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2021-02-09 22:59 作者:狗博app 点击:

  本文以南京地铁二号线逸仙桥站盾构出洞水平冻结加固工程为依托,应用室内实验、现场实测、理论分析和数值模拟的综合方法,系统研究了人工冻土融沉特性、冻融土体物理力学特性及人工冻土融沉对周围环境的影响规律,并提出了人工冻土融沉的防治措施,主要得到以下结论:

  (1)并非所有土体都产生融沉,只有当土体含水率达到一定界限后才会产生融沉现象,融沉系数随含水率的增大而递增;开敞型冻融时,融沉系数随冷端温度降低而减小;封闭型冻融时,融沉系数随冷端温度降低而增大;非饱和状态下进行封闭型单向冻融时,融沉系数与干密度关系中存在一个临界干密度,临界干密度对应土体最小的融沉系数;当土体在饱和状态下进行封闭型单向冻融时,融沉系数随干密度增加而减小;开敞型单向冻融时,融沉系数随干密度增大而增大;冻融时如果采用融前卸载方式,融沉系数随上部荷载增大呈指数规律减小;冻融时如果采用带载融沉方式,融沉系数随上部荷载增大而增大;在融化过程中如果已有上覆荷载,则最终沉降量比融化后立即施加同样荷载要大;相同条件下开敞型冻融时的融沉系数要大于封闭型冻融时的融沉系数;融化温度只影响融沉速度,对融沉系数的大小没有影响;原状土融沉系数与重塑土融沉系数接近,且原状土融沉系数略小于重塑土融沉系数,用重塑土代替原状土研究人工冻土融沉特性是合理的。

  (2)在试验数据的基础上,采用BP神经网络建立了人工冻土融沉系数预报模型,同时建立了确定南京地区典型土质融沉系数的计算表格。

  (3)粘土冻融后,渗透性增加3-7倍,开敞型冻融对粘土渗透性影响大于封闭型冻融的影响;冻融循环对土体干密度具有双向作用,使松散的低密度土体干密度增大,密实的高密度土体干密度降低;开放系统下干密度冻融后的变化幅度大于封闭系统;原状土冻融后干密度变化幅度小于重塑土。

  (4)原状土冻融后压缩性增大;封闭型冻融时,冷端温度越低,压缩性的变化越大;在相同条件下,开放型冻融比封闭型冻融对融土压缩性的影响更大;融化温度对融土压缩性基本无影响;冻融对不同干密度的重塑粘性土具有双向作用,使松散的低密度土压缩性减小,密实的高密度土压缩性增大;含水率较低时,冻融对粘土压缩性影响较小,随着含水率增加,冻融作用对粘土压缩性的影响逐渐增大。

  (5)黏土冻融后,粘聚力降低,内摩擦角增大;封闭式冻融时,冷端温度越低,内摩擦角变化越大;融化温度对融土的强度影响很小。

  (6)冻结区土体解冻初期温度上升较快,当土体温度升到-1.42℃~0℃之间时,上升速度变缓,进入正温区后土体温度回升速度再次增大;离冻结区较远的非冻结区土体温度一直呈上升趋势,离冻结区较近的土体温度先降后升,离冻结区越远,土体温度变化速度越慢,变化幅度越小;不同位置土体相变时间差别较大,相变时间的长短受初始温度影响

  较小,受位置影响较大,靠近隧道管片的土体相变时间最短;靠近隧道管片和出洞口的冻土融化面推进速度远大于与未冻土接触一侧的冻土融化面推进速度。

  (7)出洞口处混凝土槽壁对土体位移的约束作用非常明显,由人工冻土融沉产生的土体变形具有明显的三维特征;在隧道中轴线上方,随与出洞口距离的增大,地表沉降先增大后减小;地表沉降在横断面上的分布呈近似正态分布曲线,随着与中轴线水平距离的增加,地表沉降逐渐减小,存在明显的曲线反弯点;隧道中心线上方的土体沉降随着深度的增加而增加,沉降槽宽度随着深度增加而减小,向隧道轴线位置处集中;不同深度处,土层的沉降量随与隧道中轴线水平距离的增加而减小。

