人工冻结技术用于软土深基坑的可行性分析

文章编号:100926825(2005)2220090202人工冻结技术用于软土深基坑的可行性分析收稿日期:2005208203作者简介:李瑞峰(19792),男,吉林大学建设工程学院岩土工程专业在读研究生,吉林长春　130026李瑞峰摘　要:通过对淤泥质粘土冻结后的力学、变形性能以及冻土墙的稳定性的阐述,并对冻结法施工软土深基坑在经济、技术方面的可行性进行了分析。

研究结果表明,淤泥质粘土冻结后具有一定的强度,利用冻土墙维护软土深基坑在经济、技术上都是可行的。

关键词:冻土墙,支护,坑壁中图分类号:TU471.8文献标识码:A引言目前我国施工基坑,坑壁维护常用方法有很多,这些方法在我国基础工程施工中均已取得许多成功的经验,但也存在一些问题,随着城建规模的迅猛发展,基坑的跨距、深度不断地加大,在一些沿海地区的地基属软弱地基,常伴有淤泥,在这种条件下进行大型基坑的开挖,坑壁维护越来越困难,成本越来越高,为此必须寻找一种既安全又经济的新的坑壁维护方法,冻结法即为其中之一。

冻结法施工建筑物基坑是利用人工制冷技术对基坑周围的土层进行冻结,使之形成一连续、封闭的冻土帷幕墙,并以此维护坑壁的稳定和隔绝地下水与基坑内部的联系,保证基坑和基础的施工安全。

冻结法施工有如下优点:1)冻结法适用于各种复杂地层,尤其是淤泥这样一类用其他施工方法十分困难的地层;2)冻结管布置的任意性,使基坑的形状、平面尺寸、深度等不受影响。

而且,基坑越深其经济效益越显著;3)冻土墙的隔水性,解决了基坑的排水问题,同时也解决了因降水地层沉降对邻近建筑物的危害;4)冻土墙的可取消性和无污染性,将不影响建筑物及其周围的地下结构,也不影响日后建筑物的管线埋设[1]。

1　人工冻结技术维护坑壁的技术可行性分析1.1　工程地质和水文地质条件冻结法的施工虽不受地基土的地质条件影响,但由于地下水流动带入热量妨碍冻土柱的连接,因此,冻结法对地下水的流速有一定的要求。

工程中一般要求其流速小于临界流速即17×10-3m/s 。

当超过这个临界流速时,可采取如下措施确保冻土墙形成:1)增加冻结管组数;2)降低盐水温度,减小冻结管间距;3)采用注入法减小地基的渗透系数,减缓流速;4)设置井点,减小被处理地基内的动水力坡度;5)用板桩形成障碍,以改变地下水流的方向。

可见,冻结法在淤泥质粘土的不同地质条件中通过一定的技术是完全可以试用的[2]。

1.2　维护结构的强度特性冻土的力学强度性质是决定冻土墙稳定性的关键因素。

淤泥质粘土是我国基坑维护中难度最大的土层。

为此,取天津淤泥质粘土(ρ=17.75kN/m 3,ρd =12.95kN/m 3,W =47.2%)进行冻土力学性能试验。

1.2.1　冻土单轴抗压强度1)冻土单轴抗压强度与冻结温度的关系。

两者基本呈线性,利用直线回归可得如下方程(回归相关系数r =1):σ=a +b |T |=-0.195+0.370|T |(1)2)冻土的弹性模量与温度关系。

同样可利用线性方程回归得如下关系式(回归相关系数r =1)[3]:E =a +b |T |=-1.25+6.65|T |(2)试件破坏形态在-8℃～-16℃之间,淤泥质粘土冻土的破坏形态均呈腰鼓形(属塑性破坏)。

