冰冻法法 - 副本

1、.地基处理作业姓名：王帆 学号：1208111028 班级：土木1108班冻结法1、 方法说明1冻结法的定义 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。冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土，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施工。其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。 2冻结法的优点 (1)安全可靠性好。可以有效地隔绝地下水。冻结施工使土体中的大部分水结冰，这不仅提高了土的强度，在一10时其瞬时强度可达到3MPa(粘土)1

2、OMPa(砂土)，而且其阻水效果是其他方法所无法比拟的。 (2)适用面广。适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂的工程地质、水文地质如软土、含水不稳定层、流砂、高水压及高地压地层条件下冻结技术均有效、可行。如我国北京地铁复一八线大北窑一热电厂区间有南北两条隧道，南隧道顶部有2m厚的粉细砂层，降低水位后开挖，引起地表塌陷，采用冻结法施工，成功地控制了地层位移。而注浆、地下连续墙等方法对地质条件的适应性差，而且加固深度有一定的限制。 (3)灵活性好。可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时可以绕过地下障碍物进行冻结。 (4)可控性较好。冻结加固土体均匀、完整。土层注浆和深层搅拌桩，只是对土体

3、局部加固，加固范围不易控制、加固体强度不均匀；而冻结技术可以把设计的土体全部冻成冻土，冻结加固体均匀，整体性好，可形成地下工程施工帷幕。 (5)污染性小。冻结工程施工最大的污染是钻孔时的少量的泥浆排出，冻结过程不向地层注入任何有害物质，冻结工程完毕后，地层自然融化恢复原有状况，不会在地层留下有碍于其他工程施工的地下障碍物。作为一种“绿色”施工方法，符合环境岩土工程发展趋势。 (6)经济上合理。国内外的工程实例表明，复杂地层条件下冻结工程成本与其他施工法(如注浆法和旋喷桩)处于相同的数量级，而且随着加固深度的加大，冻结法的经济性越来越明显。 3冻结法的适用范围 人工土冻结法由于基本不受支护范围和

4、支护深度的限制，以及能有效防止涌水以及控制城市挖掘、钻凿施工中相邻土体的变形而受到越来越多的重视，是岩土工程尤其是特殊地质和工程条件下工程施工的重要方法之一。国外许多国家如德国、法国、美国、加拿大、英国和俄罗斯等，研究和应用人工土冻结技术起步较早，积累了许多成功经验。2、 冻结法原理 传统的人工冻结是在开挖之前，用人工制冷的方法，将开挖空间周围含水地层冻结一个封闭的不透水帷幕一冻结壁，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。为形成冻结壁，首先在欲开挖空间周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器；冻结站制出的低温盐水(一25一35。C)，经去路盐水干管、配液圈到供液管底部，沿

5、冻结管和供液管之间的环形空间上升到回液管、集液圈、回路盐水干管至蒸发器(盐水箱)，形成盐水循环。低温盐水在冻结器中流动，吸收周围地层的热量形成冻结圆柱，冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的冻结壁，直至达到其设计厚度和强度为止。通常将冻结壁扩展到设计厚度所需要的时间称为积极冻结期，而将维持冻结壁的时间称为消极(或维护)冻结期。 吸收了地层热量的盐水，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨，使液氨变为饱和蒸汽氨，再被氨压缩机压缩成过热蒸汽进入冷凝器冷却，将地热和压缩机产生的热量传递给冷却水，最后这些热量传给大气。高压液氨从冷凝器经贮氨器、节流阀流入蒸发器，液氨在蒸发器中汽化吸收周围盐水的热量，这一循环称为

6、氨循环，是制冷的主体，冷却水在冷却水泵、冷凝器和管路中的循环叫冷却水循环，盐水循环、氨循环、冷却水循环是制冷三大循环系统，这三大系统构成热泵，其功能是将地层中的热量通过压缩机排到大气中去。 由于地热在热泵作用下传递给大气，使开挖地层降温，冻结形成冻结壁。人们在它的保护下进行挖砌施工，以便安全穿过含水层，这就是冻结法施工。 目前，根据使用冷媒的不同，制冷方式包括四种：氨(氟利昂)一盐水冻结系统；二氧化碳系统(干冰，CO。)；液化气体系统(液氮)；混合冻结系统(盐水+于冰；盐水+液氮)。3、 设计计算 1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

7、对围护深基坑的稳定性及地下结构工程的施工安全性起到主导作用。因此，在进行深基坑围护结构设计之前，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。 (1)侧土压力。 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，其分布情况与大小不仅与地基土体的特性有关，而且在很大程度上还与支护结构本身的变形有关，侧土压力是作用在冻土墙上的最主要荷载。在侧土压力的计算中，最重要的是冻土墙给予土体的变形条件，作为临时性深基坑围护体系，根据基坑侧壁安全及重要性，一般允许基坑有不同程度的变形，因此冻土墙的侧土压力符合墙前被动土压力和墙后主动

8、土压力的计算理论。在基坑开挖到基坑底后，在侧土压力作用下，冻土墙会产生横向位移和绕墙趾转动变形，则冻土墙外侧承受主动土压力，而在基坑开挖侧冻土墙将从基坑底起承受被动土压力。 (2)冻土墙体的自重。 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，这是由于一般冻土墙结构的体积较大，对其本身有较大的作用力。 (3)温度荷载。 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。由于土体中的水在冻结温度下会凝固成冰，发生体积膨胀，因而在土体中产生冻胀力，这在冻结法施工工程中是不容

