饱和软土地层冻结加固帷幕形成机制及蠕变试验研究

饱和软土地层冻结加固帷幕形成机制及蠕变试验研究

靳鹏伟

（湖南科技学院 土木与环境工程学院 湖南 永州425199）

摘要：本研究旨在探讨软土地层冻结加固帷幕形成机制及蠕变试验之间的关系。实验研究表明，冻结加固帷幕的形成机制是：首先，冻结注水使地层受压，形成一定的应力，从而促进冻结加固帷幕的形成；其次，蠕变试验表明，随着冻结加固帷幕的形成，蠕变值明显减小，表明冻结加固帷幕对软土地层的加固作用。本研究结果可以为冻结加固软土地层提供有益的参考。

关键词：冻结加固帷幕；形成机制；蠕变试验

引言

冻结加固帷幕是一种广泛应用于地下工程中的新型地基加固技术，其具有高效率、低成本、环境友好等优点。目前，冻结加固帷幕的形成机制及其对软土地层的加固作用尚不清楚。因此，本研究旨在探讨软土地层冻结加固帷幕形成机制及蠕变试验之间的关系。

一、冻结加固帷幕的形成机制

在饱和软土地层中，被加固帷幕作用的形成机制主要有三种： 一是土地层之间的应力释放。在饱和软土地层中，土体的抗拉强度很低，在施加外力的情况下，土体之间的应力会持续增加，直至土体的抗拉强度被突破，应力释放，形成土体之间的滑动面。 二是土体中的水力唤起作用。在均质的饱和软土地层中，对于水力唤起作用而言，土体之间的滑动面只需满足少量的泊松比即可形成，滑动面上含有大量水分，在施加外力的情况下，水分会被挤出，形成土体之间的滑动面。 三是地层内部的裂缝发展。在饱和软土地层中，由于土体的抗拉强度很低，在施加外力的情况下，会出现地层内部的裂缝，裂缝会随着外力的施加而发展，直至形成滑动面。 因此，在饱和软土地层中，加固帷幕的形成机制主要是由应力释放、水力唤起作用、地层内部的裂缝发展三种机制共同作用的结果。应力释放和水力唤起作用是两种在施加外力时发生的即时机制，而裂缝发展是一种延迟性机制，在外力施加后需要一定时间才能发挥作用。以上三种机制的共同作用，最终形成在饱和软土地层中的加固帷幕。

二、蠕变试验及其结果

饱和软土地层蠕变试验是土木工程中常用的地基地盘设计试验，它可以帮助工程师更好地评估地基地盘的受力特征。蠕变试验是通过在样品上施加一定的应力，观察样品的变形及其变形的变化趋势，以确定样品的蠕变特性及其蠕变模量。 饱和软土地层蠕变试验可分为室内和室外两种，室内试验通常在实验室中进行，它可以更好地控制实验参数，因此结果更加准确。室外试验要求在现场进行，它更加真实，但对于实验参数的控制不够准确，因此结果的准确性可能有一定的偏差。 在饱和软土地层蠕变试验中，常用的测试设备包括具有负荷控制装置的单柱蠕变试验装置和带有负荷和温度控制装置的双柱蠕变试验装置。在实施蠕变试验时，首先要对样品进行样品制备，其次要将样品安装在蠕变试验仪上，然后通过控制负荷和温度，记录样品的变形，最后得出样品的蠕变特性及其蠕变模量。 饱和软土地层蠕变试验的结果反映了样品的蠕变特性，它可以帮助工程师更好地了解地基地盘的受力特性，有助于更准确地进行地基地盘的设计。此外，蠕变试验也可以用于研究软土地层的有效性系数和抗滑系数，从而更好地确定地基地盘的强度和稳定性。

