冰凍法法 - 副本

1、.地基處理作業(yè)姓名：王帆 學(xué)號(hào)：1208111028 班級(jí)：土木1108班凍結(jié)法1、 方法說(shuō)明1凍結(jié)法的定義 人工凍結(jié)的應(yīng)用和研究是以天然凍結(jié)條件下凍土的物理力學(xué)性質(zhì)研究為基礎(chǔ)，并隨著人工凍結(jié)鑿井逐步發(fā)展起來(lái)的。凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水凍結(jié)，把天然巖土變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行隧道、立井和地下工程的開(kāi)挖與襯砌的施工。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時(shí)改變巖土的狀態(tài)以固結(jié)地層。 2凍結(jié)法的優(yōu)點(diǎn) (1)安全可靠性好?？梢杂行У馗艚^地下水。凍結(jié)施工使土體中的大部分水結(jié)冰，這不僅提高了土的強(qiáng)度，在一10時(shí)其瞬時(shí)強(qiáng)度可達(dá)到3MPa(粘土)1

2、OMPa(砂土)，而且其阻水效果是其他方法所無(wú)法比擬的。 (2)適用面廣。適用于任何含一定水量的松散巖土層，在復(fù)雜的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)如軟土、含水不穩(wěn)定層、流砂、高水壓及高地壓地層條件下凍結(jié)技術(shù)均有效、可行。如我國(guó)北京地鐵復(fù)一八線大北窯一熱電廠區(qū)間有南北兩條隧道，南隧道頂部有2m厚的粉細(xì)砂層，降低水位后開(kāi)挖，引起地表塌陷，采用凍結(jié)法施工，成功地控制了地層位移。而注漿、地下連續(xù)墻等方法對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性差，而且加固深度有一定的限制。 (3)靈活性好?？梢匀藶榈乜刂苾鼋Y(jié)體的形狀和擴(kuò)展范圍，必要時(shí)可以繞過(guò)地下障礙物進(jìn)行凍結(jié)。 (4)可控性較好。凍結(jié)加固土體均勻、完整。土層注漿和深層攪拌樁，只是對(duì)土體

3、局部加固，加固范圍不易控制、加固體強(qiáng)度不均勻；而凍結(jié)技術(shù)可以把設(shè)計(jì)的土體全部?jī)龀蓛鐾粒瑑鼋Y(jié)加固體均勻，整體性好，可形成地下工程施工帷幕。 (5)污染性小。凍結(jié)工程施工最大的污染是鉆孔時(shí)的少量的泥漿排出，凍結(jié)過(guò)程不向地層注入任何有害物質(zhì)，凍結(jié)工程完畢后，地層自然融化恢復(fù)原有狀況，不會(huì)在地層留下有礙于其他工程施工的地下障礙物。作為一種“綠色”施工方法，符合環(huán)境巖土工程發(fā)展趨勢(shì)。 (6)經(jīng)濟(jì)上合理。國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)例表明，復(fù)雜地層條件下凍結(jié)工程成本與其他施工法(如注漿法和旋噴樁)處于相同的數(shù)量級(jí)，而且隨著加固深度的加大，凍結(jié)法的經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越明顯。 3凍結(jié)法的適用范圍 人工土凍結(jié)法由于基本不受支護(hù)范圍和

4、支護(hù)深度的限制，以及能有效防止涌水以及控制城市挖掘、鉆鑿施工中相鄰?fù)馏w的變形而受到越來(lái)越多的重視，是巖土工程尤其是特殊地質(zhì)和工程條件下工程施工的重要方法之一。國(guó)外許多國(guó)家如德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、加拿大、英國(guó)和俄羅斯等，研究和應(yīng)用人工土凍結(jié)技術(shù)起步較早，積累了許多成功經(jīng)驗(yàn)。2、 凍結(jié)法原理 傳統(tǒng)的人工凍結(jié)是在開(kāi)挖之前，用人工制冷的方法，將開(kāi)挖空間周圍含水地層凍結(jié)一個(gè)封閉的不透水帷幕一凍結(jié)壁，用以抵抗地壓、水壓，隔絕地下水；而后，在其保護(hù)下進(jìn)行挖砌施工。為形成凍結(jié)壁，首先在欲開(kāi)挖空間周圍打一定數(shù)量的凍結(jié)孔，孔內(nèi)安裝凍結(jié)器；凍結(jié)站制出的低溫鹽水(一25一35。C)，經(jīng)去路鹽水干管、配液圈到供液管底部，沿

