冻结法最终版

1、人工地层冻结法技术BREAD PPT DESIGN班级：地质班级：地质1204班班组员：田嵩山组员：田嵩山 高炎林高炎林 魏大川魏大川 吕波吕波主讲：王少华主讲：王少华前言 目前，地层加固的方法有多种，不论何种方式，目的是提高地层的强度和稳定性，以及隔水性能，从而形成一个支护系统。人工冻结的应用和研究是以天然冻结条件下冻土的物理力学性质研究为基础，并随着人工冻结凿井逐步发展起来的。 人工地层冻结法(简称:冻结法)作为岩土工程(包括地下工程)建设中一种建造临时隔水支护的有效特殊方法，在国外的应用已有100多年的历史，在我国 煤炭建设中的应用也有整整40年的历史了。而在其它岩土工程中的应用则刚刚起

2、步。一方面是岩土界对这一特殊方法还比较陌生，另一方面冻结法的成本，应用条件及随之而生的问题，也有影响。 目前在以下几个方面应用较多：1、特殊地层凿井 2、地铁工程土层加固 3、隧道工程土体加固4、桥梁桩基工程 5、特殊地段工程事故处理 目录01人工地层冻结法技术概述02冻结法加固地层的原理03冻结法技术设计计算04冻结法施工几个技术问题1 什么是人工什么是人工地层冻结地层冻结法法 ？2冻结法有哪些冻结法有哪些优缺点优缺点 ？3适用范围及发适用范围及发展状况如何展状况如何 ？一、人工地层冻结法概述一、人工地层冻结法概述75%人工地层冻结法的定义 冻结法是利用人工制冷技术，将待开挖的土体中的水冻结

3、为冰并与土体胶结在一起，形成满足一定要求的冻土体，用以抵抗土压力，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行隧道、立井和地下工程的开挖与衬砌的一种特殊岩土施工方法。优 缺点？1.需要较大功需要较大功率的电源率的电源4.易易引起引起地层胀地层胀起起和和沉陷沉陷，对建筑物有一定影响对建筑物有一定影响。5.冻土墙厚度和冻土墙厚度和强度可以控制强度可以控制2.几乎不受地几乎不受地层条件限制层条件限制1.可有效隔绝地下水可有效隔绝地下水冻结法的优点冻结法的缺点3.施工灵活施工灵活4.对地层无污染对地层无污染6.事故处理事故处理及工及工程抢险程抢险速度快。速度快。2.夏季冻土

4、墙夏季冻土墙易化易化3.地下水流速地下水流速度过快时难于度过快时难于冻结冻结75%冻结法的适用范围（1）冻结松散不稳定的冲积层和 裂隙发育的含水岩层。（2）淤泥、松软泥岩.（3）饱和含水和水头特别高的地层。（4）对于土中含水率非常小或地下水流速相当大的处所不适用。75%冻结法的发展状况 人工冻结技术的应用始1886年瑞典24m长人行隧道建设工程。在此后的一个多世纪里，人工冻结技术在许多国家的煤矿、隧道、地铁、建筑基础、工程抢险和环境保护等领域中得到不断应用和发展，并且成为许多工程唯一可选的方法。1、冻结法加固地层的原理 它是利用人工制冷的方法，将低温冷媒送入地层，把要开挖体周围的地层冻结成封闭

5、的连续冻土墙。在抵抗地压、并隔绝地下水和开挖体之间的联系。然后在这封闭的连续冻土墙的保护下，进行开挖和做永久支护。Click here to add your text. Click here to add your text. A A加固原理B BC C二、冻结法加固地层的二、冻结法加固地层的原理及方式原理及方式D DE EF FG G具体方法冻结系统围护工艺流程适用的地基条件施工技术现场监测加 固 地 基 原 理冻结管并联和串联冻结原理示意冻结管并联和串联冻结原理示意图图直接式冻结法直接式冻结法间接式冻结法间接式冻结法 常用冻结壁的形式常用冻结壁的形式2、加固地层的具体方法 通过冻结管同周

6、围地层发生热交换而形成冻土柱。控制冻结管与地层产生热交换的长度，就可控制冻土柱的长度，若干管子排列在一起，控制冻土墙的高度或范围。另一方面，由于冻土墙的强度取决于其平均温度，而平均温度又取决于冷媒的温度及流量，从而可通过控制冷媒的温度或流量，来控制冻土墙的强度，以及发展范围。因而，可随时根据工程进展和结构要求来改变冷媒温度和流量，以达到所需冻土墙的强度。3、冻结法的冻结系统 在开挖之前，用人工制冷的方法，将开挖空间周围含水地层冻结成一个封闭的不透水帐幕一冻结壁，用以抵抗地压、水压，隔绝地下水；而后， 在其保护下进行挖砌施工。大体上由三个主要的循环系统构成。盐水循环氨循环冷却水循环制冷三大循环系

