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1、 特殊岩土工程技术理论 教学细纲 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
2、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，
3、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
4、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
5、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-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。 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
6、； 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
7、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
8、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
9、 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
10、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
11、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 。
12、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. (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
13、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0.51.0MPa, 粘土和砂质粘土可达 1.51.8MPa, 钙质粘土可达1.82.0MPa。 （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
14、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1525m； -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
