关键词：
人工冻结法
非饱和砂土
竖井冻结试验
水热力耦合
综合评价
摘要：
人工冻结法作为地下工程中处理软弱地层的特殊工法,因其安全可靠、绿色环保等优点被广泛应用于几乎所有含水软土层加固中。地层冻结过程中孔隙水遇冷或原位冻结或从远端迁移至冻结缘后,发育成为人工冻土,此时天然孔隙结构已经无法满足孔隙冰不断增长的空间需求,造成孔隙破坏重组与土骨架体积膨胀,这一过程的宏观表象为地层冻胀。非饱和冻土的演化机制是温度、水分以及应力场之间复杂动态的耦合过程,然而现有的研究成果难以充分描述其相互作用的机理。
1)自主设计研发了冻结水热力耦合系统以及配套的加载工艺,可模拟不同温度边界、应力边界条件下的温度、水分、应力的相互作用机制。通过冻结竖井模型试验对水热力多场耦合的发展与分布规律进行研究,揭示了非饱和砂土冻结温度场演化、水分场迁移、应力场响应规律。研究结果表明:
在冻结单竖井模型试验中,环向特征面（Ring1～3）温度梯度的发展经历了快速增长、相变以及振荡发展等3个阶段,大体呈现出先增大后趋于稳定的发展规律。主面和界面的温度梯度变化率的平均比值约为1.37。径、环向特征面水分梯度的演化均呈类波形变化,环向特征面存在约为3.8m-1的临界梯度。径向特征面的水分梯度曲线在在波峰位置经历了时域延展,导致无明显极值。
在冻结相邻竖井模型试验中,双竖井冻结具有更为优越的冻结效果,地层温度分布形式沿左、右两个等效冷源连线呈上、下对称分布。双竖井冻结的冷源辐射范围一般仅作用于相邻竖井外侧的土体,对竖井轴面以及内侧土体的影响较为有限。与试验（Ⅰ）相比,双竖井冻结尽管有效了减小迎冷面上水分场分布的差距,但对背冷面作用有效。应力场分布的演化大致呈类波型变化,靠近等效冷源或冻结中心的冻胀力分布均相对均匀。对于特征面Line而言,则表现出沿冻结中心向外,各监测点冻胀力梯度达到峰值的时间间隔基本相同。
2)基于瞬态平面导热试验获得了不同饱和度下非饱和砂土导热系数的近线性增长规律、冻结砂土的渗透性能试验获得了不同温度下非饱和砂土渗透系数的指数型分布规律,构建并改进了非饱和砂土水热力耦合的数学模型,探明竖井冻结非饱和砂土的温度、水分、应力时空演化规律。研究结果表明:
在冻结单竖井数值计算中,冻结帷幕交圈时间为270min,冻结完成时冻结帷幕的截面积为0.26m2,平均温度为-11.58℃,低温冻土占比0.48。冻结帷幕的发展经历了“梅花形”到近圆形,以至最终的近椭圆形的发展过程。X、Y轴以及界面方向的温度分布历时演化规律均说明了视冻结圆环的圆心位置为等效冷源的合理性与必要性。在冻结过程中始终向周围的冻结管提供了大量迁移水,造成其孔隙水消耗量巨大,因此导致等效冷源未冻水含量最低。
在冻结相邻竖井数值计算中,冻结帷幕的交圈时间为260min,L＿shaft和R＿shaft冻结帷幕的交汇时间为680min,冻结完成时冻结帷幕的截面积为0.60m2,平均温度为-12.78℃,低温冻土占比0.55。冻结帷幕演化可以归纳为从“相邻筒体形”到“花生仁形”,到最终近椭圆形,这三类冻土形态的变化分别对应了冻结帷幕扩展半径在X轴方向的三次近匀速发展的阶段。若忽略L＿shaft和R＿shaft的所有冻结管,视地层中仅存在左、右两个等效冷源,则X轴方向可视为主界或轴面,而Y轴方向则可视为界面,则说明在相邻竖井冻结条件下,地层最大冻胀区仅是从冻结管的界面转移至等效冷源的界面。
3)基于改进后的非饱和砂土水热力耦合数值计算结果,构建了不同冻结设计方案下的竖井冻结工程的评价体系。采用二元语义修正了数学模型的赋权方法,提出了将综合属性值的二元语义信息转化为准则层的修正权重的方法,对各类冻结优化方案的分数进行了讨论,研究结果表明:
修正前的准则层的权重为Wk=[0.25 0.25 0.25 0.25]T,表明的修正的必要性;修正后冻结方案的排名为:PⅢ>PⅠ>PⅣ>PⅤ>PⅡ,说明了修正的必要性和有效性。原冻结方案即PⅠ无论从在各评价维度上均获得了较为优秀的分数,结合PⅠ的综合排名,推荐在非饱和砂土的竖井冻结工程中延用原方案。缩小冻结管管径,增加其数量可以形成坚实可靠的冻结帷幕,但同样会产生较为严重的冻胀现象,考虑到增加布孔数量对施工成本的影响,因此建议在复杂地质条件下的竖井冻结工程中采用PⅢ的设计思路。采用交错排孔的冻结方案与原方案冻结效果类似,并对控制地层冻胀形具有一定的帮助。考虑到长距离垂直定向钻孔易产生较大的终孔偏斜,并且达到交错排孔所需精度具有较高施工的难度,所以建议在对控制冻胀要求较高的情况下,采用PⅣ的设计思路。
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