基于數(shù)值模擬的人工凍結(jié)壁力學(xué)特性深度剖析與工程應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景隨著現(xiàn)代工程建設(shè)規(guī)模與復(fù)雜度的不斷攀升，各類(lèi)工程面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，尤其是在穿越復(fù)雜地質(zhì)條件的區(qū)域時(shí)，傳統(tǒng)施工方法往往難以滿(mǎn)足工程安全與穩(wěn)定的要求。人工地層凍結(jié)技術(shù)作為一種行之有效的特殊施工方法，在巖土工程、礦山工程、地鐵施工、隧道工程等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，為解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工難題提供了有力的技術(shù)支持。在巖土工程領(lǐng)域，當(dāng)遇到軟土、流砂、高水壓等不良地質(zhì)條件時(shí)，常規(guī)的地基處理方法可能無(wú)法有效保證工程的穩(wěn)定性和安全性。例如在一些沿海地區(qū)進(jìn)行高層建筑基礎(chǔ)施工時(shí)，地下水位高且土層松軟，采用人工地層凍結(jié)技術(shù)，能夠?qū)⒅車(chē)馏w凍結(jié)成具有較高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的凍結(jié)壁，為基礎(chǔ)施工提供可靠的支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效防止土體坍塌和地下水涌入。在礦山工程中，對(duì)于深部礦井的建設(shè)，地層壓力大、地質(zhì)條件復(fù)雜，人工凍結(jié)法可以在井筒周?chē)纬蓤?jiān)固的凍結(jié)壁，抵抗地壓，確保井筒施工的安全進(jìn)行。自1883年德國(guó)在阿爾巴里德煤礦工程中首次成功采用凍結(jié)法開(kāi)鑿豎井以來(lái)，該技術(shù)在礦山建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，我國(guó)截至2003年已建成440余個(gè)立井井筒，井筒總長(zhǎng)度超過(guò)74km，充分展示了人工凍結(jié)技術(shù)在礦山工程中的重要地位。在地鐵施工和隧道工程中，人工地層凍結(jié)技術(shù)同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。地鐵線(xiàn)路往往需要穿越城市繁華區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，周邊建筑物密集。在上海地鐵建設(shè)過(guò)程中，諸多聯(lián)絡(luò)通道采用了凍結(jié)法加固地層，利用凍結(jié)壁的隔水和支護(hù)性能，保證了施工過(guò)程中周?chē)馏w的穩(wěn)定，避免了對(duì)周邊環(huán)境的不利影響。對(duì)于穿越斷層、破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域的隧道工程，如廣州地鐵二號(hào)線(xiàn)公園前站到越秀公園站區(qū)間隧道斜穿過(guò)清泉街?jǐn)嗔哑扑閹?，通過(guò)人工地層凍結(jié)技術(shù)對(duì)土體進(jìn)行加固，成功克服了施工難題，確保了隧道的順利貫通。人工凍結(jié)壁作為人工地層凍結(jié)技術(shù)的核心結(jié)構(gòu)，其力學(xué)特性直接關(guān)系到整個(gè)工程的安全與穩(wěn)定。凍結(jié)壁的力學(xué)特性包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等多個(gè)方面，這些特性受到多種因素的影響，如土體性質(zhì)、凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間、含水量等。深入研究人工凍結(jié)壁的力學(xué)特性，準(zhǔn)確掌握其在不同工況下的力學(xué)行為，對(duì)于合理設(shè)計(jì)凍結(jié)壁、優(yōu)化施工方案、保障工程安全具有至關(guān)重要的意義。如果對(duì)凍結(jié)壁的力學(xué)特性認(rèn)識(shí)不足，可能導(dǎo)致凍結(jié)壁設(shè)計(jì)不合理，在施工過(guò)程中出現(xiàn)凍結(jié)壁破裂、變形過(guò)大等問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)工程事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，開(kāi)展人工凍結(jié)壁力學(xué)特性的研究具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求和重要的工程應(yīng)用價(jià)值。1.2研究目的與意義本研究旨在通過(guò)數(shù)值模擬的方法，深入探究人工凍結(jié)壁的力學(xué)特性，全面揭示其在不同工況下的力學(xué)行為，為人工地層凍結(jié)技術(shù)的工程應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。具體研究目的包括：建立高精度的人工凍結(jié)壁數(shù)值模型，綜合考慮土體性質(zhì)、凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間、含水量等多因素對(duì)凍結(jié)壁力學(xué)特性的影響，通過(guò)數(shù)值模擬準(zhǔn)確計(jì)算和分析凍結(jié)過(guò)程中人工凍結(jié)壁的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)等特性，深入探究溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)之間的相互關(guān)系，對(duì)凍結(jié)壁的強(qiáng)度、穩(wěn)定性等力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，以及分析人工凍結(jié)壁與周邊土體的相互作用，明確其對(duì)周邊土體的影響規(guī)律。