随着全球经济不断发展,各种资源需求量的增加使得地表面空间不够利用,于是人类开始了向更深的地下空间进行开发和利用。然而对于深部地下空间的开挖问题,首先要解决的就是在含水层和软弱土层的开挖技术问题。在现代的技术中,人工冻结法因为其本身所具有的优点而备受重视。深部人工冻结法施工中最为重要的一点就是对冻结壁的设计,冻结壁的强度和变形是决定深部人工冻结技术应用的成败关键。本文就人工冻土的基本概念做了叙述,同时还将深部人工冻土和浅部冻土相比较,以更好地说明深部人工冻土的特点,并对于在冻结壁的设计中需要了解的物理力学特性做出了概述。

以K0固结后在受载状态下冻结的冻结土体为研究对象,利用代表土体刚度特征的割线弹性模量,研究了在应变不超过0.5%时,深部人工冻土的刚度随应变发展变化的趋势,分析了造成K0固结后冻结土体杨氏模量与未冻土体杨氏模量较大差异的原因,讨论了冻结温度和初始围压对K0固结后在受载状态下冻结的冻土刚度大小的影响以及对冻土屈服后刚度衰减速度的影响。

本文通过模拟深部人工冻结土体固结、冻结、受力的实际过程,研究了反映冻土变形特性的割线弹性模量在应变不超过0.5%时随应变变化的趋势,讨论了两种不同土质、加载卸载、冻结温度和初始围压对深部冻土割线弹性模量的影响以及对冻土屈服后割线弹性模量衰减速率的影响,得出以下结论:深部冻土应力-应变曲线的弹性变形范围约为0.05%左右,且不受土质类型、加载卸载、冻结温度和初始围压的影响;但深部冻土的抗变形能力、冻土屈服后其抵抗变形能力的衰减速率强烈的依赖于土质类型、加载卸载、冻结温度和初始围压的高低,研究表明屈服前提高冻土抗变形能力的诸因素在冻土发生屈服后,都将加快冻土抗变形能力衰减的速率。

通过对经历K0固结后再冻结的冻结兰州黄土进行三轴压缩试验,分析了K0固结后冻土在轴向加载直至破坏过程中的应力-应变行为,并利用Duncan-Chang双曲线模型研究了K0固结后冻土的初始切线模量和偏主应力最大值与围压、温度的关系。结果发现:围压和温度的变化是影响深部冻土抵抗变形能力的主要因素;初始切线模量随围压的升高而线性增大,但受温度影响不太明显;当温度恒定时,偏主应力最大值随围压的升高而线性增大;当围压恒定时,偏主应力最大值又随温度的降低而增高。最后,对模型预测曲线与实测曲线进行了对比,验证了应用Duncan-Chang双曲线模型对K0固结后冻结土体在轴向加载直至破坏过程中的应力-应变行为进行预测的可靠性。

通过模拟人工冻结凿井中土体固结、冻结、受力的实际过程,研究了经K0固结后兰州冻结黄土在径向卸载状态下的应力-应变行为,并利用试验资料所建立的数学方程研究了K0固结后冻土的初始切线模量Ei和主应力差渐近值(s1-s3)ult与初始围压s3、温度的关系。结果发现,K0固结后再冻结的黄土试样在整个卸载过程中,其特征类似于理想刚塑性应力-应变曲线;初始围压s3的升高和温度的降低都可以使深部冻土抵抗变形的能力增强。因此,当深度一定时,应先考虑深度对强度影响后再选择最优温度来满足此深部土体卸载时的强度要求;初始弹性模量Ei在较低负温、较高初始围压状态下,不随初始围压s3而变化,且趋近于一常数;(s1-s3)ult随初始围压s3的增大而线性增大,在较低初始围压状态下受温度影响较小,随着初始围压的增高,受温度影响逐渐明显;可利用主应力差渐近值(s1-s3)ult与破坏比之间的关系来估算破坏强度的大小。

通过对深部土人工冻土特点的分析 ,指出了开展其力学特性研究的必要性。阐述了以高压K0 固结试验为基础的深部土人工冻土力学特性研究的基本思路及主要研究内容和研究方法 ,并特别指出 ,应深入开展K0 固结时间对深部土人工冻土力学特性试验结果影响的研究。

通过模拟人工冻结凿井中冻土冻结、受力的实际过程 ,对已冻结试样进行不同温度、不同初始围压状态下的减载试验研究 .结果表明 :温度和土层深度是影响深部冻土破坏强度和破坏应变的主要因素 ,当温度不变时 ,破坏强度和破坏应变随初始围压呈线性关系变化 .破坏强度受温度的影响取决于初始围压 ,在低初始围压状态下 ,冻土的破坏强度受温度变化影响不明显 ,但随着初始围压增大即土层深度加深 ,破坏强度受温度的影响也逐渐明显 .破坏应变随温度的降低而逐渐减小 ,且呈双曲线形变化 ,但当温度低于 - 7℃时 ,在不同初始围压下其破坏应变基本不随温度的变化而变化