结合一个具体的工程算例,对一种防护网与液氮冻土墙复合基坑的支护结构进行了温度场、位移场和应力场的数值分析,比较了低温盐水冻结和液氮冻结两种情况下温度场演变规律的差异,同时判断了该新型支护结构的安全性,主要得出:液氮冻结形成所需冻土帷幕的时间要比盐水冻结早许多;液氮冻结的冻结效果优于盐水冻结,所形成的冻土帷幕强度比盐水冻结大;计算出来的位移场值均很小;其主应力最小值也都很小,最大值为0.92 MPa;最大剪应力为0.17 Mpa;计算得出拉、压、剪应力值的安全系数均远大于2.由此最终得出的结论为:该工法安全可靠,可为今后类似工程提供重要的参考依据.

为了研究冻土墙形成过程中的非均匀冻胀对冻土墙变形的影响,引入了基于孔隙率变化率的宏观冻胀模型。在分凝势概念的基础上推导了孔隙率变化率的计算公式,对宏观冻胀模型进行了修正,通过试验对模型进行了验证。考虑冻结过程中未冻水含量的改变及由于未冻水含量引起的土体热学力学性质的变化,提出了冻胀变形条件下基坑位移的计算方法。研究结果表明:宏观孔隙率变化率冻胀模型能够合理的反映冻胀现象,可以将其用于预测冻土墙形成过程中的冻胀变形;在冻土墙变形计算中引入冻胀模型更符合工程实际情况。

主要是对冻土的三轴蠕变特性进行分析研究,从而进一步确定具有明显流变特性的平面冻土墙的厚度。通过对冻土的流变特性进行理论分析,建立了冻黏土在复杂应力状态下的对数型蠕变方程。采用"低温箱-三轴压力室"轻型试验设备系统对人工配制的冻黏土试件进行了三轴蠕变试验,获得了冻黏土在复杂应力状态下的蠕变曲线。根据试验结果,对冻黏土的对数型非线性蠕变方程进行回归分析,得到了冻黏土对数型蠕变方程参数的数值。根据冻土流变理论和所建立的蠕变方程,以及平面冻土墙的厚度计算公式,利用Visualc++6.0和Matlab 6.0技术开发了冻土墙厚度计算的计算机应用软件。分析研究了平面冻土墙厚度与跨度、基坑暴露时间、基坑开挖深度的关系。平面冻土墙厚度随时间的延长在短期内具有急速增长的趋势,而后随时间的延长逐渐趋于稳定;平面冻土墙厚度受其跨度的影响较小,但随基坑开挖深度的加深具有逐步增长的趋势;温度对平面冻土墙厚度的影响显著,温度越高,厚度越大,所以,控制温度是平面冻土墙设计中的关键。从而为蠕变变形较大的平面冻土墙的厚度确定提供了依据。

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。

为了确定多排管冻土帷幕的平均温度,进而确定冻土的力学参数和冻土帷幕的承载能力,为冻土帷幕的安全状态作出评价,介绍了基于巴霍尔金解析解的双排管冻土帷幕平均温度模型,并对该方法进行了适当的简化.以此为基础,采用拼接计算的方法,推导得出在多排管冻结下计算直线形冻土帷幕平均温度的一种等效梯形方法.

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。

阐述了人工冻土墙在国内外的研究和应用现状,对冻土墙的厚度、嵌固深度、变形以及可靠度的设计计算从原理上进行了分析,并对人工冻结技术的工程应用进行了展望。

润扬长江公路大桥南汊悬索桥南锚碇基坑深29 m,平面尺寸为69 m×51 m,采用排桩冻土墙围护结构,为解决该结构设计中冻胀力取值难题,进行深基坑排桩冻土墙围护结构冻胀力物模试验研究。首先根据相似理论,推导模拟试验的相似准则;然后,进行模型设计和制作;最后,通过模拟试验,首次得到没有卸压孔时,排桩所受水平冻胀力为0.238 MPa,当在冻土墙外侧施工卸压孔时,排桩所受的水平冻胀力平均值为0.133 MPa。并给出了随着基坑开挖的卸压作用,桩上受到的水平冻胀力呈现减小趋势,最大衰减率达40%。从而为这种新型围护结构的工程应用提供设计依据。

基于冻土的蠕变特性和本构方程,应用FLAC3D程序进行了基坑开挖的数值计算。计算结果表明,基坑开挖暴露时间对其变形有较大的影响;增大冻土墙厚度可以有效的控制基坑的变形量;数值模拟结果为冻土墙设计与施工提供科学的依据。