槽开挖 80年代用于东海拉尔水泥厂上料基坑 凤台淮河大桥主桥墩基础施工 90年代至今 上海地铁 北京地铁和广州地铁 都发展采用水平冻结技术 3 冻结法基本原理 冻结法是在岩土工程开挖之前 用人工制冷的方法将开挖工程周围的岩土层冻结成封闭的冻结圈 壁 以临时加固地层 抵抗地压 隔绝地下水 然后在冻结壁的保护下进行正常施工的一种特殊施工法 首先要打一定数量的冻结孔 孔内安装冻结管或冻结器 冷冻站制出的低温盐水 大约 30 C 经输送干管到各孔内冻结器 再由回路干管返回到冷冻站的盐水箱 低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时 吸收 其周围岩层的热量 使周围岩层冻结 逐渐扩展形成冻结壁 随着盐水循环的进行 冻结壁厚度逐渐增大 直到达到设计厚度和强度为止 图1 1常用一级压缩冻结系统示意图1 氨压缩机 2 油脂分离器 3 冷凝器 4 储氨器 5 关闭阀 6 调节阀 7 氨液分离器 8 蒸发器 9 盐水箱 10 盐水泵 11 供液干管 12 配液圈 13 冻结器 14 集液圈 15 回液干管 16 集油器 17 冷却水泵 18 低压氨管路 积极冻结期 该阶段用设备的最大制冷能力工作 使地层尽快达到冻结厚度和冻结强度 消极冻结期 工程开挖期间称为消极冻结期 由于消极冻结期间只需要维护冻结壁不再扩展 又叫维护冻结期 冻结制冷系统可分为三个循环系统 即氨循环系统 盐水循环系统和冷却水循环系统 实际人工冻结法的原理是 盐水吸收岩层的热 并把这部分热量传给氨 经压缩机作功后 氨又把这部分热量传给冷却水 冷却水把热量带到大自然中去 四 常规冻结法的施工工序A 冻结孔的钻进 目前立井施工 隧道施工 基坑围护等冻结施工主要采用垂直孔 近年的北京和上海地铁施工采用了水平孔冻结技术 冻结孔的施工和一般地质钻孔类似 开孔直径105 200mm 采用泥浆循环并进行偏斜控制 B 冻结管的安装 包括冻结管和供液管的下放和安装 C 制冷站和供冷管道的安装 包括盐水循环系统管路和设备安装 制冷剂 氨或氟利昂 压缩循环系统管路与设备安装 清水循环系统管路和设备安装 供电和控制线路的安装以及保温施工等 D 地层冻结和维护 通过调试 使得各设备达到正常运转指标 便可进入积极冻结期 该阶段要按设计最大制冷量运转 注重冻结壁形成的观测工作 及时预报冻结壁形成情况 冻结壁达到设计要求 进入岩土工程开挖施工阶段 即维护冻结期 此时适当减少供冷 控制冻结壁的发展即可 E 土木开挖工程施工 1 2冻结法设计理论一 冻结壁结构形式首先应根据施工需要选择冻结壁的形式 1 圆形和椭圆形帷幕 选用圆形和椭圆形帷幕 能充分利用冻土墙的抗压承载能力 具有最好的受力性能 经济也较合理 2 直墙和重力坝连续墙 直墙结构受力性能较差 冻土会出现拉应力 一般需要内支撑 重力坝墙在受力方面有改善 承载能力有所提高 但工程量相应较大 需要布置倾斜冻结孔 直墙结构要进行稳定性计算 3 连拱型冻土连续墙 为了克服冻土墙的不利受力条件 将多个圆拱或扁拱排列起来组成冻土连续墙 这样可使墙体中主要出现压应力 同时还可利用未冻土体的自身拱形作用来改善受力情况 二 冻结壁设计参数设计参数有冻土壁厚度 平均温度 布孔参数 冻结时间 上述参数的计算与整个费用优化 工期优化有关 1 根据冻结壁结构和打钻技术水平选取开孔距离 钻孔控制偏斜率 2 根据施工计划和制冷技术和装备水平 初选盐水温度和积极冻结时间 3 根据布孔参数 盐水温度 冻结时间进行温度计算 得出冻结壁厚度和平均温度 4 根据土压力和冻结壁结构验算冻结壁厚度 5 若冻结壁厚度达不到技术要求 则要调整上述冻结参数 反复计算直到技术可靠 费用和工期目标最优 三 冻结方案设计冻结方案大致分以下几种 1 