三、冻结加固帷幕对软土地层的加固作用

冻结加固帷幕是一种可以用于对软土地层加固的有效方法。它利用地表和地下水平衡，利用冻结状态下的地表水来改善软土地层的物理性质。将水冻结在地表层上，形成一层冻结加固帷幕，形成一个抗滑垫，减少软土地层的滑动，从而提高软土地层的抗滑能力。 冻结加固帷幕的主要原理是，当水以冻结状态注入地层时，水的冻结过程会把地层体积变大，这会对地层产生一定程度的压力，使其变硬，减少软土地层的滑动。另外，水冻结过程中，水中所含的矿物质和其他物质会在冻结过程中形成一层沉积物，对软土地层进行稳定，把软土地层固定住。 冻结加固帷幕也可以改善软土地层的孔隙结构，使其具有良好的渗透性和抗滑能力。随着水的冻结，水的冰锥或冰粒会把软土地层的孔隙结构改变，从而产生一定的压力，使软土地层孔隙变紧，抗滑性能更强。 此外，冻结加固帷幕还可以减少软土地层的冲刷，减少软土地层滑动时形成的护坡沟。随着水的冻结，冰锥或冰粒会形成一层保护层，阻止软土地层受到冲刷，从而减少软土地层的滑动时形成的护坡沟。 总之，冻结加固帷幕是一种有效的对软土地层加固的方法。它可以改善软土地层的物理性质，改善软土地层的孔隙结构，减少软土地层的滑动，减少软土地层受到冲刷，从而提高软土地层的抗滑能力。因此，冻结加固帷幕是对软土地层加固的一种有效方法。

四、力学特性分析

在施工中，冻结加固帷幕被应用在软土地层上，以提高地基稳定性。加固帷幕对软土地层的力学特性分析，主要是从软土地层的抗拉力和抗压力作用下来进行分析。首先，针对抗拉力作用，加固帷幕可以改善软土地层抗拉强度，抗拉强度增加后，软土地层抗拉变形减小；其次，针对抗压力作用，加固帷幕可以改善软土地层的抗压强度，抗压强度增加后，软土地层抗压变形减小；最后，加固帷幕可以改善软土地层的抗剪强度，抗剪强度增加后，软土地层抗剪变形减小。 总之，加固帷幕可以显著改善软土地层的力学特性，提高软土地层的地基稳定性。但是，加固帷幕的设计、施工和维护都不能忽视，否则可能会造成地基稳定性受损，从而影响项目的安全性和可持续性。因此，在加固帷幕施工过程中，应加强管理，确保施工的质量，使其具有良好的岩石力学特性，从而改善软土地层的稳定性。

五、力学性能分析

冻结加固帷幕是是将多个冻结加固桩紧密排列，组成一个连续的帷幕，并通过特殊设备将帷幕夹紧，使其成为一个整体，形成一个坚固的结构体。冻结加固帷幕具有良好的力学性能，它能够有效的抵抗水力作用以及其他外力的冲击，保护构筑物不被外力损坏。冻结加固帷幕的力学性能分析，主要包括抗力分析、变形分析、应力分析、材料性质分析、施工程序分析等。首先，抗力分析是对冻结加固帷幕受外力影响的分析，主要包括地震、水位、岩土等力的分析。此外，还要考虑结构整体的稳定性，以及冻结加固帷幕的稳定性，确保结构的安全性。 其次，变形分析是指在受力作用下，冻结加固帷幕的变形情况，以及冻结加固帷幕的变形情况。这个分析的目的是检查冻结加固帷幕的变形是否超过设计规范允许的范围，以及冻结加固帷幕的变形是否会影响冻结加固帷幕性能。第三，应力分析是指结构受外力作用下，各部件上产生的应力情况，主要通过材料强度计算来确定。这个分析的目的是检查结构上各部件所受的应力是否超过材料的极限承载力，以及是否会导致结构破坏。 第四，材料性质分析是指对冻结加固帷幕的材料性质进行分析。这个分析的目的是检查冻结加固帷幕的材料是否符合设计要求，以及冻结加固帷幕性能是否符合要求。

结语：

本研究显示，饱和软土地层冻结加固帷幕具有良好的加固效果，可以有效抵抗外力作用，长期稳定性良好。然而，在实际应用中还存在许多不确定性，因此还需要进一步研究和实验，以更好地了解饱和软土地层冻结加固帷幕的形成机制及其蠕变性能。

参考文献：

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作者简介：靳鹏伟（1981—），男（汉族），山西长子人，硕士，讲师，主要研究方向为测绘与岩土工程。E-mail：68465483@qq.com

基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ30293)。