设计冻深计算
季节性冻土地区高铁路基冻深计算方法
季节性冻土地区高铁路基冻深计算方法车殿国【摘要】高速铁路在季节性冻土地区陆续开建和运营,冻土路基的稳定性问题日益突出,而其中路基设计冻深的确定是保证路基稳定的前提.本文提出一种设计冻深的计算方法,依据该方法并由大量实测资料即得到适用性强的经验公式,为季节性冻土地区类似工程的设计施工及路基的稳定性分析提供指导.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2016(038)006【总页数】2页(P121-122)【关键词】季节性冻土;高铁路基;设计冻深;经验公式【作者】车殿国【作者单位】黑龙江省公路勘察设计院,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TU475.2季节性冻土是指冬季冻结而春夏融化的土层，受季节气候影响明显。
我国季节性冻土面积约为514万km2，占国土面积的53.5%[1]。
季节性冻土的冻胀和融沉作用对工程影响非常大，冻结时地层承载力大，解冻时融陷强度低。
因此在季节性冻土地区进行公路、铁路建设时需严格考虑季节性冻土对工程的影响并采取适当的防范措施以保证冻土路基的稳定性。
土体的冻胀将造成公路、铁路线路不平整，甚至影响行车安全，所以设计冻深的合理确定是保证冻土路基稳定的前提[2]。
土的冻结深度是冻结能力的体现，也是决定各种冻土地区工程防冻胀处理措施的主要指标[3]。
目前在季节性冻土地区修建高铁时主要是基于普通铁路设计规范的经验公式进行考虑的，并不完全适用于季节性冻土地区高铁的建设要求。
本文借鉴目前常用的设计冻深确定方法，依据大量的实测资料提出应用于季节性冻土地区的高铁路基设计冻深的确定方法。
1.1 改进的斯蒂芬公式法斯蒂芬公式是目前广泛应用的冻深计算公式，是基于冻深与气温之间相互关系得到的。
最初始的斯蒂芬公式考虑因素过于简单，使得冻深计算精度误差较大，后经多年实践研究，对公式中热量进行修正，提出了改进的斯蒂芬公式：其中，式中，λD为冻土导热系数，kCal·h·°C；tF为年负温平均值，℃；t0为土的冻结温度，℃；ι为负温延续时间，h；ρ为结晶析出热，kCal/kg；wC为土原始含水量；wH为土未冻水量；γg为冻土容重，kg/m3；CD为冻土容积热容量，kCal/m3·℃。
深基坑-冰冻法
③ 采取配重-减压钻进工艺，俗称“吊着打”， 控制钻孔垂直度；根据土质变化，合理选择钻 头及钻进参数，覆盖层用刮刀钻头中速钻进， 基岩用滚刀钻头低速钻进。 ④ 采用JJC-1A检测 仪测量孔径、孔斜等指标，一般在成孔过程中 检测一次，终孔验收检测一次，发现问题及时 解决。 ⑤ 钻进、清孔过程中，保持孔内外水 头差。施工高峰时有19台钻机同时进行钻孔， 65天完成140根钻孔灌注排桩，桩身质量用超 声波脉冲检测法逐根进行检测，全部为A类桩。
底板浇筑前 11 坑外地下水位 1次/天 底板浇筑前 基坑布 设的所有监测点按照上述监测方法和频率，每天可以提 供1500个左右的监测数据，并及时反馈信息，结合现场 实际，及时修改完善设计，正确指导施工。在基坑开挖 第三层时，根据当时监测到第一道水平支撑Z1-1处的轴 力为1050T，超过设计报警值；排桩的位移亦大于设计 计算值的信息后，经过业主、监理、设计单位和施工单 位现场分析，然后请科研单位进行正、反演分析，认为 主要是冻胀力过大引起的，随即采取以下措施，取得了 较好的效果，基坑顺利见岩并成功封底。 ① 恢复原设 计7道水平支撑，加密支撑间距，加大支撑截面尺寸， 并对第二道支撑进行加强处理； ② 在原卸压孔位外侧 施工卸压槽，释放冻胀力。
③ 调节盐水温度，使各监测点温度维持在 平衡状态，控制冻结壁厚度不再扩展，从 而不引起新的冻胀力的产生。 ④ 增加施工 投入，调整施工工艺，加快施工速度，减 少墙体暴露时间。 注：Z1-1、Z2-1分别代表 基坑第一、二道支撑轴力监测值。图7 支撑 轴力监测变化曲线（仅示1#监测断面） 注： 排桩向坑内位移为“—”，向坑外位移为“+”。
