冻结法最终版

人工地层冻结法技术BREADPPTDESIGN班级：地质1204班组员：田嵩山高炎林魏大川吕波主讲：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1什么是人工地层冻结法？2冻结法有哪些优缺点？3适用范围及发展状况如何？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.需要较大功率的电源4.易引起地层胀起和沉陷，对建筑物有一定影响。5.冻土墙厚度和强度可以控制2.几乎不受地层条件限制1.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4.对地层无污染6.事故处理及工程抢险速度快。2.夏季冻土墙易化3.地下水流速度过快时难于冻结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。Clickheretoaddyourtext.Clickheretoaddyourtext.A加固原理BC二、冻结法加固地层的原理及方式DEFG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原理示意图冻结壁形式冻结的方式加固地基原理冻结管并联和串联冻结原理示意图直接式冻结法间接式冻结法常用冻结壁的形式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。010203设计室内试验现场勘探①力学设计。通过计算确定冻土墙的厚度和深度；②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。.①土的物理性质试验②土的力学性质③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的工艺流程阶段一积极冻结期阶段二维护冻结期冻结法施工的三个阶段阶段三解冻(恢复)期冻结站安装01冻结法施工四大工序冻结管施工.02地层冻结03地下工程掘进施工04冻结法施工阶段及各阶段的作业内容冻结法施工按进度顺序可分为四个阶段：（1）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）解冻期指完成工程项目所需时间。各阶段的作业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。地基土宜为砂性土、粘性土及强风化基岩。.地基土的含水量＞10％。.地下水临界流速＜2m／d。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一二三四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五热工设计计算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，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。冻土自重温度荷载其他荷载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。侧土压力冻土墙与板桩、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，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（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①按整体稳定确定嵌固深度如图9-3-2所示，采用圆弧滑动简单条分法计算，要求𝐾𝑠≥1.0~1.25式中，𝐾𝑠为整体稳定性安全系数，计算方法参照相关文献、资料和规范2、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②按抗隆起稳定确定嵌固深度抗隆起稳定采用极限承载力法来计算，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=1.10～1.202、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③按抗滑动稳定确定嵌固深度该方法认为开挖面以下墙体能起到抵抗基底土体隆起的作用，并假定土体沿墙体底面滑动，认为墙体底面以下的滑动面为一圆弧，如图9—3—4所示。分别计算滑动力矩𝑀𝑠和抗滑力矩𝑀𝑇，要求抗滑动安全系数必须满足：𝐾𝑡=𝑀𝑇𝑀𝑠≥1.2~1.32、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（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①防止流土的嵌固深度验算当地下水位较高且基坑底面以下为砂土、粉土地层时，冻土墙作为帐幕墙的插入深度应满足防止发生流土现象的要求。如图9—3—5所示，防止流土发生的安全系数是墙体底端高程以上的土重W与地下水上浮力F之比，要求必须满足：𝐾𝑤=𝑊𝐹≥1.5~2.52、冻土墙墙体嵌固深度的确定②阻止地下水渗流的冻土墙嵌固深度确定为阻止或减少坑外地下水向坑内的渗流，冻土墙嵌固深度的确定常与土层的分布有关。坑底以下存在粘土层时，冻土墙仅需进入粘土层一定的深度；在深厚透水层中，冻土墙原则上应穿透透水层。以上按冻土墙的临时支护作用和止水作用所确定的最大嵌固深度即为所需的冻土墙嵌固深度计算值。当引入地区性的安全系数和基坑安全等级进行修正后，即为嵌固深度的设计值，设计值一般取计算值的1.1~1.2倍。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、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：①未冻土为线弹性体；②冻土为各向同性、均质的弹性体；冻土墙墙体厚度为等厚体。③对于图形基坑并假定计算图形如图9—3—6所示，则冻土墙的厚度可以按下式计算：3、冻土墙墙体厚度的确定e=12pR式中：e——冻结壁厚度（m）；R——冻结壁内半径（m）；σ——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、冻土墙墙体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（1）冻结负荷计算。1)冻结土方量V=eHL式中：V—冻结土方量（𝑚3）；e—冻土墙厚度（m）；H—冻土墙高度（m）；L—冻土墙长度（m）。5、热工设计计算2)墙体所需冻结负荷。①单位体积冻土墙耗热量Q式中：𝑄1——未冻土降温耗热（kJ/𝑚3）；𝑄2——冻土降温耗热（kJ/𝑚3）；𝑄3——相变耗热（kJ/𝑚3）。未冻土降温耗热𝑄11vswd0f==QCCC123=QQQQ5、热工设计计算式中：——分别为冻土颗粒、水、冰的比热（kJ/kg·℃）——土的干密度（kg/cm3）——分别为冻土平均温度、土的起始冻结温度（℃）冻土降温耗热𝑄2式中：——冻土中未冻土含水量（%）；——已冻土颗粒、水、冰比热（kJ/kg·℃）；——冻土平均温度（℃）vswCCC、、vswCCC、、d0f、2swudfd=-IQCCCuICd5、热工设计计算相变耗热𝑄3式中：q——冰的融化潜热（kJ/kg）。②冻结墙体总耗热量𝑄𝑇𝑄𝑇=𝑄×𝑉式中：V