5、凍結(jié)管和供液管之間的環(huán)形空間上升到回液管、集液圈、回路鹽水干管至蒸發(fā)器(鹽水箱)，形成鹽水循環(huán)。低溫鹽水在凍結(jié)器中流動(dòng)，吸收周圍地層的熱量形成凍結(jié)圓柱，凍結(jié)圓柱逐漸擴(kuò)大并連接成封閉的凍結(jié)壁，直至達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度為止。通常將凍結(jié)壁擴(kuò)展到設(shè)計(jì)厚度所需要的時(shí)間稱為積極凍結(jié)期，而將維持凍結(jié)壁的時(shí)間稱為消極(或維護(hù))凍結(jié)期。 吸收了地層熱量的鹽水，在鹽水箱內(nèi)將熱量傳遞給蒸發(fā)器中的液氨，使液氨變?yōu)轱柡驼羝?，再被氨壓縮機(jī)壓縮成過(guò)熱蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻，將地?zé)岷蛪嚎s機(jī)產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻水，最后這些熱量傳給大氣。高壓液氨從冷凝器經(jīng)貯氨器、節(jié)流閥流入蒸發(fā)器，液氨在蒸發(fā)器中汽化吸收周圍鹽水的熱量，這一循環(huán)稱為

6、氨循環(huán)，是制冷的主體，冷卻水在冷卻水泵、冷凝器和管路中的循環(huán)叫冷卻水循環(huán)，鹽水循環(huán)、氨循環(huán)、冷卻水循環(huán)是制冷三大循環(huán)系統(tǒng)，這三大系統(tǒng)構(gòu)成熱泵，其功能是將地層中的熱量通過(guò)壓縮機(jī)排到大氣中去。 由于地?zé)嵩跓岜米饔孟聜鬟f給大氣，使開(kāi)挖地層降溫，凍結(jié)形成凍結(jié)壁。人們?cè)谒谋Ｗo(hù)下進(jìn)行挖砌施工，以便安全穿過(guò)含水層，這就是凍結(jié)法施工。 目前，根據(jù)使用冷媒的不同，制冷方式包括四種：氨(氟利昂)一鹽水凍結(jié)系統(tǒng)；二氧化碳系統(tǒng)(干冰，CO。)；液化氣體系統(tǒng)(液氮)；混合凍結(jié)系統(tǒng)(鹽水+于冰；鹽水+液氮)。3、 設(shè)計(jì)計(jì)算 1作用在凍土墻上的主要荷載 在深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，外界荷載由凍土墻和混凝土內(nèi)襯共同來(lái)承擔(dān)，但凍土墻

7、對(duì)圍護(hù)深基坑的穩(wěn)定性及地下結(jié)構(gòu)工程的施工安全性起到主導(dǎo)作用。因此，在進(jìn)行深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，有必要清楚凍土墻承受的主要荷載情況，為設(shè)計(jì)出安全、可靠的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)提供可靠的依據(jù)。 (1)側(cè)土壓力。 作用在凍土墻上的土壓力稱為側(cè)土壓力，側(cè)土壓力分為靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力三種，其分布情況與大小不僅與地基土體的特性有關(guān)，而且在很大程度上還與支護(hù)結(jié)構(gòu)本身的變形有關(guān)，側(cè)土壓力是作用在凍土墻上的最主要荷載。在側(cè)土壓力的計(jì)算中，最重要的是凍土墻給予土體的變形條件，作為臨時(shí)性深基坑圍護(hù)體系，根據(jù)基坑側(cè)壁安全及重要性，一般允許基坑有不同程度的變形，因此凍土墻的側(cè)土壓力符合墻前被動(dòng)土壓力和墻后主動(dòng)