一次冻全深 适应性强 能通过多层含水砂层 其不足是深部冻结壁和浅部冻结壁厚度相差大 要求制冷能力大 2 差异冻结法 如果表土上部为含水丰富的不稳定地层而下部为厚度很大的风化岩层或厚度不大但裂隙发育 涌水量大的基岩时 可以采用差异冻结方案 该方法也称为长短管冻结 3 分期冻结方案 当一次冻结深度很大时 如立井冻结 为了避免使用更多的制冷设备 可将全深分为数段 从上而下依次冻结 叫分期冻结 一般分为上下两段 先冻上段后冻下段 待上段转入消极冻结期时 再冻下段 上段掘砌完后 下段转入消极冻结期 开始掘砌施工 4 局部冻结方案 当施工区域仅某区段有淤泥或富水流沙层时 可考虑采用局部冻结方案 拟采用液氮冻结 设备简单 适用局部处理事故 四 冻结壁及支护结构设计1 作用在冻结壁上的荷载 冻结壁的自重 地层土压力和水压力 作用在支护结构上的荷载 支护结构的自重及其上的设备自重 地层的水 土压力 施工时的冻结压力和吊挂力等 2 荷载的确定 仍是研究课题 目前应用的地压计算公式有以下几种 1 挡土墙理论分层计算公式 p 1h1 2h2 nhn Kn式中 1 2 n 各不同土层的容重 h1 h2 hn 各不同土层的厚度 Kn 某一计算深度的土层水平侧压力系数 经验值为 流砂0 757 松散土层0 526 软地层0 387 弱岩层 f 1 0 164 中硬岩层 f 1 4 0 017 坚硬岩层 f 4 16 0 004 最硬岩层 f 16 20 0 0012 2 悬浮体理论公式 p nhn n hn Kn H式中 1 2 n 地下水位以上各土层的容重 h1 h2 hn 地下水位以上各土层的厚度 1 2 n 位于地下水中各土层的悬浮容重 1 1 为土层颗粒干比重 为土层孔隙比 h1 h2 hn 地下水中各土层的厚度 Kn 计算深度的土层水平侧压力系数 H 计算深处静水位高度 3 重液公式 当地下结构穿过不稳定冲积层含水丰富 砂层较多 则侧压力可按重液公式计算 即 p H 水土混合物的重液比重 一般取1 3 H 计算深处静水位高度 4 冻结压力计算 冻结压力与冻土温度 土层性质和施工工艺等因素有关 目前还不能给出较为精确的荷载数值 岩土开挖后 冻土壁蠕变和支护结构施工时被融化的冻土再度冻结膨胀都会产生冻结压力 根据实测资料 砂层和砂砾土层的冻结压力可达到0 5 1 0MPa 粘土和砂质粘土可达1 5 1 8MPa 钙质粘土可达1 8 2 0MPa 5 吊挂力计算 仅在冻结法凿井施工中计算 由于浇灌井壁时壁后冻土融化 在一定段高内井壁处于吊挂状态 这时井壁与融土间的摩擦力较小 可略去不计 吊挂力计算如下 G AH A 井壁的横截面积 H 吊挂段高度 根据经验和施工条件变化 一般为15 25m 井壁材料的容重 3 冻结壁和支护结构验算确定荷载后 根据冻结壁结构形式确定验算方法 直立围挡结构按冻土墙理论验算 圆形封闭结构按薄壁筒或厚壁筒理论进行验算 一般h r01 10按厚壁圆环计算 1 3冻结技术理论研究现状一 冻土形成机理研究土体是一个多相和多成分混合体系 由水 各种矿物和化合物颗粒 气体等组成 而土中的水又可有自由水 结合水 结晶水三种形态 当降到负温时 土体中的自由水结冰并将土体颗粒胶结在一起形成整体 冻结施工中主要就是冻结自由水 它在地层中含量的多少 直接影响着冷量的消耗 冻结速度和冻土的强度 一般粘土的颗粒小且成片状 其结合水的含量最多 而砂土则次之 至于粗砂 砾石层或裂隙岩层则绝大部分为自由水 因此 粘土的冻结效果最差 冻土强度较低 实验研究表明冻土的形成是一个物理力学过程 土中水结冰的过程可划分为五个过程 1 冷却段 向土体供冷初期 土体逐渐降温到冰点 2 过冷段 土体降温到0 C以下时 自由水尚不结冰 呈现过冷现象 3 突变段 水过冷后 