7、统制冷三大循环系统三大系统构成热泵，其功能是将地层中的热量通过压缩机排到大气中去。力学设计。通过计算确定冻土墙的厚度和深度；热工设计。通过计算确定冻结管的数量、布局；冻土墙的交圈时间、冷冻机组的装机容量及配置。. 土的物理性质试验土的力学性质土的水理热学性质试验包括含水层层位；粘土层分布、层厚；气象及地温资料；土层含盐量和PH值；现场附近的地下埋设物 冻结法围护冻结法围护的工艺流程的工艺流程积极冻结期积极冻结期维护维护冻结冻结期期解冻解冻(恢复恢复)期期冻结站安装冻结法施工四大工序冻结管施工. 地层冻结地下工程掘进施工冻结法施工阶段及各阶段的作业内容冻结法施工阶段及各阶段的作业内容 冻结法施工

8、按进度顺序可分为四个阶段：（1）准备期准备期 指进行冻结管、输液管、监测设备和冷冻机械安装平行作业的时间（2）积极冻结期积极冻结期 指从低温盐水在冻结管内循环、地基土冻结开始至冻结壁达到设计厚度和强度的时间（3）维护冻结期维护冻结期 指挖掘、砌筑时间，在此期间内只需保持冻土墙不升温即可。 （4）解冻期解冻期 指完成工程项目所需时间。 各阶段的作业各阶段的作业内容如下表内容如下表冻结法施工应注意的事项 (1)做好现场监测是冻结法施工成败的关键步骤之一。应定时重点检测循环盐水的温度和流量、冻土墙的温度、开挖期冻土墙体的变形量、地面冻胀和融沉量等。 (2)地基土的冻结膨胀和解冻后的融沉及其对邻近建筑

9、物的影响 为减少冻胀影响，施工中应设置一定数量的减压孔。对于有2-3排冻结孔的情况，可采用不同时冻结的方法，避免封闭型冻结。在冻结维护期也可采用间歇冻结法。 为减缓开挖过程中侧向冻胀力的释放速度，基坑开挖宜由中心向边缘逐步推进。 (3)做好主体工程施工和冻结施工两者的密切配合是完成冻结法施工的必要条件，应组织设计、施工和监测人员组成的施工领导小组，统一协调施工。为避免冻土墙解冻后地基土的融沉，应在起拔冻结管的同时，用砂砾充填，注意夯实。若遇有沉降很大的地基时，应采用下列方法：设计的结构物应具有一定柔性；冻结前在结构物下面设支承桩或灌注灰浆、化学浆液增加地基承载力。 地基地基土宜土宜为砂性土、为

10、砂性土、粘性粘性土及土及强强风化风化基岩基岩。. 地基地基土土的含水量的含水量10。. 地下水地下水临界流速临界流速2md。冻结法围护适用的地基条件冻结法围护适用的地基条件低温盐水温度和流量监测土体水平、竖向位移和应力监测冻土壁及外围地基土温度监侧地下水位监测冻结法现场监测主要内容作用在冻土墙上的主要荷载冻土墙墙体嵌固深度冻土墙墙体的厚度冻土墙的高度冻结法的设计计算热工设计计算1、作用在冻土墙上的主要荷载、作用在冻土墙上的主要荷载 在深基坑围护结构中，外界荷载由冻土墙和混凝土内衬共同来承担，但冻土墙对围护探基坑的稳定性及地下结构工程的施工安全性定到主导作用。因此，在进行深基坑围护结构设计之前，

11、有必要清楚冻土墙承受的主要荷载情况，为设计出安全、可靠的深基坑围护结构提供可靠的依据。作用在冻土墙上的主要荷载基坑施工现场周围存在的建筑物、大型管道等地下构筑物会产生永久荷载；同时，冻土墙周围道路上汽车的行驶会产生振动荷载，由于降水使地下水位受到影响以及现场施工设备的重量和工作会产生施工荷载。冻土墙与板桩、重力式挡土墙、地下连续墙、土钉墙等支护方式所受荷载有一个显著不同之处，即其在自身温度场作用下，要承受温度荷载。在深基坑围护体系结构中，作为承担主要外界荷载的冻土墙，其自重在围护体系的设计和计算中是不容忽视的作用在冻土墙上的土压力称为侧土压力，侧土压力分为静止土压力、主动土压力和被动土压力三种

12、，侧土压力是作用在冻土墙上的最主要荷载。2、冻土墙墙体嵌固深度的确定冻土墙墙体嵌固深度的确定 （1）按临时支护作用考虑 冻土墙的嵌固深度与基坑抗隆起稳定、挡墙抗滑动稳定、墙体整体稳定、管涌等因素有关。墙体嵌固深度主要取决于土的强度与墙体的稳定性，而不是变形的大小，即嵌固深度满足墙体稳定最小值要求的条件下，与变形量关系不大。因此，确定冻土墙嵌固深度时应通过稳定性验算取最不利条件下所需的嵌固深度。 2、冻土墙墙体嵌固深度的确定冻土墙墙体嵌固深度的确定2、冻土墙墙体嵌固深度的确定冻土墙墙体嵌固深度的确定 2、冻土墙墙体嵌固深度的确定冻土墙墙体嵌固深度的确定 按抗隆起稳定确定嵌固深度 抗隆起稳定采用极