9、忽视的。对于矿物颗粒的热胀冷缩，在冻土应力场的分析计算中一般忽略不计。 (4)其他荷载。 由于基坑施工现场周围不可避免地存在建筑物、大型管道等地下构筑物，所以这些设施和建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；由于降水或地表雨水补给使地下水位受到影响，可能出现水位上升而引起侧压力增加，或下降而增加附加应力；另外，现场施工设备的重量和工作会产生施工荷载。 3冻土墙墙体厚度的确定 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

10、、非均质影响等因素后，要取得一般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。 对于圆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 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冻土墙高度的确定 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

11、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的7080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抗管涌验算。4、 施工工艺 1.冻结法施工的工艺流程 (1)现场勘探。 除常规项目外，应侧重了解： 含水层的层位； 地下水流速及是否承压； 粘土层分布、层厚及平面分布的连续性； 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、原有结构物的状况及位置。 (2)室内试验。 土的物理性质试验：颗粒级配、含水量、液限、塑限、密度、冻土中的未冻含水量、冻结温度； 土的水理热学性质试验：土的渗透系数、冻土和融土的比热、导热系数、冻胀和融沉特性； 土的力学性

12、质：冻土的抗压、抗剪、抗拉和抗弯强度及蠕变特性。 (3)设计。 力学设计。 根据现场地温条件及室内参数测试，通过计算确定冻土墙的厚度和深度； 热工设计。 根据现场地温条件及室内参数测试，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。 2.冻结法施工技术 (1)冻结法施工可分为三个阶段。 积极冻结期。 冻结壁首先从每个冻结管向外扩展，在每个冻结管周围形成冻结圆柱；当冻结管的冻结圆柱连成一片时，随着冻结时间的延长，地层的平均温度逐渐降低，冻土墙的强度也逐渐增大。当地层温度达到设计温度时，该阶段结束。 维护冻结期。 此阶段主要是补充地层的冷量损失，维持地层的温度稳定。

13、解冻(恢复)期。 当地层开挖和永久结构施工完成，就可以解冻，拔除冻结管。 (2)冻结法施工的四大工序。 冻结站安装。 冻结站由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、中间冷却器、盐水循环系统设备等组成。 冻结管的施工。 钻冻结孔，在冻结孔内设置冻结器，将不同冻结孔内的冻结器连成一个系统，并与冻结站连接。 地层冻结。 地下工程掘进施工。五、冻结法前景 人工土冻结应用开始于19世纪，已有130余年的历史。最初主要应用于矿山立井工程，是通过厚表土层建设深立井的主要施工方法。 1862年英国首次在南威尔士的建筑基坑中使用了冻结法加固土壤；随后，冻结法逐渐成为煤矿建井的传统方法。1872年德国首先应用于矿井建设

14、。1880年，德国工程师F.H.Poetch在国际上首次提出并获得人工冻结法专利。1883年，在德国阿尔巴里煤矿中首先应用冻结法施工井筒，至1900年人工冻结技术用于矿山施工次数已达60次以上。1888年美国用于煤矿矿井开挖；1965年加拿大开挖1089m矿井，其冻结深度达684m；1952年至1981年间，北美用人工冻结技术凿井达29个。迄今为止，各国冻结井最大深度分别为：英国930m，美国915m，波兰860m，加拿大634m，比利时638m，前苏联620m，德国531m，法国550m，中国702m。 人工冻结技术在城市土木建筑工程中的应用始于1886年瑞典24m长人行隧道建设工程。在此后

15、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。6、 工程实例 冻结法处理上海大连路越江隧道联络通道工程。51 1.工程概况 大连路越江隧道工程是上海市重点工程，两条隧道之间的连接通道均位于黄浦江底以下，相距约400m，位于浦东岸边的连接通道(二)，东西线隧道中心间距27575m，隧道之间高差0345m，连接通道净距约17175m，位于浦西岸边连接通道(一)，东西线隧道中心间距35705m，隧道问高差3565m，连接通道净距约25665m。连接通道结构如图941所示。 2.工程地质概况 连接通道所

16、处地表为黄浦江江底，工程地段土层自上而下为： (1)淤泥，含煤屑、石块等，厚度052Om，层底标高一73一1060m。 (2)灰色淤泥质粉质粘土：厚约2Om，层底标高约一12m，流塑、高压缩性。 (3)灰色淤泥质粘土：厚46m，层底标高约一133m，流塑、偶见贝壳、高压缩性。 (4)灰色粘土：厚15m，层底标高一143一1710m，流塑软塑，高压缩性。 (5)灰色粉质粘土：厚245m，层底标高一1881910m，软塑可塑，中等压缩性。 (6)暗绿色草黄色粘土，厚4565m，层底标高一236一253m，可塑硬塑，中等压缩性。 (7)草黄色砂质粉土，厚6lOm，层底标高一313一336m，湿、中密

17、、中等压缩性。 (8)草黄色粉细砂，湿、密实、中压缩性。 连接通道施工范围内土层主要为草黄色砂质粉土。根据土层资料，该地层具有孔隙比大、含水丰富、承载力低、容易压缩和在动力作用下易液化的特点，开挖后天然土体本身难以白稳，砂质粉土易发生水砂突涌。因此，在该地层内构筑连接通道，采用冻结法加固土体。3.冻结施工设计1冻结主会技术指标的确定(1）冻结盐水温度：积极期：30-32 维护期：-22-28(2)冻土培平均温度：一l0 (3)冻土强度： 2冻结壁库度设计 (1)连接通道冻结帐幕。 断面、荷载及冻土厚度。取冻土推幕厚度为2m，则连接通道冻结帐幕结构荷载如图942所示。 连接通道中部冻土结构的弯矩及轴力如图943所示。 2)喇叭口冻结雌幕。 连接通道两端的喇叭口冻结帐幕断面形状与联络通道类似，