2.3.3 冻结帷幕施工 ① 冻结孔、卸压孔施工在 盐水温度、冻结管直径相同的冻结条件下，冻 结帷幕的形成时间与冻结孔开孔间距、钻孔偏 斜率有关，间距越大，冻结帷幕的形成时间就 越长。为了达到冻结帷幕形成时间、厚度基本 一致，必须按照设计孔位进行精确放样，并严 格控制钻孔偏斜率，施工要求第四系覆盖层偏 斜率≯0.3%，基岩层≯0.5%。成孔后采用灯光 或陀螺仪对钻孔进行测斜并绘制钻孔偏斜平面 图，钻孔超出规定偏斜要求需进行纠偏或回填 土重钻等方法处理。
基础工程例题及习题集
e 0.1W A 的条件，作用于基底的力矩最大值不能超过下列何值？（注：W 为基础底面的
抵抗矩，A 为基础底面积）。（06 年试题） 3、边长为 3m 的正方形基础，荷载作用点有基础形心沿 x 轴向右偏心 0.6m，则基础底面的
基底压力分布面积最接近于多少？（06 年试题）
例 5------持力层以及软弱下卧层承载力验算(确定基础底面积)
按 3m 计算； 2、土的重度取值问题（加权重度以及地下水的处理）； 3、能够利用理论公式进行计算承载力的条件；
例 3 ------地基承载力的深宽修正
某混合结构基础埋深 1.5m，基础宽度 4m，场地为均质粘土，重度 17.5 kN m3 ，孔隙
比 e 0.8 ，液性指数 IL 0.78 ,地基承载力特征值 fak 190kPa ，则修正后的地基承载力
某轴心受压基础，相应于荷载效应的标准组合上部结构传来的轴向力 Fk 780kN .地质剖
面如下，试确定基础底面积并验算软弱下卧层。
d 1.2m
Fk
15.7kN/m3
Es 2.6MPa
z 2m 第一步：地基承载力修正
18.6kN/m3 Es 10MPa fak 196kN/m2
ห้องสมุดไป่ตู้
2500 ηd=1.6
1、解：持力层承载力验算：
F F1 F2 G 2000 200 486.7 2686.7kN
M 0 M V h F2 a 1000 200 1.3 200 0.62 1383kN.m
e M 0 1383 0.515m 5.2 0.87m
为多少？ 基础宽度大于 3m，埋深大于 0.5m，所以需要对承载力进行修正。
冻结法施工之冻结参数确定
冻结参数确定教学目标：冻结法施工的冻结参数确定课时：1教学内容：一、冻结法的实质和适用条件1、实质人工冻水成冰，抵抗地压2、适用条件各种不稳定的松散含水层或含水丰富的岩层中二、工作原理1、压缩循环2、水循环3、冷盐水循环三、冻结参数1、表土地压p=0.013Hp: 计算深度处地压，MPaH: 计算深度，m2、冻结壁厚度计算'100m内按第三强度理论计算公式为：按第四强度理论计算公式为：P69D。
＝Dj十2(ηEd十eH)Ed——冻结壁厚度，m；r ——冻结壁内半径，m;p ——计算截面深度处地压，P＝0.013H,MPaH ——计算截面深度，通常取表土深度，m；[σ]——冻土的容许应力，[σ]=σ/K,MPaσ——冻土极限抗压强度，取冻土长时强度，MPa，K——安全系数，一般取K＝2.0~2.5；3、冻结孔布置D2=D1+2*0.55E+2mH式中：D2——冻结孔布置圈直径，mD1——井筒掘进直径，m,E———冻结劈厚度，m,H——冻结孔深度，m,m——钻孔允许偏斜率,当冲积层厚度<300m时,m＝0.2-0.3％I当冲积层厚度＞300m时,M＝0.3-0.35％冻结孔数目采用以下公式计算:N=πD2/lN——冻结孔数目，个D2——冻结孔布置圈直径，贝；l——开孔间距，m冲积层厚度＜300m时，l＝1．2~1．4m，通常取l.3m冲积层厚度＞300m时，l=1．25~1．30M。
4、冻结时间确定冻结壁达到设计厚度时，所需冻结时间T=R/v式中：T——冻结时间，dR——冻结圆柱扩展半径，mmv——冻土扩展速度，mm/d5、冻结能力Q＝KqπdHN式中:K——冷量损失系数，一般K＝1．1~1．2；q——冻结管单位面积导热能力，一般为921~104 rkJ／(m2．h)；d——冻结管外直径，m；H——冻结管深度，m；N——冻结管数目，个．四、小结五、作业80-85m，井直径6m，求D2、Q、T。
A地基基础部分
11版《冬施规程》讲座——A.地基基础部分——修编时间2011-11-27施工过程地基土防冻计算A.1.1 基本计算式(1)防冻材料厚度计算保温材料所需厚度h F按公式(A.1.1-1)计算h F=H/β(A.1.1-1)《规程》式中H——按公式(A.1.1-4)计算的冻深(cm)；β——地基冻结速度与保温材料冻结速度比值的系数，见表和水的)，其值接近于1。