13、限承载力法来计算，该方法是将围护结构的底平面作为极限承载力的基准面，其滑动线如图9-3-3所示。参照普朗德尔极限承载力公式及抗隆起安全因素可以反算嵌固深度，要求抗隆起安全系数KL=1.101.202、冻土墙墙体嵌固深度的确定冻土墙墙体嵌固深度的确定 2、冻土墙墙体嵌固深度的确定冻土墙墙体嵌固深度的确定2、冻土墙墙体嵌固深度的确定冻土墙墙体嵌固深度的确定2、冻土墙墙体嵌固深度的确定冻土墙墙体嵌固深度的确定 （2）按止水作用考虑 冻土墙作为止水帐幕有两种作用，一种是防止流土出现；另一种是阻止或减少坑外地下水向坑内的渗流。 2、冻土墙墙体嵌固深度的确定冻土墙墙体嵌固深度的确定 防止流土的嵌固深度验算

14、2、冻土墙墙体嵌固深度的确定冻土墙墙体嵌固深度的确定 阻止地下水渗流的冻土墙嵌固深度确定3、冻土墙冻土墙墙体厚度的墙体厚度的确定确定 冻土墙的厚度取决于外部压力的大小、冻土强度特性和变形特性、冻土墙暴露高度和时间、冻土和周围环境的温度状况以及其他因素，所以冻土墙厚度的计算是个复杂的热一力学问题，特别是当考虑空间影响、蠕变影响、非均质影响等因素后，要取得一股的公式简单解是极其困难的。因此在设计中进行如下的假定： 未冻土为线弹性体； 冻土为各向同性、均质的弹性体；冻土墙墙体厚度为等厚体。 对于图形基坑并假定计算图形如图936所示，则冻土墙的厚度可以按下式计算：3、冻土墙冻土墙墙体厚度的墙体厚度的确

15、定确定e=12pR式中：e冻结壁厚度（m）； R冻结壁内半径（m）； 冻土极限抗压强度（已考 虑安全系数），可以用长期强度替代（MPa）； P地压（MPa）。对于矩形基坑，可以按照以下方法确定冻土墙厚度；（1）按抗倾覆稳定性确定墙体的厚度；（2）按变形条件确定墙体厚度。4、冻土墙冻土墙墙体高度的墙体高度的确定确定 冻土墙高度(包括挡土部分高度和基坑底面下的入土深度)与基坑设计深度、土压力、墙体稳定系数关系密切。当基坑设计深度以下有含水层且其埋藏深度在基坑设计深度70一80范围内时，冻土墙高度应穿过含水层，坐落在隔水层中，并进行坑底抗隆起和管涌验算。5、热工设计计算、热工设计计算（1）冻结负荷计

16、算。5、热工设计计算、热工设计计算1vswd0f=QCCC123=Q QQQ5、热工设计计算、热工设计计算vswCCC、vswCCC、d0f、2swudfd=-IQCCC uICd5、热工设计计算、热工设计计算d3ud=q-Q s=1.15TQQ5、热工设计计算、热工设计计算（2）冻结管配置。 根据所需冻土墙的壁厚和深度及地基土的条件和工期，配置冻结管。一般配置原则为单排冻结管间距10一25m，双排或双排以上的辅助冻结管间距可放宽至3m左右。软弱地基、高含水量土层及地下水流速大且工期紧时，冻结管间距宜相应缩小；冻结管的排数视冻土墙的厚度而定：墙厚3m以单排为宜；3m以双排为宜。排间冻结管布设以

17、梅花状为宜。冻结管的插入深度与冻土墙的深度相同。5、热工设计计算、热工设计计算（3）冷冻机容量确定。5、热工设计计算、热工设计计算（4）冻结时间计算。s1d=24QTQd2d1.15r24RTQRDNTQ5、热工设计计算、热工设计计算（4）冻结时间计算。式中： T冻结时间（d）； R冻结半径（m）； r冻结管半径（m）； D冻结管插入深度（m）； N冻结孔数。 5、热工设计计算、热工设计计算（4）冻结时间计算。g=a2RD2ggd1.15r24QRDNTQ5、热工设计计算、热工设计计算（4）冻结时间计算。1222p= ab2RH2ppd1.15r24QRDNTQ冻结交排时间计算。5、热工设计计算、热工设计计算（4）冻结时间计算。开挖时间的确定。 根据交圈和交排时间及基坑开挖工期和实测冻土墙的温度确定。一般原则为冻结交圈和交排已完成并预期在基坑开挖期内冻土墙达设计厚度时即可开挖。5、热工设计计算、热工设计计算（5）冻结进程。 冻结进程估算是基于假设冻结管表面散热量相同的条件下得到的。同一个基坑围护工程中，有时出现开挖深度不等的情况，因此，冻土墙的厚度和冻土墙高度也不同。不同厚度冻土墙所需冷量不等，交围和交排时间均有差异，为便于掌握开挖时间，应制定冷冻液的配管计划(盐水管主干管和分干管直径和流量)。全面考虑冻结顺序、供液