滨海盐渍大流速渗透地层人工冻结壁形成机理及其力学特性研究

Freezing method has been widely used in the construction of subway tunnels in the coastal areas of China. However the high soil salinity and the large flow rate of groundwater have adverse effects on the formation of frozen walls and endanger the safety of construction method of artificial ground freezing. The feasibility of freezing and physical mechanical properties of saline soils in the offshore of China are going to be studied and evaluated through laboratory tests and field measurements, and the constitutive relation of salted frozen soil will be established systemically in this project. Combining the method of model tests and numerical simulations, the study focuses on the formation of freezing temperature field in saline soils with different salinities under various flow rates of groundwater. Considering the effect of freezing pipe arrangement on the freezing temperature field and the constitutive model of saline frozen soil, the mechanical properties of frozen wall will be theoretically analyzed. Based on the mathematical model for coupling the four fields of water, salt, heat and force on the frozen wall, the numerical simulation method is used to calculate and analyze the mechanical properties as well as the temperature field formation mechanism of frozen wall in saline soils. Research results can provide theoretical basis for the tunnel design and construction with artificial freezing method, and thus have significant practical engineering values.

冻结法在我国沿海地区地铁隧道建设中得到了广泛应用，但由于该地区土层具有盐化度高、地下水流速大等特点，严重影响冻结壁的形成，危及冻结法施工安全。为此，本项目以隧道冻结工程为研究背景，采用室内试验的方法，对盐渍土的可冻性以及物理力学特性进行评价与研究，系统地构建盐渍冻土的本构模型；采用模型试验和数值模拟相结合的方法，研究不同流速地下水作用下不同含盐量的盐渍地层冻结温度场的形成规律；考虑冻结管布置方式对冻结温度场影响，结合盐渍冻土的本构模型，理论分析冻结壁的力学特性；基于建立的冻结壁水、盐、热、力四场耦合数学模型，采用数值模拟方法，计算分析盐渍地层冻结壁温度场形成机理及其力学特性。研究成果可为我国滨海区域地铁隧道人工冻结法的设计和施工提供理论依据，具有重要的工程实用价值。

人工地层冻结法已经在我国两淮矿区深厚冲积层立井掘砌施工以及沿海城市地铁建设中得到了广泛应用，地层中地下水的含盐量以及流速一直是影响冻结法施工效果的决定性因素之一，当地层中地下水流速较大、盐分含量较高时，不仅会延长冻结壁的交圈时间，同时会降低冻结壁承载力，严重危及施工安全，因此在大流速渗透盐渍地层进行冻结法施工面临着许多理论和关键技术难题，亟待开展相应的应用基础和工程技术研究，以满足工程设计与施工需要。本项目针对上述技术难题，历时4年，采用室内试验、模型试验、数值计算以及理论分析相结合的研究方法，重点对大流速渗透盐渍地层冻结人工冻结壁的发展规律、人工冻结孔优化布置方法、稳态冻结温度场的理论解以及冻结壁的力学特性等方面开展系统的研究。本项目取得的主要科技创新及重要结果如下：1.研发了大型多场耦合物理模型试验系统，获得了大流速渗透地层地下水流速、含盐量等因素对冻结壁交圈时间、冻结壁不均匀系数的影响规律，揭示了地下水作用下多管冻结过程中“群管效应”的触发机制。2.构建了水热耦合数学模型，计算揭示了大流速地下水作用下人工冻结温度场的演化机理，获得了单圈孔以及双圈孔冻结的极限流速，提出了大流速渗透地层冻结孔的优化布置方法。3.提出了定向渗流诱导的非对称冻结温度场的“分段等效”简化方法，推导得出了渗流场作用下单管以及多管冻结温度场解析解，得出了计算冻结温度场分布规律的新方法。4.得出了无流速以及有流速条件下非均质冻结壁弹塑性应力计算公式，为冻结壁的安全设计提供了依据。本项目的研究成果已发表学术论文32篇，获授权发明专利6项。本项目的成果，可推广应用于我国富水地区地下工程施工，应用前景广阔，对推动我国地下工程施工技术的发展与进步具有重要的意义。