在季节冻土环境中使用人工冻结法时,由于季节冻土层与人工冻土共同存在,在前者影响下人工冻土墙的水平位移和制冷能量消耗与无季节冻土层时有显著不同。在改装的试验台上,通过使用水平冻结管形成季节冻土,用竖向冻结管形成冻土墙,施加水平荷载,模拟了6种季节冻土层温度条件下冻土墙的形成与开挖过程,以研究季节冻土层对冻土墙耗能、受力和变形性能的影响。结果显示,与无季节冻土层的情况相比,季节冻土层温度为-12℃时可减小冻土墙水平位移达8.79mm,约占墙体总位移的52%,耗能量可减小40.4%。试验结果证明季节冻土层对冻土墙的影响不容忽视,在工程中应充分考虑季节冻土层的节能效应和变形约束能力。

为了研究季节冻土层对冻土墙温度场的影响,基于相似理论开展了季节冻土层影响下冻土墙温度场模型试验.通过水平冻结管形成季节冻土层,竖向冻结管冻结基坑侧壁土体,进行了6种度条件下季节冻土层温的温度场试验.使用无量纲非线性回归公式对试验结果进行了分析,并推导了季节冻土层作用下冻土墙的厚度扩展速度公式和交圈时间公式.结果表明,季节冻土层温度为-12℃,-3℃和无季节冻土层时冻土墙交圈时间分别为10.2,17.5和21 h,而从交圈到达到设计冻土墙厚度的时间分别为12.8,14.3和24.1 h.说明季节冻土层对减少冻土墙的交圈时间和增加交圈后冻土墙的厚度扩展速度都起到了有利作用.回归系数与季节冻土层温度之间具有明显的规律性,能够合理反应和解释试验现象.

季节冻土层中的地温呈非线性分布,改变了冻土墙形成时的初始温度条件以及形成后的结构形式。有季节冻土条件下形成深6m、厚1.4m的冻土墙较无季节冻土的情况可减少冻结时间15d,减少冷能消耗60%,经济上有极大优势。通过数值模拟,得到了能量消耗与时间关系曲线、冻结管热流密度与深度关系曲线、冻土墙的厚度与时间关系曲线、冻土墙的厚度与深度关系曲线等,可见季节冻土层的存在显著提高了冻土墙的厚度发展速度,减少了冻结时间,降低了冷能消耗。模拟了49种工况,对冻结管直径、冻结管间距、冻结时间、冻土墙平均温度、冻土墙厚度等数据进行了非线性回归分析,得到冻土墙厚度与时间成对数函数关系、平均温度与时间成反比例关系的相关表达式,为人工冻结技术的合理运用和推广提供了理论依据。

研究了在人工冻土墙形成并达稳定温度场分布呈非线性后,基坑开挖并浇注大体积混凝土衬砌时,混凝土水化热对冻土墙温度场及其耦合应力场分布的影响,分析得出了在冻土墙温度场分布改变过程中,其与内衬共同作用应力场的变化规律.内衬混凝土水化热会使其邻近的冻土融化,之后在冻结管冷源的作用下融土又回冻,冻土墙温度场会发生非线性的变化过程;在冻土墙内侧随工况进行自上而下移动的融化区域使围护结构体系的应力场不断的变化,冻土墙内侧所受径向应力增大,内衬的支护作用提高,冻土墙支护性能下降;同时,冻土墙位移趋势加大,内衬支护作用的提高并没有完全遏制冻土墙的位移发展,说明冻土墙是主要的支护结构.

研究了在人工冻土墙形成并达稳定温度场分布呈非线性后 ,基坑开挖并浇注大体积混凝土衬砌时 ,混凝土水化热对人工冻土墙温度场分布的影响 ,分析得出了受影响区域内冻土墙被融化及重新冻结的过程 .在内衬混凝土水化热的作用下 ,冻土墙温度场会发生非线性的变化过程 ,沿径向受影响冻土墙上的不同点 ,温度变化规律是相似的 ;同时 ,在冻结管所提供冷源的作用下 ,解冻的冻土墙部分又会重新冻结 .