8、土壓力的計(jì)算理論。在基坑開(kāi)挖到基坑底后，在側(cè)土壓力作用下，凍土墻會(huì)產(chǎn)生橫向位移和繞墻趾轉(zhuǎn)動(dòng)變形，則凍土墻外側(cè)承受主動(dòng)土壓力，而在基坑開(kāi)挖側(cè)凍土墻將從基坑底起承受被動(dòng)土壓力。 (2)凍土墻體的自重。 在深基坑圍護(hù)體系結(jié)構(gòu)中，作為承擔(dān)主要外界荷載的凍土墻，其自重在圍護(hù)體系的設(shè)計(jì)和計(jì)算中是不容忽視的，這是由于一般凍土墻結(jié)構(gòu)的體積較大，對(duì)其本身有較大的作用力。 (3)溫度荷載。 凍土墻與板樁、重力式擋土墻、地下連續(xù)墻、土釘墻等支護(hù)方式所受荷載有一個(gè)顯著不同之處，即其在自身溫度場(chǎng)作用下，要承受溫度荷載。由于土體中的水在凍結(jié)溫度下會(huì)凝固成冰，發(fā)生體積膨脹，因而在土體中產(chǎn)生凍脹力，這在凍結(jié)法施工工程中是不容

9、忽視的。對(duì)于礦物顆粒的熱脹冷縮，在凍土應(yīng)力場(chǎng)的分析計(jì)算中一般忽略不計(jì)。 (4)其他荷載。 由于基坑施工現(xiàn)場(chǎng)周圍不可避免地存在建筑物、大型管道等地下構(gòu)筑物，所以這些設(shè)施和建筑物會(huì)產(chǎn)生永久荷載；同時(shí)，凍土墻周圍道路上汽車的行駛會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)荷載；由于降水或地表雨水補(bǔ)給使地下水位受到影響，可能出現(xiàn)水位上升而引起側(cè)壓力增加，或下降而增加附加應(yīng)力；另外，現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備的重量和工作會(huì)產(chǎn)生施工荷載。 3凍土墻墻體厚度的確定 凍土墻的厚度取決于外部壓力的大小、凍土強(qiáng)度特性和變形特性、凍土墻暴露高度和時(shí)間、凍土和周圍環(huán)境的溫度狀況以及其他因素，所以凍土墻厚度的計(jì)算是個(gè)復(fù)雜的熱一力學(xué)問(wèn)題，特別是當(dāng)考慮空間影響、蠕變影響

10、、非均質(zhì)影響等因素后，要取得一般的公式簡(jiǎn)單解是極其困難的。因此在設(shè)計(jì)中進(jìn)行如下的假定：未凍土為線彈性體；凍土為各向同性、均質(zhì)的彈性體；凍土墻墻體厚度為等厚體。 對(duì)于圓形基坑并假定計(jì)算圖形如圖936所示，則凍土墻的厚度可以按下式計(jì)算 式中：e凍結(jié)壁厚度(m)； R凍結(jié)壁內(nèi)半徑(m)； 凍土極限抗壓強(qiáng)度(已考慮安全系數(shù))，可以用長(zhǎng)期強(qiáng)度替代(MPa)； p地壓(MPa)。 對(duì)于矩形基坑，可以按照以下方法確定凍土墻厚度； (1)按抗傾覆穩(wěn)定性確定墻體的厚度； (2)按變形條件確定墻體厚度。 4凍土墻高度的確定 凍土墻高度(包括擋土部分高度和基坑底面下的入土深度)與基坑設(shè)計(jì)深度、土壓力、墻體穩(wěn)定系數(shù)關(guān)

