人工冻土融沉特性及其对周围环境影响研究_第六章人工冻土融沉对地层温度场及位移场的

89第六章人工冻土融沉对地层温度场及位移场的影响规律研究6.1引言人工冻土融沉引起的地面沉降计算必须解决好如下四个问题：冻土融化速度、地表沉降的分布、地表昀大沉降和沉降速度。而人工冻土融化涉及冻土融沉、土体本构关系变化、融土二次压缩和固结及土体开挖卸载等过程，是一个三维、高度非线性、时间相关和温度相关的复杂问题，土热参数、环境温度、覆盖厚度、地面超载、隧道外径、冻土壁厚度、融沉系数、渗透系数等因素变化都会对上述四个问题产生影响。为反映人工冻土融沉对地层温度场及位移场的影响，促进人工冻结法在城市地下空间开发中的推广应用，本章拟利用已建立的人工冻土融沉三维有限元模型系统分析各因素变化对融化温度场、地层位移场和地表沉降速度的影响规律。6.2参考算例描述为分析人工冻土融沉过程中各因素变化对融化温度场、地层位移场和地表沉降速度的影响规律，本章对影响人工冻土融沉的各因素进行了不同水平的单因素数值模拟分析。对融化温度场，考虑的因素为：导热系数、比热容、相变潜热、含水率和环境温度；对地层位移场，考虑的因素为：覆土厚度、地面超载、隧道外径、冻土壁长度、冻土壁厚度、融沉系数和含水率；对地表沉降速度，考虑的因素为：导热系数、比热容、含水率、环境温度、渗透系数和覆土厚度。在分析每一种因素变化对冻土融沉的影响时，保持其余参数不变，对每一种因素根据实际情况选用不同的水平。为了便于反映上述各因素的影响规律，选取一盾构出洞水平冻结加固工程为算例进行分析计算，基本情况为：隧道外径6.3m，衬砌管片厚0.35m，隧道中心埋深为18m；冻结帷幕按杯形设计，杯壁加固体厚度为1.2m，长5.6m，杯底加固体厚度为2.8m；地基土层为南京地区常见的粉质粘土，土体饱和，除土体自重外无外界荷载；土体初始温度为15℃，相变温度-1.42℃，相变温度区间为-1.42~0℃，空气温度25℃；在有荷载作用的情况下，土体冻胀率为4.5%，融沉系数为6.8%；计算中采用的材料参数见表6-1和表6-2。表6-1热物理参数材料导热系数W/(m·K)比热容kJ/(kg·K)冻结融化温度℃相变潜热kJ/kg对流换热系数kJ/(h·m2·K)粉质粘土0.951.78-1.4292—冻结粉质粘土1.561.17-1.4292—混凝土8.40.81———地面与空气————8.5混凝土与空气————5090表6-2本构模型参数材料E(MPa)νC(KPa)φEt(MPa)σ0(KPa)ρ(Kg/m3)kv(cm·s-1)原状粉质粘土(未冻结区)4.550.351316——17640.9×10-6原状粉质粘土(冻结区)250.35——510017644.6×10-6冻融粉质粘土(冻结区)180.35——410017644.6×10-6混凝土345000.2————250006.3融化温度场的影响因素分析图6-1给出了导热系数变化时冻结区土体昀低温度与时间的关系。由图可见，解冻过程大致可以分为三个阶段：解冻初期土体升温阶段、相变阶段和正温阶段。随着导热系数的增大，解冻时间大大缩短，当导热系数为1kJ/(m·h·K)时，解冻需要110天，而当导热系数为5kJ/(m·h·K)时，解冻只需要30天，时间缩短了接近3倍。导热系数变化对解冻初期土体升温阶段和相变阶段的都有显著影响，随着导热系数的增加，土体升温阶段时间和相变阶段时间都随之大幅度减小。图6-2为土体比热容变化时冻结区昀低温度与时间的关系。由图可见，随着比热容的增加，解冻时间延长，但延长的幅度并不是很大，当比热容为1500kJ/(m3·K)时，解冻需要35天，当比热容为3500kJ/(m3·K)时，解冻需要43天，延长了8天。解冻初期土体升温阶段比热容的影响比较显著，随着比热容的增加，土体升温阶段时间增加，比热容变化对相变阶段时间基本没有影响。图6-3为相变潜热变化时冻结区土体昀低温度与时间的关系。由图可见，随着相变潜热的增加，解冻时间有较大幅度的延长。当相变潜热为70000kJ/m3时，解冻需要28天，当相变潜热为190000kJ/m3时，解冻需要56天，延长了2倍。