基坑冻土挡墙强度及温度测控系统的研究

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1、基坑冻土挡墙强度及温度测控系统的研究StudyofStrengthandTemperatureMeasurementandControlSystemoftheFrozenSoilRetainingWallinFoundationPit作者姓名：黄非专业名称：地质工程研究方向：基础工程施工及管理指导教师：赵大军教授学位类别：工学博士培养单位：建设工程学院论文答辩日期：2015年6月5日授予学位日期：年月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位姓名职称工作单位王成彪教授中国地质大学（北京）主席殷琨教授吉林大学马保松教授中国地质大学（武汉）委员马保松教授中国地质大学（

2、武汉）潘殿琦教授长春工程学院郭学东教授吉林大学隆威教授中南大学赵大军教授吉林大学陈礼仪教授成都理工大学李允哲研究员吉林省地矿建设陈晨教授吉林大学集团有限公司中文摘要基坑冻土挡墙强度及温度测控系统的研究国家经济不断腾飞，社会发展速度不断加快，大型建筑、大型基建项目正不断的上马，但与此同时带来了地下工程支护的诸多问题。已有的支护方案不仅造成后续工程的无法顺利进行，同时由于支护的原因，造成大量的建筑废弃物，如土钉墙、桩锚支护中的钢筋无法取出再使用，而且在支护前的大量降水止水过程，不仅改变了地下水位的位置，由于钢筋的腐蚀也造成了地下水的污染。因此，地下支护的改变成为了十分突出

3、的问题。基坑冻土挡墙在支护过程中不受地质条件限制，只需通过人工冻结技术使土体冻结，就可以使土体的抵抗外力的能力增强，在强度上达到设计要求。基坑冻土挡墙不仅可以起到支护作用，而且冰可以有效的阻挡水的渗流，起到止水的效果。基坑冻土挡墙具有的诸多优点，保证了在不改变地下水条件下，仍可以保证基础施工的顺利进行。在冻土的自然融解后，恢复原有的地层情况。由于没有建筑废弃物的存在，不会对地下水产生污染，另外不会影响周围的地下管线，不会对建筑物周围的建设造成后期的影响，且可以循环使用，不会造成经济上的浪费。对比以往的支护方案，基坑冻土挡墙的优势非常明显，越来越成为施工人员选择的施工方

4、法。然而，不论是施工人员还是设计人员，对于该施工方法不甚了解。尽管在矿井建设上已经使用人工冻结技术多年，并且形成的理论相当成熟，但作为基坑支护的一种施工方法使用还是很少。原因是基坑冻土挡墙在基坑中的支护缺少理论研究，不能为基坑冻土挡墙做理论支持。比如冻土挡墙强度理论的贫乏、冻土温度场发展规律计算复杂、冻土温度场计算机辅助时人为因素过多影响模型性质、制冷循环系统的温度控制以及远端无线操控的研究等。本文通过现场模拟试验、数值模拟分析等方法对基坑冻土挡墙强度的影响因素进行理论分析及数值分析，找到强度的变化拐点，以能量守恒定律为基础，利用数值分析的方法研究基坑冻土挡墙冷冻半径

5、的发展规律，自制较为简单的温度测控系统。以下是研究的主要内容及主要成果：I（1）通过冻结试验装置进行模拟试验，分析了粉质粘土在不同含水率下，冻结强度与深度、径向距离、冻结时间、冻结温度间等的强度变化规律。基坑冻土挡墙的强度在含水率和冻结温度上都存在拐点。含水率低于拐点值时，冻土挡墙的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及压入硬度都随温度的降低而增高，但含水率高于拐点值时，变化趋势相反或变化不大。当含水率一定时，冻土的压入硬度在土体温度低于拐点值时不再继续增高或增高缓慢，冻土挡墙的抗压强度、抗拉强度及抗剪强度在土体温度低于拐点值时，反而随温度的降低而降低。（2）以能量守恒定律为

6、基础，对冻土温度场进行数值模拟研究，得到运算简单、精度更高的基坑冻土挡墙冻土温度场发展规律的数学模型。模型解决了传热学温度场冻土模型建立的困难和对复杂偏微分方程组的求解；解决了采用ANSYS有限元分析法时，由于在冻土建模时控制参数选取受到人为主观因素的影响较大而经常出现分析解算结果与实际不符的情况。通过与现场试验得到的数据对比分析，模拟的冻土温度场变化规律的发展拟合曲线走势大致与试验数据所得到的拟合曲线相近，吻合度较高。（3）以主处理器AT89S52为核心制作单片机，建立温度测控系统。温控系统包含测温系统与温度控制系统。经过对多个单探头测温传感器与温度测温系统的测试对

7、比分析，该套温度测试系统在温度自动采集的使用中可行，且准确率较高。利用测温系统对温度进行采集，把温度信号传送到温度控制系统，通过温度控制系统对工作泵进行控制，在温度达到要求是关闭工作泵，停止输送制冷液，温度超过范围时，自动打开工作泵，制冷液开始循环流动。通过现场试验，该设备可准确的控制工作泵运转。以无线通信传输模式为基础，通过无线通讯协议制作无线传输设备，并把无线设备与自动温控系统连接，然后通过接口软件把无线传输设备与计算机进行连接，编写计算机软件，利用计算机在远端无线控制自动测温系统，通过现场试验效果良好。关键词：基坑，冻土挡墙，强度，自动测温系统