人工冻土土力学.doc

人工冻土力学研究现状 摘要：在城市建设的发展过程中，我们更多的城市建设项目转移到地下进行，当我们在施工过程中遇到富水岩层或流速过大的软弱地层，需要借助辅助的工法才使得施工得以安全开展，因此人工冻结技术在矿井、隧道、深基坑等工程领域的广泛应用。人工冻土的力学特性指标是冻结法凿井中冻结壁设计参数和开挖的依据，使人们更加迫切地认识到对人工冻土力学特性研究的必要性。本文通过查阅大量文献资料，探究人工冻土力学特性当前的研究现状。 关键词：人工冻土；力学特性；研究现状 1概 述 随着生产力的发展和科技进步以及社会需求的不断增长，浅表资源的贫化逐渐使世界工程建设转向地下，地下电站、地下铁道、越江越海隧道、地下市政和深部矿山等建设越来越多，所遇到的问题也越来越复杂。如何从理论上、技术上安全、有效地解决地下工程所面临的新问题、新情况，不仅关系到在建工程的施工进程而且关系到工程完工后的安全运营和上部建筑物的稳定。就目前的工程建设而言，所有地下工程所面临的首要问题就是如何对深部空间进行开挖，尤其是在软弱的、含水土层中进行开挖。与现有的、比较成熟的几种地下开挖施工方法相比较，人工土冻结法由于基本不受支护范围和支护深度的限制，能有效防止涌水以及城市挖掘、钻凿施工中相邻土体的变形而成为地下工程的主要技术手段之一，从而在许多国家的煤矿、隧道、地铁和建筑基础等领域得到广泛应用。所谓人工冻结技术是指对深部天然土体在原始地压作用下以人工制冷方法将低温冷媒送入具有一定含水率和地下水流速的软弱地层中，使地层中的水与周围土颗粒发生冻结，从而形成强度高、弹模大和抗渗性好的冻结壁，然后在冻结壁的保护下进行内部开挖和永久支护结构施工的一种特殊地层加固方法。冻结壁的强度和变形是决定人工冻结技术在深部空间开挖过程中应用成败的关键因子，但是，由于近年来开挖深度的逐渐加大，人工冻结技术在深部工程建设实践过程中就遇到了许多难以用经典冻土力学来解释或解决的问题，譬如，由于使用经典冻土力学的研究成果去设计深部冻结壁，造成冻结壁径向变形量过大、冻结管断裂、井壁破裂漏水甚至淹井等工程事故，这些工程事故促使许多学者不得不考虑现有冻土力学理论的适用范围、适用条件以及深土人工冻土的形成机理、冻胀、融沉机理和高压力作用下形成冻土的力学特征等科学问题。由此诞生了深土冻土力学的研究，它属于岩土力学研究中的一个新的分支，以深土土力学研究和现有冻土力学为基础，以研究深部冻结壁和井壁受力问题为核心，以研究高压力作用下形成冻土的形成机理、力学特征、本构关系、破坏准则、强度理论为课题，以服务于人工冻结技术在深部空间开挖中的应用为最终使命，来保证深部空间开发的顺利实施。 2国内研究现状 2016年安徽理工大学周艳对陕北地区人工冻土蠕变试验研究：以榆林小纪汗煤矿井筒检查孔为研究对象，3个不同层位的土体为试验对象，根据冻土的单轴抗压强度试验、单轴蠕变试验及其数据分析得到冻土本构关系曲线以及蠕变曲线规律。冻土的蠕变特性表现为两方面，在低应力下冻土蠕变呈衰减型，在高应力下呈非衰减型。由本构关系曲线可以看出刚开始的1 h 应变随时间增加变化较快，随后应变逐渐增大，但变化速率越来越慢。 2015年11月中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室展开对人工冻土融沉试验及融沉系数预测研究：以徐州黏土冻融为研究对象，通过人工冻结土融沉特性试验，分别开展了人工冻土不同含水率、不同单向冻结温度梯度、不同外荷载的冻融特性分析。试验系统补水情形下，相同单向冻结温度梯度下，随着外载荷的增大融沉量随之增大，两者增长趋势一致，但幅度不一致。基于对冻土融沉特性受多因素综合影响的认识，采用改进的人工神经网络方法，建立了多样本、多因素影响下的融沉系数关系数据库，误差分析表明，改进的预测算法具有较好的精度。 2015年7月天津大学关于人工冻土冻结过程中热-力耦合的数值模拟方法研究：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。 2014年马芹永关于人工冻土单轴与围压状态动力学性能对比分析：两种受力状态对比分析，主要是研究围压状态下的力学性能与单轴状态下两种不同受力状态下的力学性能异同。以重塑冻结黏土为例，在温度为－8℃、－12℃、－16℃条件下，进行单轴和围压两种受力状态的冲击压缩试验，并对比分析，得到单轴和围压状态冻土破坏分别呈脆性和黏塑性破坏特征，围压作用改变了冻土的破坏模式；当应变率相同时，两种受力状态冻土的最大应力均随温度的降低而增大，表现出较强的温度效应；当温度和冲击气压相同时，围压状态和单轴状态表现出明显不同的动力特性，且围压状