深入研究人工凍結(jié)壁力學(xué)特性具有重要的理論與實(shí)際意義。在工程設(shè)計(jì)方面，準(zhǔn)確掌握人工凍結(jié)壁的力學(xué)特性是進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵前提。通過(guò)數(shù)值研究獲取凍結(jié)壁在不同條件下的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等參數(shù)，能夠?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)提供精確的數(shù)據(jù)支持，從而優(yōu)化凍結(jié)壁的厚度、形狀及布置方式，有效提高工程結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際施工中，依據(jù)數(shù)值研究結(jié)果可以制定更為科學(xué)合理的施工方案，合理安排施工進(jìn)度，選擇合適的施工工藝和設(shè)備，確保施工過(guò)程中凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，減少施工事故的發(fā)生，提高施工效率，降低施工成本。從學(xué)科發(fā)展角度而言，對(duì)人工凍結(jié)壁力學(xué)特性的深入研究有助于豐富和完善凍土力學(xué)、巖土力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論體系，填補(bǔ)該領(lǐng)域在某些方面的研究空白，推動(dòng)學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展，為解決更多復(fù)雜的工程問(wèn)題提供理論指導(dǎo)。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在人工凍結(jié)壁力學(xué)特性的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量富有成效的工作，涵蓋了理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究等多個(gè)維度。在理論分析層面，國(guó)外起步相對(duì)較早。20世紀(jì)中葉，一些學(xué)者便開(kāi)始嘗試構(gòu)建人工凍結(jié)壁的力學(xué)模型，通過(guò)理論推導(dǎo)來(lái)揭示其基本力學(xué)特性。如[國(guó)外學(xué)者姓名1]基于彈性力學(xué)理論，提出了簡(jiǎn)化的凍結(jié)壁彈性力學(xué)模型，對(duì)凍結(jié)壁在均勻壓力作用下的應(yīng)力和變形進(jìn)行了初步分析，為后續(xù)研究奠定了理論基石。[國(guó)外學(xué)者姓名2]進(jìn)一步考慮了土體的流變特性，將黏彈性理論引入凍結(jié)壁力學(xué)分析，建立了相應(yīng)的本構(gòu)模型，使理論分析更加貼近實(shí)際工程中土體的復(fù)雜力學(xué)行為。在國(guó)內(nèi)，隨著人工地層凍結(jié)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，學(xué)者們也在理論研究方面不斷深入。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名1]針對(duì)深厚表土層中凍結(jié)壁的受力特點(diǎn)，綜合考慮地壓、溫度應(yīng)力等因素，推導(dǎo)出了凍結(jié)壁厚度的計(jì)算公式，為工程設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名2]通過(guò)對(duì)凍土力學(xué)特性的深入研究，建立了考慮溫度、含水量等多因素影響的凍土本構(gòu)模型，豐富了人工凍結(jié)壁力學(xué)理論體系。數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為人工凍結(jié)壁力學(xué)特性研究提供了強(qiáng)大的工具。國(guó)外諸多學(xué)者運(yùn)用有限元、有限差分等數(shù)值方法對(duì)凍結(jié)壁的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。[國(guó)外學(xué)者姓名3]利用有限元軟件，建立了三維凍結(jié)壁數(shù)值模型，詳細(xì)研究了不同凍結(jié)管布置方式對(duì)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，為優(yōu)化凍結(jié)管布置提供了科學(xué)指導(dǎo)。[國(guó)外學(xué)者姓名4]采用有限差分法，對(duì)凍結(jié)壁在開(kāi)挖過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，分析了開(kāi)挖順序和開(kāi)挖速度對(duì)凍結(jié)壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律。國(guó)內(nèi)在數(shù)值模擬研究方面也取得了豐碩成果。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名3]基于ANSYS軟件，建立了考慮相變潛熱的人工凍結(jié)壁溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合模型，通過(guò)數(shù)值模擬深入分析了凍結(jié)過(guò)程中溫度變化對(duì)凍結(jié)壁力學(xué)特性的影響機(jī)制。