  (8)解冻过程大致可以分为三个阶段:解冻初期土体升温阶段、相变阶段和正温阶段;导热系数变化对土体升温阶段和相变阶段都有显著影响,随着导热系数的增加,土体升温阶段时间和相变阶段时间都随之大幅度减小;随着比热容的增加,解冻时间延长,但延长的幅度并不是很大,土体升温阶段受比热容的影响比较显著,相变阶段基本不受影响;随着相变潜热的增加,解冻时间有较大幅度的延长,相变潜热变化对解冻初期土体升温阶段基本没有影响,但对相变阶段影响显著;随含水率增加,相变时间大幅延长;当环境温度升高时,土体升温阶段时间和相变阶段时间都相应缩短,土体融化速度加快;在影响融化温度场的各因素中,导热系数的影响最为显著,比热容的影响最小。

  (9)地表最大沉降和最大水平位移随地面超载、隧道外径、冻土壁长度、冻土壁厚度、融沉系数和含水率增大而增大,随覆土厚度增大而减小;地表最大沉降位置始终位于隧道中心线正上方,随覆土厚度增加,与出洞口间的水平距离增大。

  (10)含水率、隧道埋深和冻结帷幕尺寸等因素对由人工冻土融沉引起的地表沉降影响非常显著,可以通过降低冻结区土体中的初始含水率,增加隧道埋深,严格控制冻结帷幕尺寸等措施来减小由融沉引起的地表沉降;地面超载对融沉引起的地表沉降影响不显著,不易通过减小地面超载来控制冻土融沉。

  (11)地表沉降速度随导热系数和环境温度的增加而增加;比热容增加可以使地表沉降速度减缓,但是幅度不大;随着含水率的增加,完成沉降需要的时间大幅度延长;随着渗透系数的增加,完成沉降需要的时间缩短;覆土厚度变化对地表沉降的速度影响较小;融化速度越快,融化结束时的沉降量占总沉降量的比例就越小。

  (12)自然解冻和强制解冻的融化面形式有很大的区别,自然解冻的冻融面从冻结帷幕外围向冻土中心推进,解冻热量主要来自于与隧道管片和混凝土槽壁接触的大气温度,强制解冻主要以冻结管轴面为中心向外扩散,同时也受来自隧道管片、混凝土槽壁和周围土体热量的影响;强制解冻速度远大于自然解冻速度;采用分区强制解冻时,每个分区的温度变化趋势和整体强制解冻基本相同,每个分区的解冻时间基本等于整体强制解冻的时间;整体强制解冻时,地表沉降时间最短,沉降速度最快,沉降速度不均匀;自然融化解冻时,地表沉降时间最长,沉降速度最慢,沉降速度也不均匀;分区强制解冻时,地表沉降时间适中,沉降速度非常均匀;相同注浆量情况下,注浆位置越高,地表抬升效果越明显,但是抬升范围减小;随着注浆位置的升高,地表最大抬升处离由融沉产生的最大沉降处越远,采用融沉注浆防止地表沉降时,注浆位置最好选在冻结区;分区强制解冻、跟踪注浆是防治人工冻土融沉的有效方法。

  (1)通过试验研究,获得了冷端温度、含水率、冻结开放条件、干密度、荷载及融化温度对融沉系数的影响规律;揭示了冻融作用对南京地区淤泥质黏土物理力学性能的影响规律;采用BP神经网络建立了人工冻土融沉系数预报模型。

  (2)研究了土热参数、环境温度、覆土厚度、地面超载、隧道外径、冻土壁尺寸、融沉系数、渗透系数、含水率等因素变化对融化温度场、地层位移场和地表沉降速度的影响规律。

  (3)分析了解冻方式、注浆位置、注浆量和注浆次数对地表沉降的影响规律,指出分区强制解冻、跟踪融沉注浆是防治人工冻土融沉的有效措施。

  由于时间和知识水平的限制以及人工冻土对周围环境影响的复杂性,本文人工冻土融沉对周围环境影响的研究还存在不足和值得商榷的地方,尚有大量科学研究工作需要继续努力。根据本文的研究情况,作者认为在以下方面需要作进一步的研究: (1)本文建立的人工冻土融沉对周围环境影响的三维有限元模型,没有考虑土体后期流变的影响,而对于软土地基而言,由于后期流变引起的沉降在人工冻土融沉引起的地面沉降中占有相当的比例,在这方面还有许多工作有待进一步研究。

  (2)本文人工冻土融沉的防治措施研究采用数值模拟方法,尚需进行相关的试验研究和实际工程应用加以检验,或通过进行大型室内模型试验,提出更科学有效的人工冻土融沉防治措施。

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