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人工冻土融沉特性及其对周围环境影响研究

作　者: 王效宾
导　师: 杨平
学　校: 南京林业大学
专　业: 森林工程
关键词: 人工冻土融沉融土物理力学特性温度场地层位移融沉注浆
分类号: TU445
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 9次
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内容摘要

本文以南京地铁二号线逸仙桥站盾构出洞水平冻结加固工程为依托,应用室内实验、现场实测、理论分析和数值模拟的综合方法,对人工冻土融沉特性、冻融土体物理力学特性、人工冻土融沉对周围环境的影响规律及人工冻土融沉的防治措施进行了较系统的研究,主要研究工作包括:(1)利用自制的融沉试验装置,对南京地区典型土质进行了融沉特性室内试验,系统研究了冷端温度、含水率、干密度、荷载及融化温度对融沉系数的影响规律,采用BP神经网络建立了人工冻土融沉系数预报模型。(2)对南京地区广泛存在的淤泥质黏土进行了大量室内试验,系统研究了未冻土与融土间的物理力学性能差异和初始含水率、初始干密度、冻融开放条件、冷端温度及融化温度等因素对融土物理力学性能的影响规律。(3)结合人工冻结法施工的特点,提出了能够全面反映冻土融沉、融土本构关系变化、融土二次压缩和固结、土体开挖卸载等因素对周围环境影响的三维有限元模拟方法。(4)利用建立的人工冻土融沉对周围环境影响的三维有限元模拟方法,对南京地铁二号线逸仙桥站盾构出洞水平冻结工程实例进行了有限元分析。(5)利用建立的人工冻土融沉三维有限元模型系统地分析了不同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)以数值模拟为手段,分析了解冻方式、注浆位置、注浆量、注浆次数和注浆方式对地表沉降的影响规律,指出分区强制解冻、跟踪融沉注浆是防治人工冻土融沉的有效措施。

全文目录

致谢  3-4
摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-22
  1.1 引言  9
  1.2 国内外研究现状  9-19
    1.2.1 人工冻结技术应用现状  9-11
    1.2.2 人工冻结温度场研究  11-13
    1.2.3 冻胀研究现状  13-15
    1.2.4 融沉研究现状  15-16
    1.2.5 冻融土体物理力学性质研究  16-18
    1.2.6 冻胀融沉防治措施研究  18-19
  1.3 人工冻土融沉研究中存在的问题  19-20
  1.4 本文的主要研究内容和技术路线  20-22
第二章人工冻土融沉特性及预报模型  22-50
  2.1 人工冻土冻胀融沉机理及影响因素分析  22-23
  2.2 人工冻土融沉试验设计  23-28
    2.2.1 试验目的  23
    2.2.2 融沉试验装置  23-24
    2.2.3 试验安排  24-26
    2.2.4 试样制备  26-27
    2.2.5 试验方法及步骤  27-28
  2.3 试验结果分析  28-40
    2.3.1 含水率对人工冻土融沉特性的影响  28-31
    2.3.2 冷端温度对人工冻土融沉特性的影响  31-33
    2.3.3 干密度对人工冻土融沉特性的影响  33-35
    2.3.4 荷载对人工冻土融沉特性的影响  35-37
    2.3.5 融化温度对人工冻土融沉特性的影响  37-38
    2.3.6 冻结开放条件对人工冻土融沉特性的影响  38
    2.3.7 正交试验结果分析  38-39
    2.3.8 原状土与重塑土对比  39-40
  2.4 基于 BP 神经网络的人工冻土融沉系数预报模型  40-44
    2.4.1 人工神经网络的特点  40
    2.4.2 BP 神经网络模型  40-41
    2.4.3 训练样本的选择  41-43
    2.4.4 网络的学习训练  43
    2.4.5 网络模型的验证  43-44
  2.5 南京地区典型土质融沉系数计算表  44-48
    2.5.1 融沉系数计算表的建立  44
    2.5.2 融沉系数计算表的使用方法  44-48
  2.6 本章小结  48-50
第三章人工冻融土物理力学特性试验研究  50-59
  3.1 引言  50
  3.2 试验概况  50-52
    3.2.1 试验材料及试样制备  50-51
    3.2.2 试验内容  51
    3.2.3 试验方法  51-52
  3.3 人工冻融土物理特性  52-54
    3.3.1 冻融对粘土渗透性的影响  52
    3.3.2 冻融对粘土干密度的影响  52-54
  3.4 人工冻融土力学特性  54-58
    3.4.1 人工冻融土的压缩特性  54-57
    3.4.2 冻融作用对黏土强度的影响  57-58
  3.5 本章小结  58-59
第四章人工冻土融沉对周围环境影响的三维有限元模拟  59-77
  4.1 引言  59
  4.2 人工冻结法施工导致地层位移的主要因素  59-60
  4.3 人工冻土融化温度场的有限元法  60-61
    4.3.1 伴有相变的人工冻土融化温度场的控制微分方程  60-61
    4.3.2 三维瞬态温度场有限元计算的基本方程  61
  4.4 冻融土体应力及变形的计算方法  61-69
    4.4.1 冻融土体应力应变关系  62-67
    4.4.2 冻融土体应力及变形的有限元平衡方程  67-69
  4.5 人工冻土融沉对周围环境影响的三维有限元模拟方法  69-76
    4.5.1 材料性态的模拟  69-71
    4.5.2 荷载的模拟  71-72
    4.5.3 初始条件和边界条件  72-74
    4.5.4 计算流程  74-76
  4.6 本章小结  76-77
第五章南京地铁二号线盾构出洞水平冻结工程实例分析  77-97
  5.1 工程概况  77-78
  5.2 材料的计算参数  78-79
  5.3 融沉有限元计算  79-95
    5.3.1 计算模型  79-81
    5.3.2 计算结果分析  81-95
      5.3.2.1 融沉中的地层温度场  81-86
      5.3.2.2 隧道周围地层位移场  86-91
      5.3.2.3 隧道上方地表位移  91-93
      5.3.2.4 位移—时间关系  93-95
  5.4 本章小结  95-97
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  97-121
  6.1 引言  97
  6.2 参考算例描述  97-98
  6.3 融化温度场的影响因素分析  98-100
  6.4 地层位移场的影响因素分析  100-116
    6.4.1 覆土厚度对位移场的影响  100-103
    6.4.2 地面超载对位移场的影响  103-105
    6.4.3 冻土壁厚度、长度对位移场的影响  105-110
    6.4.4 隧道外径对位移场的影响  110-112
    6.4.5 融沉系数对位移场的影响  112-114
    6.4.6 含水率对位移场的影响  114-116
  6.5 冻土融化过程中地层位移与时间关系  116-119
  6.6 本章小结  119-121
第七章人工冻土融沉防治措施研究  121-130
  7.1 引言  121
  7.2 融沉注浆机理  121
  7.3 融沉注浆数值模拟方法  121-122
  7.4 融沉注浆有限元分析  122-127
    7.4.1 解冻方式对温度场和位移场的影响  122-124
    7.4.2 注浆位置、注浆量和注浆次数对地表沉降的影响  124-127
    7.4.3 融沉注浆方式对地表沉降的影响  127
  7.5 分区强制解冻、跟踪注浆控制融沉的实施要点  127-128
  7.6 本章小结  128-130
第八章结论及展望  130-133
  8.1 主要研究结论  130-132
  8.2 主要创新点  132
  8.3 进一步研究展望  132-133
参考文献  133-143
详细摘要  143-150

人工冻土融沉特性及其对周围环境影响研究

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