深厚表土层冻结壁内部冻胀应力对卸荷和升温耦合作用的力学响应研究

深厚表土层中多圈管冻结壁形成过程，内部积聚了较大的冻胀应力，对冻结壁稳定性和冻结管变形影响显著，目前关于井筒开挖过程冻胀应力的响应机制尚不清楚。本项目拟通过室内试验、理论分析、数值计算和物理模拟试验手段，按深部人工冻土高压固结-有载冻结的形成条件，考虑井筒开挖过程的卸荷和升温耦合作用，从"材料"（即深部人工冻土）-"结构"（即冻结壁）两种尺度详细系统地开展研究，以揭示井筒开挖过程冻结壁内部冻胀应力力及变形的响应特征和演化规律。研究成果将为冻结壁设计和防止冻结管断裂提供理论基础。本项目对于完善深土冻土力学理论体系，促进深土冻土力学在深部地下工程中的应用有重要意义。

深厚表土层中多圈管冻结壁形成过程，内部积聚了较大的冻胀应力，对于冻结壁稳定和冻结管安全有重要影响，本项目旨在认识冻结井筒开挖过程冻结壁内冻胀应力的响应机制，为防治冻结管超前断裂提供理论基础。项目考虑卸荷和升温的耦合作用，对深部人工冻土及冻结壁内冻胀应力和变形的演化规律开展了系统研究，研究内容有：（1）卸荷过程深部冻土冻胀应力演化规律研究；（2）深部人工冻土升温过程的水-热-力耦合作用试验研究；（3）深部人工冻土冻融过程的侧压力系数研究；（4）原状与重塑人工冻土加卸载变形和微观结构的演化研究；（5）开挖卸荷下冻结壁内应力场与变形场的演变规律研究。通过上述研究获得了卸荷和升温条件下深部人工冻土冻胀应力的变化规律，卸荷过程土体的应力-应变关系呈线弹性特征，卸除载荷后变形仍随时间呈非线性增长。卸荷回弹模量为18~59MPa，残余应变为0.43%~1.46%。获得了升温过程中应力与温度和未冻水含量关系，冻土应力随着温度升高和未冻水含量的增加逐渐减小，升温过程的应力释放值与冻结温度密切相关。获得了固结、初次冻结、融化、回冻过程侧压力系数的变化规律；冻结温度、固结压力、固结量对不同阶段侧压系数的影响规律。获得了不同加卸载过程人工冻土的变形规律和微观结构参数演变规律。获得了开挖过程中双圈管冻结壁卸荷应力场和变形场的演变规律，开挖过程中冻结壁内应力释放不均匀。径向方向上井心、井帮至内圈管中间、内外圈管之间压应力较大。土体的位移由井心至开挖荒径1/2处逐渐增大，而后向外至内圈管处位移逐渐减小。随着地压增大冻结壁内应力和位移也随之增大。开挖半径对开挖面下方冻结壁的应力影响较弱，对变形场基本无影响。研究成果对于发展冻结管断裂防治技术有参考价值。