凍土帷幕的凍脹和蠕變效應與結(jié)構(gòu)相互作用理論及應用研究.pdf

1、凍結(jié)法以其加固土體強度高、封水性好、能適應各種復雜地層和環(huán)境工況等優(yōu)勢，正在普通工法難以實施的穿越隧道工程中得到了越來越多的應用。凍結(jié)過程中，凍脹對環(huán)境結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的影響；凍土帷幕開挖過程中，凍土的蠕變特性與結(jié)構(gòu)物及臨時支護相互作用的力學性狀，是凍結(jié)工程設(shè)計和施工亟待解決的復雜課題。本文以上海某穿越隧道工程為研究背景，應用室內(nèi)試驗、現(xiàn)場實測、理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法系統(tǒng)分析了凍土凍脹和蠕變效應及其與結(jié)構(gòu)物的相互作用。主要研究成果包

2、括： (1)對上海地區(qū)典型軟土的凍脹和蠕變特性進行了室內(nèi)試驗和分析研究，統(tǒng)計得出了凍脹率與影響因素之間的關(guān)系、凍脹方程和凍土的單軸蠕變方程； (2)基于指數(shù)積分函數(shù)，研究獲得人工凍土瞬態(tài)溫度場的解析解，為工程預測凍結(jié)帷幕的形成提供理論依據(jù)。在分析人工凍土瞬態(tài)溫度場、水分場、凍脹位移場基礎(chǔ)上，將隨機介質(zhì)理論應用于凍土凍脹變形分析中，運用疊加原理研究得出了凍土和地基梁相互作用的凍脹位移和接觸壓力的半理論解； (3)以

3、實驗獲得的凍脹方程為基礎(chǔ)，建立了凍土溫度、水分和應力準耦合作用的凍脹數(shù)學模型，以穿越隧道工程凍結(jié)為研究對象，采用數(shù)值方法模擬了凍脹與筏板基礎(chǔ)(地鐵車站底板)相互作用的力學性狀，提出并量化了緩凍凍結(jié)模式、減小凍土體積和改變結(jié)構(gòu)剛度等減小凍脹效應的工程對策； (4)人工凍土帷幕具有顯著的蠕變效應，以穿越隧道開挖與支護施工時凍土蠕變效應為研究對象，以實驗獲得的蠕變方程為依據(jù)，將凍土帷幕當作蠕變材料，隧道內(nèi)土體及其它結(jié)構(gòu)當作彈性介質(zhì)，與

4、凍土帷幕及結(jié)構(gòu)外圍相作用的土體當作土彈簧處理，運用有限元程序?qū)λ淼纼鐾玲∧婚_挖與支護結(jié)構(gòu)、既有車站結(jié)構(gòu)相互作用的時空效應進行了三維蠕變數(shù)值模擬分析，總結(jié)得出縮短凍結(jié)帷幕暴露時間和采用分步開挖方式有利于提高車站底板、凍土帷幕和支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并改善其受力狀態(tài)； (5)通過上海某大型穿越隧道凍結(jié)工程應用，全面系統(tǒng)的總結(jié)了凍脹和蠕變效應的工程控制方法；通過溫度場、位移場和應力場的大量現(xiàn)場實測，驗證了理論分析和數(shù)值模擬的可行性，為凍結(jié)