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

1、凍結(jié)法以其加固土體強(qiáng)度高、封水性好、能適應(yīng)各種復(fù)雜地層和環(huán)境工況等優(yōu)勢(shì)，正在普通工法難以實(shí)施的穿越隧道工程中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。凍結(jié)過(guò)程中，凍脹對(duì)環(huán)境結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的影響；凍土帷幕開挖過(guò)程中，凍土的蠕變特性與結(jié)構(gòu)物及臨時(shí)支護(hù)相互作用的力學(xué)性狀，是凍結(jié)工程設(shè)計(jì)和施工亟待解決的復(fù)雜課題。本文以上海某穿越隧道工程為研究背景，應(yīng)用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、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(yīng)及其與結(jié)構(gòu)物的相互作用。主要研究成果包

2、括： (1)對(duì)上海地區(qū)典型軟土的凍脹和蠕變特性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和分析研究，統(tǒng)計(jì)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(chǎng)的解析解，為工程預(yù)測(cè)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(chǎng)、水分場(chǎng)、凍脹位移場(chǎng)基礎(chǔ)上，將隨機(jī)介質(zhì)理論應(yīng)用于凍土凍脹變形分析中，運(yùn)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(shí)驗(yàn)獲得的凍脹方程為基礎(chǔ)，建立了凍土溫度、水分和應(yīng)力準(zhǔn)耦合作用的凍脹數(shù)學(xué)模型，以穿越隧道工程凍結(jié)為研究對(duì)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(xué)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(yīng)的工程對(duì)策； (4)人工凍土帷幕具有顯著的蠕變效應(yīng)，以穿越隧道開挖與支護(hù)施工時(shí)凍土蠕變效應(yīng)為研究對(duì)象，以實(shí)驗(yàn)獲得的蠕變方程為依據(jù)，將凍土帷幕當(dāng)作蠕變材料，隧道內(nèi)土體及其它結(jié)構(gòu)當(dāng)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(dāng)作土彈簧處理，運(yùn)用有限元程序?qū)λ淼纼鐾玲∧婚_挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)、既有車站結(jié)構(gòu)相互作用的時(shí)空效應(yīng)進(jìn)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(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并改善其受力狀態(tài)； (5)通過(guò)上海某大型穿越隧道凍結(jié)工程應(yīng)用，全面系統(tǒng)的總結(jié)了凍脹和蠕變效應(yīng)的工程控制方法；通過(guò)溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值模擬的可行性，為凍結(jié)