一旦结晶就立即放出结冰潜热出现升温过程 4 冻结段 温度升到接近零度时稳定下来 土体中的水便产生结冰过程 矿物颗粒胶结在一体形成冻土 5 冻土继续冷却 冻土的强度逐渐增大 二 地下水性质对冻结的影响研究1 水中含有一定的盐分时 水溶液的结冰温度就要降低 冻结不太容易 2 土中水的形态与土质结构有关 土体分原状和非原状 原状土中的砂层 砾卵石土层中的水 渗透速度较大 非原状土如回填土质和固结情况较为复杂 3 土中水流速度对土的冻结速度有较大影响 常规的土层冻结的水流速度一般应小于6m day 水流速度与地层的渗透系数和压差成正比 地下水流速度的准确测量仍存在问题 目前主要通过钻孔抽水试验测定 并按下式估算 u k h L k iumax k imax k 1 2 15 1 2 式中u 地下水流速度 m day umax 进入钻孔的地下水最大流速 m day L 产生最大水头的水平距离 m h 水压头 m k 岩层的渗透系数 i 1时等于通过岩层的流速 m day i 水力坡度 imax 最大水力坡度 三 冻土特性的研究国内外都进行了大量实验研究 冻土是由矿物颗粒 冰 未冻水和气体组成的四相体 在外载荷作用下 冻土是一种非弹性材料 其应力 应变关系有明显的流变特性 1 蠕变 2 松弛 3 随作用时间增加 抗破坏强度降低 1 冻胀和融沉问题研究 土体冻结时有时会出现冻胀现象 土体融化时会出现融沉现象 其原因是水结冰时体积要增大9 并有水迁移现象 当土体变形受到约束时就要显现冻胀压力 目前人们把土体冻结膨胀的体积与冻结前体积之比称为冻胀率 显然冻胀力和冻胀率与约束条件有关 把无约束情况下冻土的膨胀称为自由膨胀率 把不使冻土产生体积变形时的冻胀力称为最大冻胀力 土的冻胀和土质 含水量及土质结构有密切的关系 不同土质的结合水含量不同 宏观上表现出来的起始冻胀含水量就不同 像砂土 砾石这样的动水地层 一般不会出现冻胀现象 冻胀现象主要出现在粘土质的冻结过程中 2 研究冻土的应力应变关系 实验表明冻土不同时刻的应力应变曲线可以用幂函数方程表示 Ai m 1 3 Ai称为冻土的可变模量 Mpa 是随时间和温度变化的参数 m为应变强化系数 基本也随时间和温度变化 冻土受力后的变形情况如图1 4所示 首先发生瞬时的弹性和塑性变形 OA段 随后变形速率逐渐减小 进入非稳定的第一蠕变阶段 AB段 在衰减的蠕变过程中 变形速率逐渐降到最小值 变成一常数而进入第二蠕变阶段 即稳定的蠕变阶段 BC段 随着变形的发展 变形速率增加进入第三蠕变阶段 即渐进流变段 CD 最后以土体的破坏而告终 当载荷较小时 变形的发展只出现到第二阶段 即变形的速率逐渐趋于零 当载荷较大时 变形的发展将很快进入到第三阶段 并随即发生材料破坏 3 冻土的强度研究 冻土的强度是指导致破坏和稳定性丧失的某一应力标准 冻土的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种 其影响因素主要有 1 颗粒成分 一般粗颗粒的多呈脆性破坏 粘性冻土多呈塑性破坏 2 冻土温度 冻土温度高多呈塑性破坏 冻土温度低多呈脆性破坏 3 含水量 对于典型冻土 随着含水量的增加通常由脆性破坏过渡到塑性破坏 但含水量进一步增加时 则由塑性破坏过渡到脆性破坏 含土的冰块多呈脆性破坏 4 应变速率 应变速率低多呈塑性破坏 应变速率高多呈脆性破坏 评价冻土蠕变强度一般有两个有意义的强度指标 一是冻土的瞬时强度 即接近于最大值的强度 通常采用极限强度 二是冻土的长期强度极限 或称持久强度 即超过它才能发生蠕变破坏的最小的应力 两种指标差别较大 设计冻土壁时应特别注意 A 冻土单轴抗压强度研究 1 温度是控制冻土强度的主要因素 冻土极限抗压强度 c MPa 按下列方程式确定 