浅论季节冻土地区圆形基坑冻结壁模型试验研究

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1、博士学位论文季节冻土地区圆形基坑冻结壁模型试验研究EXPERIMENTALSTUDYONCIRCULARFROZENSOILWALLFORPITEXCAVATIONINSEASONALLYFROZENAREA吉植强2003年∼2010年山东潍坊吉植强到此一游哈尔滨工业大学2010年9月国内图书分类号：TU471学校代码：10213国际图书分类号：624.154密级：公开工学博士学位论文季节冻土地区圆形基坑冻结壁模型试验研究博士研究生：吉植强导师：徐学燕教授申请学位：工学博士学科：岩土工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2010年9月授

2、予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU471U.D.C.:624.154DissertationfortheDoctoralDegreeEXPERIMENTALSTUDYONCIRCULARFROZENSOILWALLFORPITEXCAVATIONINSEASONALLYFROZENAREACandidate:JiZhiqiangSupervisor:ProfessorXuXueyanAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:Geotechni

3、calEngineeringAffiliation:SchoolofCivilEngineeringDateofDefence:September,2010Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要人工冻结技术在基坑工程中尚未被广泛应用，一个重要的原因是人工冻结的耗能大，阻碍了这项绿色施工技术的推广。而我国季节冻土区面积广大，利用季节冻土层中的天然低温冷能环境进行冻结技术施工必定节约大量的能源。因而开展季节冻土区圆形基坑冻结壁的模型试验研究，揭示在该环境中

4、人工冻结壁沿深度初始温度场、热学、力学特性与节能规律将为推动季节冻土区基坑支护技术的发展具有重要的理论意义与实用价值。本文在对国内外相关研究进行系统总结与深入分析的基础上，采用大型模型试验、数值计算、建立冻胀模型等方法，以圆形基坑冻结壁为研究对象，以模型试验为主线，考虑了季节冻土层中负温温度环境的影响，完成了以下方面的研究工作：1、完成了徐州粉质粘土37个试样8项试验工作，认识土性特点，获取了模型试验所用土质的相关物理、力学、热学特性指标。为模型试验和有限元数值计算的参数确定提供了基础。2、根据相似准则，设计研发、改造了大型模型试验设

5、备，使之能够满足试验项目的要求。完成与试验台配套的制冷冻结、加载、监测系统的配套工作，确保合理取得相关试验成果。3、开展大型模型试验研究，进行了10种工况，不同季节冻土层温度与有、无季节冻土层的大型圆形基坑冻结壁模型试验。研究季节冻土层下冻结壁内的温度、冻胀力的变化规律。在人工开挖后，使用气囊加压，模拟水平地应力，并研究位移变化规律。监测制冷盐水消耗，获取季节冻土层对冻结壁能量消耗的影响规律。4、根据试验实测数据，确认季节冻土层存在对加快冻结壁交圈时间，提高冻结速度和明显限制水平位移的重要作用，并得到相关经验公式。5、使用有限元软件模

6、拟季节冻土区二维平面冻土墙的耗能特性，为模型试验提供佐证。6、根据模型试验的工程背景，提出建立宏观冻胀模型的必要性。建立模型数值计算方法，通过室内冻胀试验和借鉴国外学者试验资料对模型进行验证。通过以上工作，本文主要取得了以下研究成果：1、确认季节冻土层对圆形基坑冻结壁的温度场、冻胀力、外载作用下的变–I–哈尔滨工业大学工学博士学位论文形、耗能等方面的影响规律。季节冻土层温度越低，越有利于冻结壁温度场向低温迅速发展，越有利于增加冻结壁抵抗外载的能力，但同时导致冻结壁冻胀力增大。2、模型试验数据和数值计算结果均表明季节冻土层的存在明显减小

7、冻结壁形成所需冻结时间，可有效减少冻结能量消耗。3、模型试验中各类监测数据随冻结壁深度变化的规律，说明季节冻土层对圆形基坑冻结壁性能的影响范围有限。4、以分凝势理论为基础，在冻结缘内建立分凝势与孔隙率变化率的联系，得到孔隙率变化率公式。建立起冻胀有限元计算公式。5、使用Fortran和python语言对ABAQUS进行二次开发，以ABAQUS为平台实现宏观冻胀模型的数值求解，并建立有限元计算模型。对比显示数值计算结果与试验数据具有较好的一致性。关键词：季节冻土层;大尺寸模型试验;冻结壁;节能;冻胀模型–II–AbstractAbstr

8、actArtificialGroundFreezinghasnotyetbeenwidespreadlyappliedinpitengineer-inguptonow,andoneofthemostimportantre