11、系密切。當(dāng)基坑設(shè)計(jì)深度以下有含水層且其埋藏深度在基坑設(shè)計(jì)深度的7080范圍內(nèi)時(shí)，凍土墻高度應(yīng)穿過(guò)含水層，坐落在隔水層中，并進(jìn)行坑底抗隆起和抗管涌驗(yàn)算。4、 施工工藝 1.凍結(jié)法施工的工藝流程 (1)現(xiàn)場(chǎng)勘探。 除常規(guī)項(xiàng)目外，應(yīng)側(cè)重了解： 含水層的層位； 地下水流速及是否承壓； 粘土層分布、層厚及平面分布的連續(xù)性； 氣象及地溫資料； 土層含鹽量和pH值； 現(xiàn)場(chǎng)附近的地下埋設(shè)物、原有結(jié)構(gòu)物的狀況及位置。 (2)室內(nèi)試驗(yàn)。 土的物理性質(zhì)試驗(yàn)：顆粒級(jí)配、含水量、液限、塑限、密度、凍土中的未凍含水量、凍結(jié)溫度； 土的水理熱學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)：土的滲透系數(shù)、凍土和融土的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、凍脹和融沉特性； 土的力學(xué)性

12、質(zhì)：凍土的抗壓、抗剪、抗拉和抗彎強(qiáng)度及蠕變特性。 (3)設(shè)計(jì)。 力學(xué)設(shè)計(jì)。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地溫條件及室內(nèi)參數(shù)測(cè)試，通過(guò)計(jì)算確定凍土墻的厚度和深度； 熱工設(shè)計(jì)。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地溫條件及室內(nèi)參數(shù)測(cè)試，通過(guò)計(jì)算確定凍結(jié)管的數(shù)量、布局；凍土墻的交圈時(shí)間、冷凍機(jī)組的裝機(jī)容量及配置。 2.凍結(jié)法施工技術(shù) (1)凍結(jié)法施工可分為三個(gè)階段。 積極凍結(jié)期。 凍結(jié)壁首先從每個(gè)凍結(jié)管向外擴(kuò)展，在每個(gè)凍結(jié)管周圍形成凍結(jié)圓柱；當(dāng)凍結(jié)管的凍結(jié)圓柱連成一片時(shí)，隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，地層的平均溫度逐漸降低，凍土墻的強(qiáng)度也逐漸增大。當(dāng)?shù)貙訙囟冗_(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)，該階段結(jié)束。 維護(hù)凍結(jié)期。 此階段主要是補(bǔ)充地層的冷量損失，維持地層的溫度穩(wěn)定。

13、解凍(恢復(fù))期。 當(dāng)?shù)貙娱_(kāi)挖和永久結(jié)構(gòu)施工完成，就可以解凍，拔除凍結(jié)管。 (2)凍結(jié)法施工的四大工序。 凍結(jié)站安裝。 凍結(jié)站由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、中間冷卻器、鹽水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備等組成。 凍結(jié)管的施工。 鉆凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔內(nèi)設(shè)置凍結(jié)器，將不同凍結(jié)孔內(nèi)的凍結(jié)器連成一個(gè)系統(tǒng)，并與凍結(jié)站連接。 地層凍結(jié)。 地下工程掘進(jìn)施工。五、凍結(jié)法前景 人工土凍結(jié)應(yīng)用開(kāi)始于19世紀(jì)，已有130余年的歷史。最初主要應(yīng)用于礦山立井工程，是通過(guò)厚表土層建設(shè)深立井的主要施工方法。 1862年英國(guó)首次在南威爾士的建筑基坑中使用了凍結(jié)法加固土壤；隨后，凍結(jié)法逐漸成為煤礦建井的傳統(tǒng)方法。1872年德國(guó)首先應(yīng)用于礦井建設(shè)

