地下冻结工程冻土宏细观力学行为及多场耦合稳定性预控研究

冻结法几乎是复杂流砂软弱地层地下工程建设（如煤矿深厚表土建井、市政冻结工程）唯一有效的施工方法，我国某地铁冻结工程事故曾造成数亿元的财产损失。针对地铁冻结工程稳定性控制难题，采用最新工业CT细观力学试验等手段，进行水-热-力多场耦合下人工冻土细观结构演化及宏观力学实验；研究围压下冻土冻胀与融沉过程细-宏观损伤破坏理论及表征方法；通过多因素多场耦合下地铁冻结工程三维大尺度模型试验，揭示冻结施工全过程温度场、应力场及对周边环境影响的规律；探明含水流砂软弱复杂地层冻结施工中，不利工况或冻结失效引发工程失稳破坏前兆信息及安全失效机理；研究多场耦合下地铁冻结工程稳定性分析理论与控制方法。开发地铁冻结工程辅助设计与信息化施工智能预控系统，使之既具科学内涵又便于应用，为解决高风险地下冻结工程稳定性预测与控制难题提供重要试验依据与科学理论支持。

针对矿山及地铁冻结工程稳定性控制难题，采用最新工业CT 细观力学试验手段，进行水-热-力多场耦合下人工冻土细观结构演化及宏观力学实验；研究围压下冻土冻胀与融沉过程细-宏观损伤破坏行为及表征方法；通过多场耦合下地铁冻结工程大尺度模型试验，揭示了冻结施工全过程温度场、应力场及对周边环境影响的规律；探明了含水流砂软弱复杂地层冻结施工中，不利工况或冻结失效引发工程失稳破坏特征及失效机理；研究了多场耦合下地铁冻结工程稳定性分析理论与控制方法。开发了地铁冻结工程辅助设计与信息化施工智能预控系统，使之既具科学内涵又便于应用，为解决高风险地下冻结工程稳定性预测与控制难题提供重要试验依据与科学理论支持。取得了以下成果:（1）冻土CT扫描实验及图像分析，研究了冻土正融过程中CT图像的变化特征和规律，发现了时间-灰度图像上明显的折点是冻土融化完成的标志。（2）提出了一种冻土未冻水含量测试的新方法，理论及技术成果已申请国家发明专利。（3）冻结壁与周围土体共同作用理论研究，建立了卸载状态下冻结壁-周围未冻土共同作用下冻结壁的粘弹塑性力学模型。（4）研发了地层冻结工程辅助设计与施工智能建模分析系统，实现了水平及立井冻结工程的智能三维建模及冻结壁温度、应力、变形及工程稳定性分析等功能。（5）获得了地铁联络通道冻结加固工程中的温度场及由人工冻结引起的应力变化、水平及竖向变形若干规律，提出了改进的沉降预测方法。（6）进行了矿井立井及斜井冻结模型试验，提出了深厚表土立井冻结壁设计及段高的计算公式，并证明了其正确性；推导并验证了斜井竖向直排冻结水平冻胀力计算模型的正确性。