相变潜热变化对解冻初期土体升温阶段基本没有影响，但对相变阶段影响显著。图6-4为含水率变化时冻结区土体昀低温度与时间的关系。由图可见，在解冻初期土体升温阶段，随含水率增加，升温阶段时间有小幅度的延长，原因是含水率增加导致土体比热容增加。由于含水率增加时导热系数也随之增加，所以含水率变化对升温阶段的影响不如比热容变化对升温阶段的影响显著。在相变阶段，含水率变化的影响非常明显，随含水率增加，相变时间大幅延长，原因是相变潜热与含水率成正比，含水率增加导致相变潜热相应提高。图6-5为环境温度变化时冻结区土体昀低温度与时间的关系。由图可见，环境温度变化对融化温度场有明显的影响，当环境温度升高时，土体升温阶段时间和相变阶段时间都相应缩短，土体融化速度加快。将图6-1～图6-5中曲线对比可以看出，在上述影响因素中，导热系数的影响昀为显著，比热容的影响昀小。91926.4地层位移场的影响因素分析6.4.1覆土厚度对位移场的影响为了反映覆土厚度对地面沉降的影响，分别取覆土厚度H=14m、18m、22m、26m、30m进行计算，计算时不考虑覆土厚度变化对冻胀率和融沉系数的影响。不同覆土厚度情况下地表沉降和水平位移分布如图6-6～图6-9所示，图6-10为地表昀大位移随覆土厚度变化曲线。由图6-6～图6-10可以看出：随覆土厚度增加，地表昀大沉降减小，当覆土厚度为14m时，地表昀大沉降为3.6cm，当覆土厚度为30m时，地表昀大沉降为1.8cm，减小了1倍。随着与冻结区水平距离的增加，地表沉降量减小，当覆土厚度较小时，地表沉降随与冻结区间距离增大变化幅度较大，当覆土厚度较大时，变化幅度减小，表明：覆土厚度越大，冻土融沉对地面的影响范围越大，产生的沉降槽范围越大。93随着覆土厚度的增加，地表沿隧道轴线方向的昀大水平位移和垂直轴线隧道方向的昀大水平位移都减小。随着与冻结区水平距离的增加，地表沿隧道轴线方向的水平位移和垂直轴线隧道方向的水平位移均呈先增大后减小的趋势，覆土厚度越大，水平位移随距离增加变化幅度越小。当土层覆盖厚度增加时，作用于冻结壁上的荷载会相应增大，由第二章试验数据知：上部荷载增加，土体冻胀率和融沉系数减小。因此，计算时如果考虑覆土厚度变化对冻胀率和融沉系数的影响，则随着覆土厚度增加，地表昀大沉降减小的趋势会更明显。在隧道设计时可以通过增加隧道埋深来减小由冻土融沉引起的地面沉降。图6-11为地表昀大沉降发生位置随覆土厚度变化曲线，由图可见，地表昀大沉降位置始终位于隧道中心线正上方，随覆土厚度增加，与出洞口间的水平距离增大。图6-12给出了不同覆土厚度情况下，发生昀大水平位移的位置。由图6-12可以看出，随覆土厚度增加，沿隧道轴线方向昀大水平位移发生的位置与出洞口间的水平距离增大；垂直隧道轴线方向昀大水平位移发生的位置与隧道中心线间的水平距离也增大。图6-6不同覆土厚度情况下地面沉降分布曲线(纵断面)-0.04-0.035-0.03-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500510152025303540距出洞口距离（m）沉降量(m)覆土厚度为14m覆土厚度为18m覆土厚度为22m覆土厚度为26m覆土厚度为30m图6-7不同覆土厚度情况下地面沉降分布曲线(昀大沉降横断面)-0.04-0.035-0.03-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.005051015202530354045距隧道中心线水平距离(m)沉降量(m)覆土厚度为14m覆土厚度为18m覆土厚度为22m覆土厚度为26m覆土厚度为30m94图6-8不同覆盖厚度时的地表水平位移曲线(纵断面)-0.00500.0050.010.0150.020510152025303540距出洞口距离（m）水平位移(m)覆土厚度为14m覆土厚度为18m覆土厚度为22m覆土厚度为26m覆土厚度为30m图6-9不同覆盖厚度时的地表水平位移曲线(昀大沉降横断面)-0.012-0.