人工冻结技术用于软土深基坑的可行性分析

文章编号:100926825(2005)2220090202

人工冻结技术用于软土深基坑的可行性分析

收稿日期:2005208203

作者简介:李瑞峰(19792),男,吉林大学建设工程学院岩土工程专业在读研究生,吉林长春　130026

李瑞峰

摘　要:通过对淤泥质粘土冻结后的力学、变形性能以及冻土墙的稳定性的阐述,并对冻结法施工软土深基坑在经济、技

术方面的可行性进行了分析。研究结果表明,淤泥质粘土冻结后具有一定的强度,利用冻土墙维护软土深基坑在经济、技术上都是可行的。

关键词:冻土墙,支护,坑壁中图分类号:TU471.8文献标识码:A

引言

目前我国施工基坑,坑壁维护常用方法有很多,这些方法在我国基础工程施工中均已取得许多成功的经验,但也存在一些问题,随着城建规模的迅猛发展,基坑的跨距、深度不断地加大,在

一些沿海地区的地基属软弱地基,常伴有淤泥,在这种条件下进行大型基坑的开挖,坑壁维护越来越困难,成本越来越高,为此必须寻找一种既安全又经济的新的坑壁维护方法,冻结法即为其中之一。

冻结法施工建筑物基坑是利用人工制冷技术对基坑周围的土层进行冻结,使之形成一连续、封闭的冻土帷幕墙,并以此维护坑壁的稳定和隔绝地下水与基坑内部的联系,保证基坑和基础的施工安全。冻结法施工有如下优点:1)冻结法适用于各种复杂地层,尤其是淤泥这样一类用其他施工方法十分困难的地层;2)冻

结管布置的任意性,使基坑的形状、平面尺寸、深度等不受影响。而且,基坑越深其经济效益越显著;3)冻土墙的隔水性,解决了基

坑的排水问题,同时也解决了因降水地层沉降对邻近建筑物的危

害;4)冻土墙的可取消性和无污染性,将不影响建筑物及其周围的地下结构,也不影响日后建筑物的管线埋设[1]。

1　人工冻结技术维护坑壁的技术可行性分析1.1　工程地质和水文地质条件

冻结法的施工虽不受地基土的地质条件影响,但由于地下水流动带入热量妨碍冻土柱的连接,因此,冻结法对地下水的流速有一定的要求。工程中一般要求其流速小于临界流速即17×

10-3

m/s 。当超过这个临界流速时,可采取如下措施确保冻土墙

形成:1)增加冻结管组数;2)降低盐水温度,减小冻结管间距;3)采用注入法减小地基的渗透系数,减缓流速;4)设置井点,减小被处理地基内的动水力坡度;5)用板桩形成障碍,以改变地下水流的方向。可见,冻结法在淤泥质粘土的不同地质条件中通过一定的技术是完全可以试用的[2]。

1.2　维护结构的强度特性

冻土的力学强度性质是决定冻土墙稳定性的关键因素。淤泥质粘土是我国基坑维护中难度最大的土层。为此,取天津淤泥

质粘土(ρ=17.75kN/m 3,ρd =12.95kN/m 3

,W =47.2%)进行冻土力学性能试验。1.2.1　

冻土单轴抗压强度1)冻土单轴抗压强度与冻结温度的关系。两者基本呈线性,

利用直线回归可得如下方程(回归相关系数r =1):

σ=a +b |T |=-0.195+0.370|T |

(1)

2)冻土的弹性模量与温度关系。同样可利用线性方程回归得如下关系式(回归相关系数r =1)[3]:

E =a +b |T |=-1.25+6.65|T |

(2)

试件破坏形态在-8℃～-16℃之间,淤泥质粘土冻土的破坏形态均呈腰鼓形(属塑性破坏)。温度越高,腰鼓越大。1.2.2　

冻土抗剪强度冻土的抗剪试验采用变角剪方法。试验得到淤泥质冻土的

抗剪强度指标[4]:粘聚力(c )和内摩擦角(φ)与冻结温度的关系。可见,淤泥质粘土冻结后的粘聚力和内摩擦角与冻结温度的关系也基本呈线性。由回归分析可分别得到如下:

方程:c =a +b |T |=0.185+0.163|T |

(3)φ=a +b |T |=14.9+0.42|T |(4)

τ=(0.185+0.42|T |)+R ・tg (14.9+0.42|T |)

(5)1.3　

维护结构的变形特性1.3.1　冻土单轴蠕变经对该淤泥质粘土的冻土单轴蠕变试验发现其蠕变强度的明显下降均在三个月以后,完全可以满足施工要求1.3.2　

冻胀和冻融沉陷文中的淤泥质粘土冻结时易膨胀,使周围未冻土区产生变形,随着冻结的进行,地表以冻结区为中心形成斗笠状的隆起,这会使得地基中的土压力增大给基坑造成负荷而且冻土墙解冻时脱水,往往引起原体积收缩,使地层产生下沉,一般冻胀量越大,下沉量也越大。为此必须考虑抑制冻胀防止冻融沉陷。可见,抑制冻胀防止冻融下沉是冻结法用于软土深基坑维护,特别是用在建筑物密集地区基坑维护的主要课题。可实施的抑制冻胀措施有:1)降低冷却温度,增大冻结速度;2)把冻结范围控制在必要的最小限度;3)研究冻结管的布置,使冻结膨胀变形和热的传递方向相一致;4)利用钻孔使地基产生沉降和松动抵消部分变形;5)研究冻土形成的顺序,尽量用横向位移吸收膨胀;6)通过增加孔隙水的粘性,来控制向冻结面的水分迁移量[5]。

1.4　淤泥质粘土在低温与常温下的力学性能比较(见表

1)

通过表1可以看出,淤泥质粘土冻结以后,其力学性能得到了很大的改善,其中R ,E ,C 增大几十倍甚至上百倍。

表1　淤泥质粘土在低温与常温下力学性能比较

土性

σ/MPa

C /MPa

Ψ/(°)E /MPa

原状土0.04～0.0550.009～0.0128～120.8～2.4冻　土

2.67～5.59

1.45～

2.67

17～21

55～105

2　冻结法维护基坑稳定性的经济可行性分析

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09・第31卷第22期2005年11月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE

Vol.31No.22Nov.　2005