先注浆后冻结综合方法加固粉细砂地层的试验研究

摘要

近年来随着各地区地铁开发的持续升温，隧道施工技术也发生了日新月异的变化，多种新工艺、新技术逐渐出现且日趋完善，但在粉细砂地层中的掘进技术，一直是地铁隧道施工中的一大难题。粉细砂层无黏聚力，自稳能力差，在该地层中开挖隧道极易发生涌水、涌砂、塌方等工程灾害。 正是随着地下空间大规模的开发利用，人工冻结法施工已越来越广泛的应用于加固粉细砂等软弱地层，如何安全、经济、合理地将冻结法用于地下空间开发特别是隧道特殊部位的设计与施工中，避免由于冻结法施工过程中某些缺陷而引起严重工程事故的发生，已经成为地下空间开发利用过程中的一个重要的研究课题。 然而目前国内外对粉细砂地层中隧道局部冻结施工部位的冻土工程特性以及对隧道工程质量的影响研究甚少，而这恰恰关系到在建隧道以及隧道上方建筑物的安全。针对这一现状，本文在分析冻结法、注浆法在粉细砂地层中应用现状的基础上，通过室内试验，理论分析等研究方法，对以下几个方面进行了深入而系统的研究。 （1）在查阅国内外大量文献的基础上，总结给出适用于粉细砂地层的注浆工法和注浆参数的确定方法；并通过对比分析，提出了单纯注浆技术在粉细砂地层中应用的不足。 （2）在现有冻结法研究的基础上，对人工冻结原理、冻土强度理论以及冻结壁厚度的确定进行了论述；分析总结了人工冻结法适用的土质以及所适合的领域；并针对于粉细砂地层，对人工冻结技术的优势与局限性进行了总结。 （3）通过室内直剪试验，分别对注浆、冻结，注浆、不冻结，冻结、不注浆，不注浆、不冻结粉细砂土样的抗剪强度进行了研究，并就上述方法对粉细砂土体的加固效果进行了综合评价。 （4）通过室内直剪试验，就（3）中所述的四种土体，分析了含水量、水灰比、养护时间、环境冻结温度等影响因素对其抗剪强度指标的影响，在此基础上给出了各因素与土样抗剪强度指标值之间的关系。 在上述机理分析、试验研究的基础上，本文提出在粉细砂地层中可采用先注浆、后冻结的方法进行土体加固。注浆可以加固土体、抗渗止水、防止变形，它恰好弥补冻结法冻结时的冻胀变形和解冻期可能发生的强度不足、漏水及较大的融沉变形；此外，对注浆土体进行冻结再加固，选取合适的负温即可保证土体的围护强度，这样可以节约资源并减少工程投资。 本文的研究成果将为施工单位安全、有效的控制冻结施工工期，保证在粉细砂地层隧道建设过程中冻结部位的稳定、工程建设的安全和节约能源提供科学的指导，同时也为软弱土层中隧道建设时的地层加固提出了新的可借鉴方法和依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 人工冻结的研究现状

1.3 人工冻结技术可继续深入研究的部分

1.4 主要研究内容

1.5 主要研究思路

第2章 注浆技术在粉细砂地层中的应用

2.1 粉细砂地层的注浆机理

2.2 粉细砂地层中宜选用的注浆材料

2.2.1 水玻璃浆材

2.2.2 水泥类浆材

2.2.3 化学浆材

2.3 目前工程实践中较适合粉质细砂地层的注浆工法

2.3.1 小导管超前注浆法

2.3.2 洞内长短管注浆法

2.3.3 大管棚预注浆超前支护

2.3.4 TSS型注浆管洞内注浆法

2.4 粉细砂地层中注浆参数的确定

2.4.1 浆液的用量

2.4.2 注浆厚度的确定

2.4.3 柱形扩散的时间关系式以及浆液扩散半径及孔距

2.4.4 灌注半径及注浆孔的确定

2.4.5 注浆压力的确定

2.5 注浆效果的检验与评价

2.5.1 注浆效果的评价标准

2.5.2 注浆效果的检验

2.6 粉细砂地层注浆工法的综合评价

2.7 小结

第3章 人工冻结技术在粉细砂地层中的应用

3.1 冻土的物理力学性质

3.1.1 冻土的力学性质

3.1.2 冻土的物理性质

3.2 冻土的强度理论

3.2.1 冻土的抗剪强度

3.2.2 冻土的抗压强度

3.3 人工冻结技术原理

3.4 循环盐水温度和压力原理

3.5 冻结壁厚度的计算理论

3.5.1 根据力学模型得到的冻结壁厚度的计算公式

3.5.2 数理统计的经验法

3.6 人工冻结法的施工工序与工艺

3.6.1 施工工序

3.6.2 施工工艺

3.7 人工冻结法适用土质

3.8 人工冻结法应用的领域

3.9 人工冻结法的优点

3.10 人工冻结法存在的问题

3.11 小结

第4章 冻结粉质细砂的抗剪强度研究

4.1 直剪试验内容及方法

4.1.1 试验土样

4.1.2 制备方法

4.1.3 试验仪器

4.1.4 试验方法

4.1.5 试验步骤

4.1.6 试验设计

4.2 直剪试验结果

4.2.1 土样剪切应力与剪切位移关系曲线

4.2.2 土样的抗剪强度指标

4.2.3 粉细砂土样剪切后的破坏形式

4.2.4 含水量对抗剪强度指标的影响分析

4.2.5 环境冻结温度对抗剪强度指标的影响分析

4.2.6 水灰比对抗剪强度指标的影响分析

4.2.7 养护时间对抗剪强度指标的影响分析

4.3 小结

第5章 结论与展望

5.1 主要研究结论

5.2 主要创新点

5.3 展望

参考文献

作者简历