[2017年整理]工程冻土研究

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1、l工程冻土研究l绪论l第一章 岩土工程冻结法理论l1-1 冻结法发展现状l1-2 冻结法设计理论l1-3 冻结技术理论研究现状l 第二章 松散破碎岩土层的注浆加固理论l2-1岩土层注浆加固技术现状l2-2注浆加固理论研究l2-3注浆工艺及应用技术研究l第三章 岩土工程的混凝土帷幕技术理论l3-1地下连续墙的发展l3-2连续墙的设计理论研究l3-3连续墙的施工工艺研究l3-4 地下连续墙的施工技术l第四章 岩土边坡支护的土钉墙技术l4-1土钉墙发展现状l4-2土钉作用机理研究l4-3土钉墙的稳定理论研究l4-4土钉墙的设计与施工技术研究l第五章 岩土工程沉井技术理论l5-1沉井法的发展现状l5-

2、2沉井技术设计理论l5-3沉井施工技术研究l第六章 隧道围岩支护技术理论l6-1 隧道围岩松动圈理论l6-2 围岩松动圈锚固理论l6-3 巷道松动圈支护理论l第七章 深基坑支护技术理论l7-1 深基坑支护结构现状l7-2 深基坑支护设计理论研究l7-3 支护结构设计计算方法l7-4 深基坑支护工程事故分析l第八章 复合地基加固技术理论l8-1 复合地基作用机理研究l8-2 复合地基承载力与变形理论研究l8-3 复合地基施工技术研究l l主要参考书目：l1. 城市地下工程，陶龙光等，科学出版社；l2. 地基处理与托换技术，叶书麟等，建筑工业出版社；l3. 岩土加固实用技术，程良奎等，地震出版社；

3、l4. 特殊凿井，中国矿大编写，煤炭工业出版社。l5. 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l 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l特殊岩土工程技术理论l第一章 岩土工程冻结法理论l1-1 冻结法发展现状l1应用条件及特点：l 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。l 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。l2应用与发展过程：l 德国采矿工程师F.H

4、.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。l 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。l 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。l 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：l 冻结法是在岩土工程开挖之前，用人工制冷的方法将 开

5、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。l 首先要打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结管或冻结 器。l 冷冻站制出的低温盐水（大约-30C）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。l 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。l 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。l图1-1 常用一级压缩冻结系统示意图l1 氨压缩机；2油脂分离器；3冷凝器；l 4储氨器； 5关闭阀； 6调节阀；l 7氨液分离器

6、；8蒸发器； 9盐水箱；l10盐水泵； 11供液干管；12配液圈；l13冻结器； 14集液圈； 15回液干管；16 集油器； 17冷却水泵；l18低压氨管路 l 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。l 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。l 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。l 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。l四.常规冻结法的施工工

7、序l A.冻结孔的钻进：l 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。l B冻结管的安装：l 包括冻结管和供液管的下放和安装。l C制冷站和供冷管道的安装：l 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。lD地层冻结和维护：l 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

8、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。lE土木开挖工程施工：l1-2 冻结法设计理论l一. 冻结壁结构形式l首先应根据施工需要选择冻结壁的形式。l（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。l（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。l（3）连拱型冻土连续墙。l 为了克服冻土

9、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。l二冻结壁设计参数l 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。l（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；l（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；l（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；l（4）根据土压力和冻结壁结构验算冻结壁厚度；l（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

10、算直到技术可靠、费用和工期目标最优 。l三冻结方案设计l冻结方案大致分以下几种：l 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。l 2差异冻结法：l 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。l3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

11、期，开始掘砌 施工。l 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。l四. 冻结壁及支护结构设计l 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。l 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。l 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：l （1）挡土墙理论分层计算公式：l p=（1h1+ 2h2 + + nhn ）Kn l式中 1、 2 n -各不同土层的容重；l h1、h2 hn -各不同土层的厚度

12、；lKn -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=14) 0.017 ,坚硬岩层(f=416) 0.004,最硬岩层(f=1620) 0.0012.l (2) 悬浮体理论公式:l p=（nhn + n hn ）Kn + Hl式中 1、 2 n -地下水位以上各土层的容重；l h1、h2 hn -地下水位以上各土层的厚度；l 1 、 2 n -位于地下水中各土层的悬浮容 重； =(-1)/(1+ )l 为土层颗粒干比重; 为土层孔隙比;l h1 、h2 hn -地下水中各土层的厚

13、度；lKn -计算深度的土层水平侧压力系数；lH-计算深处静水位高度。l （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= Hl-水土混合物的重液比重，一般取1.3。lH-计算深处静水位高度。l （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。l 根据实测资料，砂层和砂砾土层的冻结压力可达 到0.51.0MPa, 粘土和砂质粘土可达1.51.8MPa, 钙质粘土可达1.82.0MPa。l （5）吊挂

14、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：l G = AH lA-井壁的横截面积；lH-吊挂段高度，根据经验和施工条件变化，一般 为1525m；l-井壁材料的容重。l 3. 冻结壁和支护结构验算l 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。l 一般h/r01/10按厚壁 圆环计算。l1-3 冻结技术理论研究现状l一、冻土形成机理研究l 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

15、组成，而土中的水又可有自由水 ，结合水，结晶水三种形态。l 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。l 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。l 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。l（1）冷却段，向土体供冷初期，土体逐渐降温到冰点 。l（2）过冷段，土体降温到0C以下时，自由水尚不结 冰，呈现过冷现象。l（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。l（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。l（5）冻土继续