人工冻土融沉特性及其对周围环境影响研究_第七章人工冻土融沉防治措施研究_121_

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1、第七章人工冻土融沉防治措施研究7.1引言为防止人工冻土融沉造成的不利影响，工程实践中多采用在冻土融化时进行跟踪注浆的方法来减少融沉量，但注浆时间、注浆位置、注浆次数和注浆量主要依靠经验选择，具有盲目性。因此，有必要对融沉注浆进行系统的研究。本章拟以数值模拟为手段，在分析解冻方式（自然解冻、强制解冻、分区强制解冻）、注浆位置、注浆量和注浆次数对地表沉降影响规律的基础上，通过对不同注浆方法（自然解冻分次注浆，强制解冻分次注浆、分区强制解冻分次注浆）实施效果的比较，选出最为合理的融沉注浆方法，并给出该方法的实施建议。7.2融沉注浆机理融沉注浆是浆液置换土中水，充填土中空隙,压密土体

2、并使周围土体发生水力劈裂,形成水平或网状浆脉骨架,加固土体的过程。根据浆液在土体中的流动，融沉注浆可分成三个阶段：第I阶段，填充土中空隙阶段融沉注浆起初，浆液会渗入土中孔隙，置换土中水或充填土中空隙,该阶段一般注浆压力较小,吃浆量的大小取决于土的孔隙率。第II阶段，径向挤密阶段浆液在压力的作用下，挤向土层，并在土层中形成圆柱状的浆体，这一过程是浆液在土中扩张，并使土体发生径向弹塑性变形的过程。该阶段属于典型的压密注浆，浆液的作用方式是以浆液体对土体的径向挤密为主。第III阶段，劈裂流动阶段随着注浆的进行，浆液体积不断膨胀，浆液体内压力也逐渐上升，当浆液对土体的压力达到一定程度

3、时，超过土体的启裂压力，浆液在土层中将产生水平方向的劈裂流动，在出浆口附近形成若干向四周延伸的水平浆脉。此时，浆液对土体的作用方式较第二阶段发生了显著的变化，由第二阶段水平方向的压密转变成为由水平浆脉对土体的竖向压密，宏观的表现就是浆液对土体产生了较大的向上顶升力。融沉注浆属于地表浅层注浆，注浆材料通常为粒状浆材和化学浆材，其中粒状浆材包括纯水泥浆、粘土水泥浆及水泥砂浆三种，注浆压力取决于冻土壁的埋深，一般取冻土壁埋深处静水压力的1.2倍，注浆易采用花管，原因是采用花管注浆时喷出的断面积较钻孔注浆明显增大，可大大减小压力急剧上升和浆液涌到地表层的可能性。7.3融沉注浆数值模拟

4、方法113为模拟人工冻土融化时的注浆过程，在第六章建立的有限元模型中设置浆液凝固体，设置位置和数量根据注浆管的位置和数量确定。设置浆液凝固体材料为热相关材料，注浆模拟时，对浆液凝固体材料施加温度荷载，通过浆液凝固体的膨胀量来模拟注浆量，图7-1为浆液凝固体和浆液凝固体网格划分图。7.4融沉注浆有限元分析7.4.1解冻方式对温度场和位移场的影响oo图7-2给出了自然融化、在冻结管内通45C热水强制解冻和在冻结管内通70C热水强制解冻情况下，不同时刻的冻融界面图。由图7-2可以看出，自然融化和强制解冻的融化面形式有很大的区别，自然融化的冻融面从冻结帷幕外围向冻土中心推进，解冻热量

5、主要来自于与隧道管片和混凝土槽壁接触的大气温度；强制解冻主要以冻结管轴面为中心向外扩散，同时也受来自隧道管片、混凝土槽壁和周围土体热量的影响。强制解冻速度明显大于自然融化，自然融化1000小时后仍有大量未融化冻土，而强制解冻200小时后剩余冻土量已经很少。图7-3为不同解冻方式情况下解冻区土体最低温度与时间的关系曲线。由图7-3可以看出，强制解冻与自然融化一样，土体融化都可以分成：升温阶段、相变阶段和正温阶段，但强制解冻升温阶段和相变阶段需要的时间大幅度缩短，且强制解冻温度越高，缩短程度越大。采用分区强制解冻时，每个分区的温度变化趋势和整体强制解冻基本相同，每个分区的解冻时间

6、基本等于整体强制解冻的时间。图7-4为不同解冻方式情况下地表最大沉降随时间的变化。由图7-4可以看出，整体强制解冻地表沉降时间最短，沉降速度最快，沉降速度不均匀；自然融化地表沉降时间最长，沉降速度最慢，沉降速度也不均匀；分区强制解冻地表沉降时间适中，沉降速度非常均匀。整体强制解冻融化速度快，注浆施工时间短，但是短时间内将产生较大变形，如果注114浆不及时，将造成地表过大沉降，因此不宜采用。自然融化解冻速度慢，但是注浆施工要延续几个月，且融土与冻土掺杂给注浆造成困难，从缩短融沉跟踪注浆时间来说，也不宜采用。分区强制解冻速度均匀，且每个分区的融化时间与整体强制解冻基本相同，不存在

7、融土与冻土掺杂的问题，便于进行分区注浆，是控制融沉最好的解冻方式。201510C)5o0时间(d)-50102030405060-10自然融化-1545度融化解冻区最低温度(-2070度融化-25分区70度融化-30-35图7-3不同解冻方式情况下解冻区土体最低温度与时间的关系115时间(d)00102030405060-0.005自然融化45度融化-0.0170度融化70度分区融化沉降量(m)-0.015-0.02-0.025图7-4不同解冻方式情况下地表最大沉降随时间的变化7.4.2注浆位置、注浆量