其它保温材料或复盖物的β值可参照公式(A.1.1-2)计算。
β=α·θ(A.1.1-2) 式中：α——被保温地基土种类系数：砂土；轻亚粘土；亚粘土；粘土θ——保温材料热工性能系数；θ=(C·γ/·λ)) (A.1.1-3)λ——保温材料导热系数，W/(m·K;)C——保温材料热容量，kJ/(kg·K)γ——保温材料密度，kg/m3(2)地基土冻结深度H的计算在预计受冻期间内的冻结深度按(1.2.1)式估算(无保温自然状态)。
H=60(4P-P2) (A.1.1-4)式中：H－—冻结深度，cm；P――P=Σzt/1000，Σzt――预计受冻期间的“度天积”总和。
A.1.2 防冻计算类型(1)底板施工类本类型高层或较大型工程基础施工的特点是工序多工期长，一般情况下从挖土到基础底板混凝土浇筑完毕的工序为：①挖土⇒②钎探⇒③混凝土垫层⇒④底板外围防水层保护墙⇒⑤找平层⇒⑥养护⇒⑦防水层⇒⑧保护层⇒⑨养护⇒⑩帮扎底板钢筋⇒○11浇筑底板混凝土。
工期约一个月左右。
为此，对基础应采取防冻措施。
例1：某工程混凝土底板在平均气温为T m,a = -4℃下施工，从开始绑底板钢筋至浇筑混凝土预计t =30d 。
地基土上层为亚粘土，地下水位较高。
施工时采用井点降水方法，降水后水位离坑底约50cm ，为冻胀性土。
问应采取怎样的措施才能防止地基土受冻。
解：由于该工程地下水位较高，即使换成粗颗粒土，由于有充分的补水条件，亦具有较强冻胀性。
第五章 防冻胀设计
（四）渠道防冻层的设计依据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211－98）规定，渠道衬砌结构的抗冻胀稳定性验算应根据渠道的土、水、温的变化情况取地基土的冻胀量作为衬砌结构的冻胀位移量。
该工程的的渠系除过斗渠外，其余大部分渠道为西北——东南向渠道，渠道断面较小，各渠段沿线气象条件一致且地质条件亦相近，因此设计取其中一条渠段为代表，按渠底部位的最大冻胀量进行衬砌结构的抗冻胀设计。
（1）工程区基本资料项目区最低气温在元月份，多年月平均气温在-8.5～-9.5℃，属于寒冷地区。
项目区地下水位埋深1.5～2.5m。
渠道沿线均为壤土，粘粒含量高，属于冻胀性土。
项目区最大冻土层深度67cm。
（2）设计冻深的计算根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211—98）附录B公式计算设计冻深Zｄ：Zｄ＝φƒφｄφｗZ k式中：Zｄ－设计冻深，m；Z k－标准冻深，m；按工程区冻土平均深度0.67m取值；φƒ－冻土年际变化的频率模比系数，根据标准冻土深度值按规范图B.1.1－1查的，4级建筑物按频率为10％的曲线查取，则φƒ＝1.22；φｄ－日照及遮荫程度影响系数，按下式计算：φｄ＝a＋bφi其中：φi－典型断面（N-S，B/H＝1.0，m=1.5）某部位i的日照及遮荫程度修正系数，阴（或阳）面中部的φi由规范图B.1.1－2查得为φi＝1.1，底面中部的φi由图B.1.1－3查得为φi＝1.1；a、b－系数，根据建筑物所在的气候区（根据规范图 B.1.1－4查得本灌区位于南温带），建筑物计算断面的轴线走向、断面形状及计算点位置可分别由表B.1.1－1、表B.1.1－2查取。
本工程渠线大致呈N－S走向，取a、b值边坡分别为0.38和0.62,底部分别为0.32和0.68，则：边坡φｄ＝a＋bφi＝0.38+0.62×1.10=1.062底部φｄ＝a＋bφi＝0.32+0.68×1.10=1.068φｗ－地下水影响系数，按下式计算：φｗ＝（1＋αｅ－Z w0）/（1＋αｅ－Z wi）其中：Z w0－邻近气象台（站）的地下水位深度，m；根据规范规定对于轻壤土、砂壤土，取Z w0＝2.5m。
冻结深度的确定
1.冻结法定义用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的岩土体中的水冻结为冰并与岩土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水，并在冻土墙的保护下，进行地下工程的施工。
