人工冻结法在地下特殊施工中的冻胀风险引发广泛关注，上覆地表变形可能造成城市道路、建筑结构变形，继而引发破坏，需要对地表及结构变形进行预测。瞄准冻胀的实质是冻土中水分迁移引起的宏观表现，基于Peck公式计算思路，对冻胀引起的上覆地层变形进行公式推导和参数取值，得出适合计算冻胀变形的冻隆公式，以求解冻结过程中上覆地层产生的冻胀量。通过水分迁移试验测定冻结水分迁移速度，推导和归纳冻结外锋面半径经验计算方法，得出冻土体积增加量计算公式。以郑州某冻结工程实测数据，计算土体冻结过程中的水分体积增加率，冻隆公式计算值与实测值接近，满足施工过程中安全评价分析的需求。研究成果可为人工冻结技术在高风险地下工程领域的技术研究应用提供理论基础和计算参考。
为了更加精准地开展人工冻结法设计,以存在冻结管的冻土试件为研究对象,利用冻结管-冻土接触面强度试验数据为条件,建立数值计算模型,对不同工况下的冻土试块的应力分布及其服役性能进行研究。研究结果表明:在所有计算中冻结管-冻土接触面未发生破坏,且冻结管的存在会有效降低冻土试块的最大拉应力;在计算中单冻结管试件最大拉应力比无冻结管试件降低1 1%,双冻结管试件最大拉应力比无冻结管试件降低17%。冻结管对于抗拉性能的提升主要受其布置位置影响,冻结管规格对强化效果的影响相对较小,在设计中可以忽略。最终根据研究结果提出了同时考虑冻土帷幕厚度、平均温度及其内部冻结管布置高度的设计思路。
采用随机介质理论和模型试验方法，基于现场测试数据和文献发表数据，分析了人工冻土冻胀引发地面变形规律和冻胀影响范围。结果表明：(1)随机介质理论计算结果表明人工冻土冻胀引发地面变形曲线是一条高斯型二重积分曲线；(2)物理模型试验得出地面抬升曲线规律与高斯分布拟合度较高，试验地面抬升曲线的高斯分布拟合系数为0.977 47,工程实测数据的高斯分布拟合系数为0.949 32～0.995 53,对文献数据拟合得出拟合系数位于0.954 41～0.983 44;(3)冻结引发地面变形范围为8～10倍冻胀丘宽度。冻结壁为对称结构或拟对称结构时，冻胀引发地面变形曲线可以采用高斯分布进行拟合。该结论可以为人工冻土冻胀引发上部地面变形量计算及影响范围提供设计参考。
为表征冻土地层天然存在的三维空间变异性并阐明冻结帷幕温度特征值演化过程与统计规律，将冻土地层热学参数建模为三维空间随机场，提出用于不规则三维空间随机场离散的四面体单元局部平均法；引进体积坐标变换和高斯数值积分呈现了不规则三维四面体随机场单元协方差矩阵的解析计算方法和数值计算方法；构建考虑冻土地层三维空间变异性的冻结帷幕水热耦合随机分析模型，获得温度特征值动态演化过程与统计规律，讨论表征三维空间变异性的随机场相关结构模式对冻结帷幕温度特征值的影响。结果表明：提出的三维随机场四面体单元离散法能与有限元四面体单元离散法完美结合，随机场网格与有限元网格的对应关系清晰，易于随机有限元程序的编制；冻土地层热学参数的空间变异性对冻结帷幕温度特征值有显著影响，其中导热系数空间变异性影响最为强烈；不同三维随机场相关结构模式对冻结帷幕温度特征值影响程度存在差异，其中三角型模式影响最大，高斯型为中间值，指数型影响最小。
在人工冻结法工程中,关于地下水与冻结温度场的耦合性研究主要着眼于恒定渗流工况,而对突发定渗流工况鲜有研究。为了分析突发定渗流作用下温度场演化规律,基于相似理论建立模型试验系统,开展了单排管冻结模型试验研究,得到了突发定渗流条件下冻结壁及温度场的演化规律。试验结果显示:①突发定渗流速度vs接近恒定渗流条件下极限交圈流速vc时,上、下游未冻区温度随时间呈线性变化,当vs>vc时未冻区温度随时间呈二次函数型变化,vs越大该变化趋势越显著;②随着vs的增大,试验末期冻结壁形态逐步由偏心冻结壁向独立偏心冻土柱过渡。研究表明:①突发定渗流对温度场的作用可划分为未冻区的直接作用和冻土区的间接作用;②基于突发定渗流发生后的冻结壁形态和温度场分布特征,地层冻结过程可划分为:持续扩展、减速扩展、发展抑制、全面损伤4个阶段;③渗流发生前,土体温度梯度呈三角函数分布,渗流发生后,上游温度梯度峰值将会迅速增大,峰值位置向冻土区移动,下游温度梯度逐步趋平。根据上述研究结果发现在...
以冻结法施工为原型,进行了人工冻土地基室内模型试验。通过监测地基模型测点处的温度变化,研究了人工冻土地基的温度场变化规律。将支持向量机与人工鱼群算法相结合,建立一种新的人工冻结温度场预测模型,应用该模型对室内冻结模型试验进行温度场实时预测,为冻结法工程的施工设计提供依据。
随着地下工程的发展,人工冻结法已成为地下工程建设中常用的技术。关于人工冻土在冻结过程中温度场的发展规律以及冻结过程中因为冻胀产生的对周边环境的影响有待于进一步深入的研究。通过室内试验得出了热物理参数随温度场的变化规律,结合天津地铁某联络通道的人工冻土工程,提出并建立了人工冻结过程中考虑热物理参数随温度变化的热–力耦合的数值计算方法,利用该方法计算分析了人工冻结过程中土体的温度场和位移场的发展规律,通过与实测数据对比,证明了该方法的可行性,成果可以指导人工冻土工程的设计与施工。
冻结法施工广泛运用隧道联络通道,而在含盐较高的土层中运用冻结法施工与普通土层则有所不同。本文依托上海长江隧道2#联络通道冻结工程,考虑到含盐土层的影响,对双排管冻结公式进行了修正,得出在高含盐地区的冻土帷幕温度场的形成规律,并计算出冻土帷幕厚度及平均温度等指标,进而指导并确保在这种复杂工程中冻结施工的安全。
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。
通过分析人工冻土的冻胀融沉研究现状,总结了人工冻土冻胀融沉机理及影响因素,并针对冻胀融沉问题,提出了减少和控制冻胀融沉的一些技术措施,以推广人工冻结法在岩土工程中的广泛应用。