14、。1880年，德國(guó)工程師F.H.Poetch在國(guó)際上首次提出并獲得人工凍結(jié)法專利。1883年，在德國(guó)阿爾巴里煤礦中首先應(yīng)用凍結(jié)法施工井筒，至1900年人工凍結(jié)技術(shù)用于礦山施工次數(shù)已達(dá)60次以上。1888年美國(guó)用于煤礦礦井開(kāi)挖；1965年加拿大開(kāi)挖1089m礦井，其凍結(jié)深度達(dá)684m；1952年至1981年間，北美用人工凍結(jié)技術(shù)鑿井達(dá)29個(gè)。迄今為止，各國(guó)凍結(jié)井最大深度分別為：英國(guó)930m，美國(guó)915m，波蘭860m，加拿大634m，比利時(shí)638m，前蘇聯(lián)620m，德國(guó)531m，法國(guó)550m，中國(guó)702m。 人工凍結(jié)技術(shù)在城市土木建筑工程中的應(yīng)用始于1886年瑞典24m長(zhǎng)人行隧道建設(shè)工程。在此后

15、的一個(gè)多世紀(jì)里，人工凍結(jié)技術(shù)在許多國(guó)家的煤礦、隧道、地鐵、建筑基礎(chǔ)、工程搶險(xiǎn)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中得到不斷應(yīng)用和發(fā)展，并且成為許多工程唯一可選的方法。6、 工程實(shí)例 凍結(jié)法處理上海大連路越江隧道聯(lián)絡(luò)通道工程。51 1.工程概況 大連路越江隧道工程是上海市重點(diǎn)工程，兩條隧道之間的連接通道均位于黃浦江底以下，相距約400m，位于浦東岸邊的連接通道(二)，東西線隧道中心間距27575m，隧道之間高差0345m，連接通道凈距約17175m，位于浦西岸邊連接通道(一)，東西線隧道中心間距35705m，隧道問(wèn)高差3565m，連接通道凈距約25665m。連接通道結(jié)構(gòu)如圖941所示。 2.工程地質(zhì)概況 連接通道所

16、處地表為黃浦江江底，工程地段土層自上而下為： (1)淤泥，含煤屑、石塊等，厚度052Om，層底標(biāo)高一73一1060m。 (2)灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：厚約2Om，層底標(biāo)高約一12m，流塑、高壓縮性。 (3)灰色淤泥質(zhì)粘土：厚46m，層底標(biāo)高約一133m，流塑、偶見(jiàn)貝殼、高壓縮性。 (4)灰色粘土：厚15m，層底標(biāo)高一143一1710m，流塑軟塑，高壓縮性。 (5)灰色粉質(zhì)粘土：厚245m，層底標(biāo)高一1881910m，軟塑可塑，中等壓縮性。 (6)暗綠色草黃色粘土，厚4565m，層底標(biāo)高一236一253m，可塑硬塑，中等壓縮性。 (7)草黃色砂質(zhì)粉土，厚6lOm，層底標(biāo)高一313一336m，濕、中密

17、、中等壓縮性。 (8)草黃色粉細(xì)砂，濕、密實(shí)、中壓縮性。 連接通道施工范圍內(nèi)土層主要為草黃色砂質(zhì)粉土。根據(jù)土層資料，該地層具有孔隙比大、含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動(dòng)力作用下易液化的特點(diǎn)，開(kāi)挖后天然土體本身難以白穩(wěn)，砂質(zhì)粉土易發(fā)生水砂突涌。因此，在該地層內(nèi)構(gòu)筑連接通道，采用凍結(jié)法加固土體。3.凍結(jié)施工設(shè)計(jì)1凍結(jié)主會(huì)技術(shù)指標(biāo)的確定(1）凍結(jié)鹽水溫度：積極期：30-32 維護(hù)期：-22-28(2)凍土培平均溫度：一l0 (3)凍土強(qiáng)度： 2凍結(jié)壁庫(kù)度設(shè)計(jì) (1)連接通道凍結(jié)帳幕。 斷面、荷載及凍土厚度。取凍土推幕厚度為2m，則連接通道凍結(jié)帳幕結(jié)構(gòu)荷載如圖942所示。 連接通道中部?jī)鐾两Y(jié)構(gòu)的彎矩及軸力如圖943所示。 2)喇叭口凍結(jié)雌幕。 連接通道兩端的喇叭口凍結(jié)帳幕斷面形狀與聯(lián)絡(luò)通道類似，