以赵固二矿西风井冻结爆破掘进施工为背景,对爆破作用下冻结管的振动力学响应进行了研究。依据爆炸应力波理论,分析了考虑P波垂直入射时冻结管的力学响应机制。采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件模拟了冻结管受爆炸作用下的振动响应规律:振动波入射冻结管同一截面各测点振动速度相差不大,背爆侧振动速度最大,与P波入射成45°附近处冻结管振动速度较小。拟合出拉应力与振动速度的关系式。结合理论分析与数值模拟,得出冻土爆破时冻结管的安全阈值为64.76cm/s。研究成果可为类似工程爆破设计与振动控制提供参考。

为确定在冻土冻结过程中冻结影响范围与冻结时间的关系,将人工冻土冻结过程拆分为土体表面的热散失和冻结管的冻结2个过程,并以热势能及热势能耗散过程中的平衡方程分析上述关系。为确定冻结管间距的合理取值,引入热势能理论并计算当量热阻,建立在多个冻结管影响下微元体的冻结时间方程,提出一种在多个冻结管作用下冻结影响范围与冻结时间的关系的计算方法及冻结管布置间距的确定方法。通过实例分析了人工冻土厚度的计算方法,以数值模拟方法比较了不同冻结管布置对冻结时间的影响。上述研究成果深化了人工冻土理论研究与实际应用之间的关系。

依托于某地铁车站盾构出洞水平冻结加固工程,利用经验证的模型和计算方法,研究了盐水温度、冻结管间距、冻结管直径和不同土层4大因素对杯型冻土壁温度场的影响。得出了各因素对杯型冻土壁温度场的影响规律:冻结管间距大小对冻结的影响,主要表现为第一阶段相邻冻结管交圈时间的快慢,进而影响整个冻土壁达到设计厚度所需的冻结时间;砂质粉土的温度下降速率比粉质黏土要快,在冻结中前期下降的速率更加明显,后期影响并不显著;单从冻结时间考虑,冻结管内盐水温度越低越好;冻结管直径的增大在冻结前期对土体温度下降速率的影响尤其明显。

人工冻结法施工技术是软土地区隧道施工的一种经济可靠的方法,在上海地区得到了多次成功应用。不过,由于计算理论的不完善,也出现过诸如上海地铁四号线透水的重大工程事故。在冻结法施工过程中,冻土帷幕的温度场分析是非常重要的环节。作者对冻土的物理和力学性质作了相关的定性分析。通过相关的研究资料和实验数据总结了具有实用意义的单孔和单排孔温度场温度计算理论公式,并运用Ansys有限元软件,结合上海长江隧道工程冻结法施工的相关施工数据,建立了单排冻结孔数值计算模型。通过理论计算值、数值计算值和实际监测信息的比较,得出了单排孔冻结帷幕温度场发展变化的相关规律。

上海地铁一区间隧道因施工联络通道发生工程事故导致隧道坍塌,修复工程中部分采用四排局部垂直冻结形成冻土墙,用于抵挡水土压力和嵌固完好隧道。针对冻结深度深以及冻结土层为扰动的粉质黏土、砂质粉土并承受较高承压水头这些特点,工程中对冻结壁温度场发展进行实时监测。从冻结深度、厚度方向上分析多排局部冻结排内和排外温度发展特征,并分析计算出积极冻结期排内冻土壁交圈时间、发展速度。鉴于目前计算冻土帷幕厚度公式并不适用于计算多排管冻结,引入双排管计算公式,并利用作图法推导出平均温度计算公式。利用这2个公式,分析多排局部冻结冻土壁特征,计算出积极冻结期结束时冻土壁厚度和平均温度,以及整个冻结期排外冻土壁单侧发展厚度和发展速度。

利用冻粘土试件进行了三轴蠕变试验,从而获得了复杂应力状态下的蠕变曲线。根据试验结果,建立了非线性蠕变方程来描述不同温度下冻粘土的蠕变特性。通过回归分析,得到了冻粘土蠕变参数的数值。根据冻土的流变理论,探讨了塑粘区的扩展规律,最后推导出了冻结壁厚度计算公式。同时,又进一步探讨了防止冻结管断裂的有效途径。

冻土爆破施工，既要提高施工速度，又要保证冻结管的安全。本文给出了冻结管的破坏准则即爆破震动破坏准则、强度准则和变形破坏准则，对冻结管安全性检验具有一定的参考作用