中砂 c C1 C2 t 1 2 1 4 粉砂和粘土 c C1 C2t 1 5 式中 C1和C2 根据土壤的孔隙率和温度选取的系数 t 冻结土壤的温度 C 2 土质是影响冻土蠕变强度的重要因素之一 3 密度增大 冻土蠕变强度也增大 冻土的干容重增大 抗压强度增大 4 冻土在较小含水量区间内 其抗压强度随含水量的增加而增加 当含水量继续增加 而土的密度明显减小时强度不再增加 甚至会降低 5 冻土持久抗压强度约为瞬时抗压强度的1 2 1 2 5 B 冻土的单轴抗拉强度 表1 1冻土瞬时抗拉强度岩性含水量 瞬时抗拉强度 Mpa 冻土温度 10 15 20 25砂土22 252 803 434 24 57粘土33 351 852 232 543 03 C 冻土的抗剪强度 试验表明 对于砂土和粘性土 无论是原状土还是非原状土 只要当应力小于9 8Mpa 其冻结后的抗剪强度均可用库仑公式表示 C P tg 1 6 为瞬时剪切强度 P为正压力 C为粘聚力 为内摩擦角 温度是控制冻土抗剪强度的主要因素 无论是砂土 砂砾石土 还是粘性土 一般可用下式表示 C C0sign 0 2 C 1 7 ksign 0 3 C 1 8 式中C0 k为实验参数 土质是影响冻土抗剪强度的重要因素之一 颗粒粗的冻土的抗剪强度要比粘性土高 冻土持久抗剪强度一般为瞬时抗剪强度的1 3 1 6 D 复杂条件的冻土蠕变强度研究工程实践和科学试验都表明 冻土是拉压异性材料 而且围压是冻土蠕变强度和蠕变规律的重要影响因素 试验用土为兰州细砂 试验温度范围为 10 围压范围是1 5MPa 试样含水量为20 干容重为 由试验得出的三轴蠕变曲线如图1 5所示 1 冻土的三轴蠕变过程和单轴蠕变过程一致 2 冻土蠕变强度随围压的增加逐渐增大到某一最大值 而后随围压的继续增加出现下降趋势 3 单轴应力状态下蠕变参数不能直接推算到复杂应力状态下的蠕变参数 必须对各种实验结果数据进行分析确定其参数 图1 5冻土三轴蠕变曲线T 10C 3 1 5Mpa 1 1 3 9 0MPa 2 1 3 8MPa 3 1 3 7 5MPa 4 1 3 7 0MPa 5 1 3 6 5MPa 6 1 3 5 0MPa 4 冻结温度场研究 仍是很好的研究课题 由于土层的多样性 其导热性能具有非均匀各向异性 准确计算温度场的变化十分困难 目前主要采用经验方法估算 施工中常用以下经验公式估算冻结时间 t E 0 55 0 6 V 天 1 10 E 冻结圈厚度 V 冻结速度 在砾石层 35 45mm day 在砂石层 20 25mm day 在粘土层 10 15mm day 5 制冷剂和冷媒剂研究氨是最广泛应用的中温制冷剂 具有强烈刺激性臭味 对人体有害 氨适用于蒸发温度在 65 C以上的大中型活塞式制冷压缩机中 氟利昂在1930年首次制造出来 蒸发温度在 40与 80 C之间 其特点是无毒 无臭 对人体危害最小 无爆炸危险 适用于离心式压缩机 缺点是易于泄露且不易发现 液氮是一种比较理想的制冷剂 无色透明 稍轻于水 无腐蚀 一个大气压下液氮的汽化温度为 195 81 C 蒸发潜热为47 9千卡 公斤 属于深冷制冷剂 主要用于局部冻结 抢险工程 冷媒剂 在制冷技术中 传送冷效应的物质叫冷媒剂 如盐水 空气 氨和各种卤化物均可作为冷媒剂 要求冰点低 热容量大 不腐蚀设备 价格低廉 制冷设备压缩机是把饱和蒸汽氨压缩成为过热蒸汽氨并达到冷凝压力 从而形成氨的循环 冷凝器是制冷系统中的主要热交换设备之一 在冷凝器中进行着制冷剂的冷却及冷凝过程 蒸发器是制冷系统中的另一种热交换器 节流阀的功用是使高压液氨减压到蒸发压力 给液氨创造蒸发条件 因而节流阀又叫减压阀 四 液氮及其冻结原理上世纪60年代液氮制冷剂直接气化制冷修筑地