温度越高,腰鼓越大。

1.2.2　冻土抗剪强度冻土的抗剪试验采用变角剪方法。

试验得到淤泥质冻土的抗剪强度指标[4]:粘聚力(c )和内摩擦角(φ)与冻结温度的关系。

可见,淤泥质粘土冻结后的粘聚力和内摩擦角与冻结温度的关系也基本呈线性。

由回归分析可分别得到如下:方程:c =a +b |T |=0.185+0.163|T |(3)φ=a +b |T |=14.9+0.42|T |(4)τ=(0.185+0.42|T |)+R ・tg (14.9+0.42|T |)(5)1.3　维护结构的变形特性1.3.1　冻土单轴蠕变经对该淤泥质粘土的冻土单轴蠕变试验发现其蠕变强度的明显下降均在三个月以后,完全可以满足施工要求1.3.2　冻胀和冻融沉陷文中的淤泥质粘土冻结时易膨胀,使周围未冻土区产生变形,随着冻结的进行,地表以冻结区为中心形成斗笠状的隆起,这会使得地基中的土压力增大给基坑造成负荷而且冻土墙解冻时脱水,往往引起原体积收缩,使地层产生下沉,一般冻胀量越大,下沉量也越大。

为此必须考虑抑制冻胀防止冻融沉陷。

可见,抑制冻胀防止冻融下沉是冻结法用于软土深基坑维护,特别是用在建筑物密集地区基坑维护的主要课题。

可实施的抑制冻胀措施有:1)降低冷却温度,增大冻结速度;2)把冻结范围控制在必要的最小限度;3)研究冻结管的布置,使冻结膨胀变形和热的传递方向相一致;4)利用钻孔使地基产生沉降和松动抵消部分变形;5)研究冻土形成的顺序,尽量用横向位移吸收膨胀;6)通过增加孔隙水的粘性,来控制向冻结面的水分迁移量[5]。

1.4　淤泥质粘土在低温与常温下的力学性能比较(见表1)通过表1可以看出,淤泥质粘土冻结以后,其力学性能得到了很大的改善,其中R ,E ,C 增大几十倍甚至上百倍。

表1　淤泥质粘土在低温与常温下力学性能比较土性σ/MPaC /MPaΨ/(°)E /MPa原状土0.04～0.0550.009～0.0128～120.8～2.4冻　土2.67～5.591.45～2.6717～2155～1052　冻结法维护基坑稳定性的经济可行性分析・09・第31卷第22期2005年11月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.31No.22Nov.　2005 文章编号:100926825(2005)2220091202基于MARC 软件的岩体节理裂缝数值模拟收稿日期:2005207226作者简介:彭海军(19762),男,河海大学土木工程学院在读硕士研究生,江苏南京　210098蔡汝铭(19772),男,河海大学在读硕士,助教,淮阴工学院,江苏淮安　223001彭海军　蔡汝铭摘　要:在地下洞室的数值模拟计算分析中,研究的对象主要是岩体,研究方法很多,而有限元方法在实践中是使用最为广泛的,简析了裂缝模拟的基本原理,使用有限元分析程序MARC 模拟裂缝,分析裂缝存在时对洞室结构的各种影响。

关键词:有限元法,数值模拟,岩体裂缝,MARC 中图分类号:TU457文献标识码:A引言地下洞室一般是指由人工开挖或生产活动在地层中形成的地下空间,其研究的对象主要是岩体,岩体是一种天然形成的复杂的地质介质而非性质单一的材料。

而含有软弱夹层及节理裂缝的岩体又极为常见,因而用有限元分析岩体时模拟裂缝方面显得十分重要,完全模拟这种地质介质难度相当大,在实际的数值模拟过程中,都要进行适当的合理的简化,以方便模拟。

文中用MARC 软件对数值模拟岩体裂缝进行了简化,进而得到合适的计算模型,在此基础上进行计算得出相应的结论。

1　将空间问题简化为平面应变问题由于地下洞室相对于洞室断面来讲往往是很长的,可以认为变形分量和位移分量都不会沿z 轴方向(洞室长度方向)发生变化,所以各点都只会有x 和y 方向的位移而不会有z 方向的位移。

