人工地层冻结法作为一种特殊工法,已有近160 a工程应用历史,仍是当前解决地下工程建设所面临"水、软、变形难以预测"3大难题的一种灵活、可靠、绿色技术方案。采用人工制冷方法将地层中的水冻结成冰是地层冻结法核心,但也正是由于维系冻土强度的冰的存在及其特殊性质,人工冻土与冻土结构更具有易变性和敏感性,也使得人工地层冻结法工程应用存在一定风险。基于冻土中水的相变过程及其动态平衡、冻结土体水分迁移、冻土内部联结作用的基本原理,分析了冻土特点及人工地层冻结法工程风险的物理本质,进而结合人工地层冻结法施工流程,从严格设计输入数据可靠关、严把冻结系统各关键环节质量关、严守冻结和开挖全过程安全运行维护关3方面提出了人工地层冻结法工程风险的预控方法与技术,为其在今后地下工程建设中的推广应用提供指引。
人工地层冻结法作为一种特殊工法,已有近160 a工程应用历史,仍是当前解决地下工程建设所面临"水、软、变形难以预测"3大难题的一种灵活、可靠、绿色技术方案。采用人工制冷方法将地层中的水冻结成冰是地层冻结法核心,但也正是由于维系冻土强度的冰的存在及其特殊性质,人工冻土与冻土结构更具有易变性和敏感性,也使得人工地层冻结法工程应用存在一定风险。基于冻土中水的相变过程及其动态平衡、冻结土体水分迁移、冻土内部联结作用的基本原理,分析了冻土特点及人工地层冻结法工程风险的物理本质,进而结合人工地层冻结法施工流程,从严格设计输入数据可靠关、严把冻结系统各关键环节质量关、严守冻结和开挖全过程安全运行维护关3方面提出了人工地层冻结法工程风险的预控方法与技术,为其在今后地下工程建设中的推广应用提供指引。
人工地层冻结法作为一种特殊工法,已有近160 a工程应用历史,仍是当前解决地下工程建设所面临"水、软、变形难以预测"3大难题的一种灵活、可靠、绿色技术方案。采用人工制冷方法将地层中的水冻结成冰是地层冻结法核心,但也正是由于维系冻土强度的冰的存在及其特殊性质,人工冻土与冻土结构更具有易变性和敏感性,也使得人工地层冻结法工程应用存在一定风险。基于冻土中水的相变过程及其动态平衡、冻结土体水分迁移、冻土内部联结作用的基本原理,分析了冻土特点及人工地层冻结法工程风险的物理本质,进而结合人工地层冻结法施工流程,从严格设计输入数据可靠关、严把冻结系统各关键环节质量关、严守冻结和开挖全过程安全运行维护关3方面提出了人工地层冻结法工程风险的预控方法与技术,为其在今后地下工程建设中的推广应用提供指引。
在广义开尔文模型的基础上研究不同温度条件下冻结黏土蠕变模型的优化。通过对冻结黏土分别进行单轴抗压强度和分级加载蠕变试验,得出在统一加载应力下的蠕变随着温度的变化而相应改变的规律。推导广义开尔文模型中并联弹簧的参数与温度的关系建立与温度相关的广义开尔文蠕变模型,并通过遗传算法对模型参数进行优化。对比优化后的模型计算结果与试验结果,发现考虑温度效应的广义开尔文模型能很好地模拟冻结黏土的蠕变规律。
在广义开尔文模型的基础上研究不同温度条件下冻结黏土蠕变模型的优化。通过对冻结黏土分别进行单轴抗压强度和分级加载蠕变试验,得出在统一加载应力下的蠕变随着温度的变化而相应改变的规律。推导广义开尔文模型中并联弹簧的参数与温度的关系建立与温度相关的广义开尔文蠕变模型,并通过遗传算法对模型参数进行优化。对比优化后的模型计算结果与试验结果,发现考虑温度效应的广义开尔文模型能很好地模拟冻结黏土的蠕变规律。
在广义开尔文模型的基础上研究不同温度条件下冻结黏土蠕变模型的优化。通过对冻结黏土分别进行单轴抗压强度和分级加载蠕变试验,得出在统一加载应力下的蠕变随着温度的变化而相应改变的规律。推导广义开尔文模型中并联弹簧的参数与温度的关系建立与温度相关的广义开尔文蠕变模型,并通过遗传算法对模型参数进行优化。对比优化后的模型计算结果与试验结果,发现考虑温度效应的广义开尔文模型能很好地模拟冻结黏土的蠕变规律。
作为冻土的一个重要力学参数,塑性屈服应力受诸多因素制约,如冻土温度、含水率和受力状态等。为探究蠕变对冻土塑性屈服应力的影响,引入融土的一维蠕变模型量化研究冻土蠕变对其塑性屈服应力的影响,以青藏铁路沿线具有代表性的黏土作为研究对象,进行了不同时长的蠕变试验和K0逐级加载试验。试验结果表明,针对融土提出的一维蠕变模型在描述冻土蠕变-卸载-加载过程中有很好的适用性。通过试验对比分析和计算结果得知,塑性屈服应力是初始塑性屈服应力、压缩系数和回弹系数的函数,且其对数与蠕变应变(时间)呈线性关系,这一量化关系能够较好地描述冻土塑性屈服应力与蠕变应变(时间)的发展规律。
准确掌握人工冻土的蠕变特性对控制冻结法施工的安全具有重要意义。目前常用的冻土蠕变本构模型是经验模型和整数阶元件模型,模型中的参数大多缺乏明确的物理意义或者参数繁多。以伯格斯蠕变模型为基础,建立了参数简单且物理意义明确的人工冻土分数阶导数蠕变方程,并给出了模拟退火算法优化模型参数的过程。基于室内蠕变试验结果,分析了温度、加载应力和土质对人工冻土单轴蠕变特性的影响。并将试验结果与本次建立的蠕变模型计算结果进行比较发现,两者吻合良好。研究成果对目前国内外煤矿立井表土层施工中冻土爆破方面的研究、冻结管参数的选取、冻结壁壁厚及冻结温度的设计具有重要的基础作用。
受力历史是影响冻土力学行为的关键因素。引入融土中考虑应力历史的一维蠕变模型并进行了相应修正,使其能够反应温度对冻土蠕变特性的影响,通过不同温度条件下的K0加载试验获取相关模型参数,经过回归分析得到了各参数与温度的函数关系。通过对比试验和模型计算结果表明,修正后得到的冻土一维蠕变模型在预测不同温度条件下土体的蠕变发展规律时具有较好的预测精度。同时,随着施加压力的增大,该模型能够准确描述当外压力超过其历史上所受最大压力时所产生的应变急剧增长现象。因此,该模型可以作为寒区工程稳定性分析和设计的可靠依据。
结合青藏铁路多年冻土区钻孔灌注抗拔桩现场载荷试验,依据场地多年冻土地温实测资料、物理力学参数以及冻土类型,考虑多年冻土蠕变特性,对冻土区钻孔灌注抗拔桩进行非线性有限元分析。桩–土体系有限元分析采用三维十节点四面体等参单元,桩–土相互作用采用面–面接触单元;同时,假定桩–土体系本构模型服从Drucker-Prager屈服准则。通过数值模拟计算结果与抗拔桩现场载荷试验的对比分析,结果表明,考虑冻土蠕变的分析结果与试验值较为接近,不考虑冻土蠕变时,当外载荷较大时桩顶上拔位移的计算值要比试验值小43%左右,但外载荷较小时两种计算结果差别不大。因此,考虑冻土蠕变的分析方法更比较符合多年冻土区钻孔灌注抗拔桩的实际受荷特点。
