浅覆土管棚冻结的冻胀控制技术研究

摘要

人工地层冻结法以其对复杂水文条件和地质条件较强的适应性、对环境无污染、所形成的冻土帷幕具有绝对的封水性、较高的强度、较好的整体性、均质性和可复原性等诸多优点，在城市地下工程中应用广泛，被称为“绿色环保工法”，但冻结过程中过量的冻胀可引起邻近建/构筑物产生不均匀沉降、道路路面开裂以及地下管线破坏等灾害。
　　本文针对浅覆土冻胀问题，依托中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金项目“市政工程中强管棚冻结暗挖穿越技术研究”，以上海某地铁车站出入口工程为研究背景，采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法对管棚冻结冻胀控制技术进行了研究。
　　首先，对管棚冻结冻胀控制机理进行了分析，提出了管棚冻结冻胀控制的理念，即利用管棚帮助冻土承载，减小设计冻结壁厚度，减小冻土体量，从而减小冻胀量。
　　其次，基于该理念，通过对纯管棚结构、纯冻土结构和冻土+管棚复合结构三种结构型式进行比选，对上海某地铁车站出入口工程冻结设计参数进行优化。
　　再次，以实际工程为例，利用ANSYS有限元分析软件对浅覆土条件下的冻胀效应进行了数值模拟，得到了上覆土厚度为6.4m时，土体内部最大冻胀量高达160mm，地表最大隆起量高达142mm，然后再对管棚冻结冻胀效应进行了数值模拟，结果显示：采用管棚冻结技术可减小地表冻胀量约40％，冻胀控制效果较为显著，证明了管棚冻结冻胀控制技术的有效性。
　　最后，采用自动化沉降监测仪对地下管线及地表变形进行了现场实测，结果表明：沉降曲线整体上呈现“近正弦曲线”型走势，地下管线最大冻胀变形出现在结构中心线正上方的上水管线处，最大冻胀量为11.4mm，地表最大冻胀量为10.1mm，冻胀控制效果较为理想，再一次证明了管棚冻结冻胀控制技术的有效性和可行性。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的主要问题

1.4 本文研究的主要内容、方法与技术路线

2 浅覆土冻结环境效应研究

2.1 浅覆土冻结环境效应

2.2 冻胀的机理及影响因素

2.3 管棚冻结冻胀控制机理

2.4 本章小结

3 浅覆土管棚冻结设计

3.1 工程概况

3.2 冻结法加固设计

3.3 三种结构模型的比选

3.4 管棚冻结技术方案

3.5 本章小结

4 浅覆土管棚冻结冻胀数值模拟

4.1 冻胀率的测定

4.2 冻胀模拟方法

4.3 数值计算模型

4.4 冻胀数值模拟过程

4.5 本章小结

5 管棚冻结冻胀实测

5.1 管棚冻结实时监测方案

5.2 监测结果分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

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