因此可以将空间的数值模拟问题简化为平面应变问题[1]。

如果采用三角形单元划分所需模拟截面,则有限元的计算三大方程可以简单用节点位移{δ}e 参数表达出来。

几何方程:{ε}e =[B ]{δ}e ,本构方程:{σ}e =[D ][B ]{δ}e ,由虚功原理得到的平衡方程:{F}e =[B ]T [D ][B ]tA {δ}e。

其中,{σ}e 和{ε}e分别为单元的应力与应变分量;[D ]为平面应变弹性矩阵;[B ]为位移—应变关系矩阵;t 为单元厚度;A 为单元面积。

则单元劲度矩阵[k ]e =[B ]T [D ][B ]tA 。

根据单元劲度矩阵总装整体劲度矩阵得出结构的平衡方程[K ]{δ}=[R ]。

2　节理裂缝的模拟简化岩体是一种地质介质,在它形成的过程中,大多经历了许多的地质构造活动,这些地质构造运动在地层中形成了一系列的构造形迹,大型的有断层、褶曲等,小型的有节理、断裂、裂缝等,而小型的节理裂缝的宽度几乎接近于零,这时如仍沿用普通的平面单元模拟就会出现困难,目前普遍采用的方法是用goodman 单元模拟节理裂缝。

按平面应力问题考虑,其基本原理如下[2]:假设一种“零宽度矩形节理单元”,如图1所示节理单元图。

底面任一点的位移为:{δ}B =[N ]{U}B ,顶面任一点的位移为:{δ}T =[N ]{U}T , 基坑深度和长度的加大,将大大地增加现有结构的维护难度。

但对冻结法而言,冻结深度的增加,施工的难度并不增大,却相对节省大量的辅助工作量,总造价的增加比例也较小。

由此可见,基坑越深,冻结法施工越具有优越性。

3　结语1)淤泥质粘土冻结后其力学性能得到很大的改善,在一定的条件下可以保证冻土墙的稳定性,使冻土墙成为一种可靠的结构。

2)冻土墙结构形式灵活,同时具备多种加强的措施与绝热保温的方法,还可以与旋喷桩联合使用。

因此,可确保维护结构的安全可靠。

3)淤泥质粘土冻结后具有典型蠕变特性,冻土墙破坏前可允许较大变形,因此在建筑物密集地区,冻土墙应按变形条件设计。

4)冻结法用于软土深基坑在经济上有较大优势,一般当基坑深度H ≥10m ,冻结法在经济上的优越性就很明显了。

5)冻结法用于软土深基坑在技术上是可行的,它可在地下水流速小于临界流速的任何地质条件下使用。

6)对于软土深基坑,冻胀和冻融沉陷不利于冻结法在基坑工程中应用,但可采取文中所述措施抑制冻胀,消除下沉。

参考文献:[1]李永盛.深基坑维护结构的变形、稳定与相邻构筑物的影响[J ].建筑施工,1994,16(4):29238.[2]高大钊.软土地基理论与实践[M ].北京:中国建筑工业出版社,1992.46271.[3]崔托维奇.冻土力学[M ].张长庆,译.北京:科学出版社,1985.902105.[4][日]水下诚一.冻土物理学[M ].王　异,译.长春:吉林科学技术出版社,1985.1812182.[5]杨　平.在含水砂层采用冻结法作深基坑维护壁[J ].建筑施工,1995,17(4):142163.Possibility studies on construction deep softclay foundation pit by freezing methodL I Rui 2fengAbstract :This paper inquircs the possibility of the freezing method in constructing deep softclay foundation pit ,through studing the meehanical properties of frozen mucky soil and the stability of frozen mucky soil retaining wall.A conclusion is reached that under certain circumstances ,it ’s feasible and practicalble to build frozcnsoil walls to maintain the foundation pits.K ey w ords :forzensoil walls ,maintenance ,foundation pit・19・ 第31卷第22期2005年11月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.31No.22Nov.　2005。