冻结法施工自1862年应用于工程实际以来，目前已广泛应用于立井工程、地基基础、基坑稳定、隧道工程和其他岩土工程。
2.冻结方案的选取针对不同水文、地质和工程条件，采用不同冻结方案，以达到最佳经济效益。
实际工程常用冻结方案有：（1）一次冻全深所有冻结孔的深度与最大冻结深度一致，并且全深一次冻结形成冻结壁的冻结方式。
包括单圈管、双圈管和异径管。
一般采用单圈管冻结方案，即只在井筒周围布置一圈冻结管。
当表土厚，要求冻结壁厚、平均温度低时可采用双圈管冻结，即在井筒周围布置两圈冻结管，为加速上部冻结，尽早开挖，可采用上粗下细异径管冻结，上部冻结管吸热面积大，冻结快，下部管吸热面积小，冻结慢。
（2）长短管（差异）冻结方棠长短管冻结，又称“差异冻结”——指冻结管的深度不同，长短管交错布置于一圈上，一次冻结形成冻结壁的冻结方式。
此方案主要用于同时冻结冲积层和含水基岩的情况。
长管超出短管深度的部分主要任务是冻结基岩、封堵地下水，而上部分则与短管共同形成承受水土压力的冻结壁。
（3）分段（分期）冻结方案当冻结深度较大，且水文、工程地质条件比较适宜时，可将整个冻结深度自上而下分为数段，分段冻结形成冻结壁。
这一方案的冻结管布置方式与一次冻全深相同，只是采用不同结构的冻结器来实现分段冻结的目的（4）局部冻结方案当只有局部地层需要冻结时，可采用局部冻结方案3.冻结深度的确定井筒冻结深度应符合下列要求：1.井筒冻结深度必须穿过冲积层、风化带至稳定基岩10m以上，或超过永久支护5-8m；2.基岩涌水量较大时，经论证后，应加深冻结深度；3.根据临近矿井施工经验。
《煤矿冻结法开凿立井工程暂行技术规范-5》(2011版)冻结孔深度应符合下列规定：⑴单圈冻结孔、多圈冻结孔的主冻结孔的深度不应小于井筒冻结深度，深入不透水基岩深度宜按冻结深小于300m为10M；300～400m为10～12m；400～500m为12～14m大于500m为14～18m。
地铁盾构端头冷冻加固设计计算
地铁盾构端头冷冻加固设计计算一、冷冻设计天津市某区间隧道为地下双线单圆盾构隧道，盾构直径6.34m ，隧道外直径6.20m ，隧道内直径5.50m ，管片厚度350mm ，盾构始发位置地面标高+2.42m ，隧道中心标高-21.132m 。
二、地层冻结设计1．冻结壁根据总体设计文件及冻结加固设计要求，垂直冻结立面加固范围为盾构轮廓线外3m ，加固长度为4m ，水平冻结加固范围为盾构轮廓线外3m ，加固区长度为6m 。
对冻结壁厚度进行复核验算。
冻土的相关参数根据天津地区冻土物理力学性能试验的试验结果和设计取值，原则上考虑较大的安全储备。
冻结壁平均温度取-10℃，抗折强度取2.0MPa ，抗剪强度均取1.5MPa ，抗折及抗剪安全系数取2。
2．荷载计算冻结壁外侧受静止水土压力作用。
冻结壁所受最大静止水土压力计算公式为：=⨯⨯=⨯==302.275.187.05.187.01H H K P γ0.351MPa =⨯⨯=⨯==254.265.187.05.187.02H H K P γ0.340MPa式中：P1为垂直冻结冻结壁所受最大静止水土压力，kPa ；P1为水平冻结冻结壁所受最大静止水土压力，kPa ； K 为静止侧压力系数，取K=0.7；γ为上覆土层的平均容重，取γ=18.50(kN/m3)； H 为洞口下缘埋深，m 。
3．冻结壁厚度按受均布法向荷载的圆板计算冻土墙的承载能力，冻结壁厚度h 的计算公式为：2/12]4[σkBPD h = 式中：h 为冻结壁厚度， m ；σ为冻土抗折强度，MPa ；D 为开挖直径，m ； B 为常数，B=1.2；k 为安全系数。
表4-2 参数取值与计算结果根据计算结果，垂直冻结冻结壁最小厚度为2.17m ，取设计冻结壁厚度3.1m ，水平冻结冻结壁最小厚度为2.14，取设计冻结壁厚度为2.5m 。
对冻结壁的抗拉强度及抗剪强度进行验算。
（1）按建筑结构静力计算公式验算圆板中心所受的最大弯曲应力为：22max6)3(16)2/(hD P μσ+=表4-3按建筑结构静力计算公式的参数取值与计算结果按工作井开洞口周边冻结壁承受的剪应力最大，为：hPD4max =τ 表4-4 剪切强度验算表根据验算结果：始发垂直冻结设计冻结壁厚度取 3.1m ，接收水平冻结冻设计冻结壁厚度取2.5m，均满足强度及封水性能要求。