01-0.008-0.006-0.004-0.0020051015202530354045距隧道中心线水平距离(m)水平位移(m)覆土厚度为14m覆土厚度为18m覆土厚度为22m覆土厚度为26m覆土厚度为30m图6-10地表昀大位移随覆土厚度变化曲线-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.03121620242832覆土厚度(m)位移量(m)竖向位移沿隧道轴线方向水平位移垂直隧道轴线方向水平位移95图6-11不同覆土厚度情况下昀大地表沉降发生的位置-202468101214161214161820222426283032覆土厚度(m)距离(m)与隧道中心线间的水平距离与出洞口间的水平距离图6-12不同覆土厚度情况下发生昀大水平位移的位置101418222630341214161820222426283032覆土厚度(m)距离(m)与隧道中心线间的水平距离与出洞口间的水平距离6.4.2地面超载对位移场的影响采用人工冻结法加固土体进行盾构出洞时，盾构出洞处的地面往往存在一定的地面荷载，为反映地面超载对地表沉降的影响，分别取地面超载等于0KPa、40KPa、80KPa和150KPa进行计算，计算时不考虑地面超载变化对冻胀率和融沉系数的影响。不同地面超载情况下地表沉降和水平位移分布如图6-13～图6-16所示，图6-17为地表昀大位移随地面超载变化曲线。由图6-13～图6-17可以看出：随地面超载增加，地表昀大沉降量增大，但增大的幅度很小，如果考虑地面超载引起的冻胀率和融沉系数的减小，则地表昀大沉降增加的幅度会更小，表明地面超载对因冻土融沉引起的地表沉降影响不显著，试图通过减小地面超载来控制冻土融沉的做法是不可行的。地面超载增加时，也会引起地表昀大水平位移的增加，但增加的幅度非常微小。地面超载与融沉对地面的影响范围之间关系不明显，地面超载变化时，产生的沉降槽范围基本不变。96图6-13不同地面超载情况下地面沉降分布曲线(纵断面)-0.035-0.03-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500510152025303540距出洞口距离（m）沉降量(m)0KPa40KPa80KPa150KPa图6-14不同地面超载情况下地面沉降分布曲线(昀大沉降横断面)-0.035-0.03-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.005051015202530354045距隧道中心线水平距离(m)沉降量(m)0KPa40KPa80KPa150KPa图6-15不同地面超载时的地表水平位移曲线(纵断面)-0.004-0.00200.0020.0040.0060.0080.010.0120510152025303540距出洞口距离（m）水平位移(m)0KPa40KPa80KPa150KPa97图6-16不同地面超载时的地表水平位移曲线(最大沉降横断面)-0.009-0.008-0.007-0.006-0.005-0.004-0.003-0.002-0.0010051015202530354045距隧道中心线水平距离(m)水平位移(m)0KPa40KPa80KPa150KPa6.4.3冻土壁厚度、长度对位移场的影响为了反映冻结帷幕尺寸对地面沉降的影响，分别取冻结壁厚度为0.9m、1.2m、1.5m、1.8m、2.1m，冻结壁长度为4.5m、5.6m、6.5m、7.5m进行计算，进行不同冻结壁厚度计算时，冻结壁长度取5.6m，进行不同冻结壁长度计算时，冻结壁厚度取1.2m，其他参数不变。图6-18～图6-21给出了不同冻土壁厚度情况下地表沉降和水平位移分布曲线，图6-22为地表最大位移随冻土壁厚度变化曲线。由图6-18～图6-22可以看出：当冻土壁厚度增加时，地表最大沉降和最大水平位移均有较大幅度的增加，当冻土壁厚度为0.9m时，地表最大沉降为2.0cm，当冻土壁厚度为2.1m时，地表最大沉降为3.9cm，增加了