《冻结法原理及应用》PPT课件

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1、冻结法原理及应用主要内容1冻结法概述2人工冻结制冷系统3冻结法原理与设计原则4立井工程冻结法5斜井冻结法1.1人工地层冻结法冻结法定义：用人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，形成一个按设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗土体压力、隔绝地下水，并在冻土墙的保护下，进行地下工程的施工。1概述——冻结土体性质的改变若将含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结冰温度下冷却，岩石裂隙或土孔隙中的水转换成冰，岩土的性质将发生决定性的变化。这一变化具有双重意义：材料：（1）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土的强度（2）减低一定范围岩土体渗透性——创造新工程材料结

2、构：在普通结构内部构建了新的工程结构。——冻结法将这一性质改良后的冻结岩土服务于地下工程施工期内的承载（结构功能）和密封（材料功能）1概述——环境友好的施工方法冻结只是临时创造冻土良好的承载、密封性能，为构筑新的地下空间服务，施工完成后，根据需要可拔除冻结管，冻土将解冻融化，土将逐渐恢复到未冻结状态。在冻结法施工中，没有象喷射混凝土时的混凝土、板桩施工时的钢板或注浆时的浆液材料那些附加物质进入地层。冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法1概述——方法具备的优点(1)安全性好，可有效的隔绝地下水；(2)适应面广，适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文地质如软土、含水不稳定土层、流砂、

3、高水压及高地压地层条件下冻结技术有效、可行；(3)灵活性好，可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时可以绕过地下障碍物进行冻结；(4)可控性较好，冻结加固土体均匀、完整；(5)经济上较合理。1概述——冻结岩土体的方法从土体中吸热。——冻结的作用含水、松散土体冻结后抗压强度明显提高。——冻结法处理对象岩土体中的水水在冻结过程中将发生明显体积变化1概述——冻结法设计与施工(1)根据工程、地质、水文和环境条件进行冻结设计：——确定冻土结构形式——选择制冷方式——布置冻结系统——确定冻结温度——估算冻结时间，等。(2)待设计冻土结构形成后，在其保护下进行地下工程的掘进、支护和设备安装等工作

4、。1概述——冻土的形成为构造高承载力和密封防水的冻土体，在土中相应位置布置和施工冻结孔——安设冻结管，通过冻结管中循环的低温冷媒剂将土体中的热量带出，使地层降温并使土中水结为冰。在冻结初期，冻土仅在紧靠冻结管周围形成冻土柱；随冻结过程的继续，冻土柱渐渐扩大并相互连接，在预计的冻结时间后，冻土体达到设计厚度——形成冻土1概述1.2冻结法简史矿井建设l862年：英国，率先用冻结法成功进行深基坑开挖围护l872年：德国，首先应用于矿井建设。鲁尔区冻结井深超过600m1888年：美国，用于煤矿矿井开挖l965年：加拿大，开挖l089米矿井，冻结深度684米1952至l98l年间：北美，用冻结法

5、凿井达29个迄今为止，各国冻结井最大冻结深度：英国930m，美国915m，波兰860m，加拿大634m，比利时638m，前苏联620m，德国531m，法国550m，中国702m地下工程1979年：美国，地下核电站基坑、直径40m、深6m基础80年代：苏联，城市地铁大厅35座、隧道35项，高l38.5m、重27000吨大楼基坑开挖支护1962以来：日本，超过300个大型冻结工程，其中有通过河流、铁路、公路和其它构筑物下的隧道工程、挡土墙工程、与盾构施工有关的工程等20世纪中叶起：波兰、德国、法国、瑞士、比利时、意大利、奥地利、挪威、西班牙、芬兰、澳大利亚、法国、荷兰、加拿大等我国情况70

6、年代初，北京地铁冻结长90m，垂深28m1975年，沈阳地铁2号井上世纪80年代，东海拉尔水泥厂的上料仓基坑；南通建筑物旁开挖的沉淀池工程1988年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程1993年，上海地铁一线1个泵站和3个隧道贯通道结合部1998年，北京地铁热—八线大北窑车站南隧道水平冻结施工，长45m1概述1.3工程应用简介目前，冻结法在地下工程中广泛应用于以下四个领域：——立井工程——地基基础——基坑稳定——隧道工程——其他岩土工程1概述1.4力学与热性质抗压强度：冻土的主要力学性质随温度减低，冻土抗压强度提高；抗拉强度相对抗压强度较低，且随温度减低不再增加冻结粉砂1总论热物理参数：导温系

7、数、热容、导热系数以及相变潜热等影响冻土热物理参数因素很多，温度、含水量、孔隙率、矿物含量、未冻水含量等。确定土热物理参数比较复杂。静力计算：确保冻土结构在所处工程条件下强度和稳定性简单方法：将冻土体视为具有弹性模量E的弹性体。若冻土体极限承载力已知：可直接从破坏状态入手计算若考虑冻土体处于多向应力状态：其承载性能将有所提高若安设支护：则承载功能由支护/冻土系统共同承担。有限元等数值模拟方法在冻土结构中得到了越来越多的应用。考虑了与实际工程相近