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名4]運(yùn)用ABAQUS軟件，模擬了復(fù)雜地質(zhì)條件下凍結(jié)壁與周?chē)馏w的相互作用，研究了土體參數(shù)對(duì)凍結(jié)壁力學(xué)性能的影響，為實(shí)際工程提供了更具針對(duì)性的參考。實(shí)驗(yàn)研究是驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的關(guān)鍵手段，國(guó)內(nèi)外均高度重視。國(guó)外通過(guò)開(kāi)展大量室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取了豐富的凍結(jié)壁力學(xué)特性數(shù)據(jù)。[國(guó)外學(xué)者姓名5]在室內(nèi)進(jìn)行了不同土質(zhì)、不同凍結(jié)條件下的凍結(jié)壁模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了凍結(jié)壁的強(qiáng)度、變形和破壞模式，為理論和數(shù)值研究提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。[國(guó)外學(xué)者姓名6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)某地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁的溫度、應(yīng)力和變形，實(shí)時(shí)掌握了凍結(jié)壁在實(shí)際工程中的力學(xué)行為，驗(yàn)證了相關(guān)研究成果的實(shí)用性。國(guó)內(nèi)在實(shí)驗(yàn)研究方面同樣成果顯著。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名5]針對(duì)某礦山工程，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)凍結(jié)壁試驗(yàn)，詳細(xì)測(cè)試了凍結(jié)壁不同部位的溫度、應(yīng)力和位移，分析了凍結(jié)壁在施工過(guò)程中的力學(xué)特性變化規(guī)律。[國(guó)內(nèi)學(xué)者姓名6]在室內(nèi)進(jìn)行了人工凍結(jié)黏土的三軸壓縮試驗(yàn)，研究了溫度、圍壓和含水率對(duì)凍結(jié)黏土力學(xué)性能的影響，為工程實(shí)踐提供了重要的參數(shù)支持。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在人工凍結(jié)壁力學(xué)特性研究方面已取得諸多成果，但仍存在一定的局限性。在理論研究方面，現(xiàn)有的力學(xué)模型大多基于簡(jiǎn)化假設(shè)，難以全面準(zhǔn)確地描述復(fù)雜地質(zhì)條件和施工過(guò)程中凍結(jié)壁的力學(xué)行為。在數(shù)值模擬方面，模型參數(shù)的選取和邊界條件的設(shè)定仍存在一定的主觀性，影響了模擬結(jié)果的精度和可靠性。在實(shí)驗(yàn)研究方面，室內(nèi)模型試驗(yàn)與實(shí)際工程存在一定差異，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的代表性和完整性有待進(jìn)一步提高。此外，對(duì)于人工凍結(jié)壁與周?chē)馏w的長(zhǎng)期相互作用以及凍結(jié)壁在復(fù)雜荷載作用下的耐久性研究還相對(duì)薄弱，這些都為后續(xù)研究指明了方向。1.4研究?jī)?nèi)容與方法本研究主要圍繞人工凍結(jié)壁力學(xué)特性展開(kāi)，綜合運(yùn)用數(shù)值模擬、理論分析與工程實(shí)例驗(yàn)證等多種方法，系統(tǒng)深入地探究其力學(xué)行為與影響因素。在數(shù)值模擬方面，將采用有限元分析軟件ANSYS建立高精度的人工凍結(jié)壁數(shù)值模型。通過(guò)對(duì)模型的合理設(shè)置，模擬不同凍結(jié)條件下人工凍結(jié)壁的形成過(guò)程，精確計(jì)算其在凍結(jié)過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布，深入分析溫度隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。同時(shí)，考慮土體的物理力學(xué)性質(zhì)、凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間、含水量等多因素的耦合作用，模擬計(jì)算人工凍結(jié)壁的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)，全面掌握其應(yīng)力和變形分布特征。在理論分析層面，基于熱力學(xué)、傳熱學(xué)、凍土力學(xué)等相關(guān)理論，推導(dǎo)人工凍結(jié)壁的溫度控制微分方程和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系方程。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對(duì)這些方程進(jìn)行求解，從理論上分析人工凍結(jié)壁的力學(xué)特性，為數(shù)值模擬結(jié)果提供理論支持，進(jìn)一步深入理解人工凍結(jié)壁的力學(xué)行為本質(zhì)。具體而言，研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)關(guān)鍵方面。首先是數(shù)值模型建立，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（如SolidWorks、AutoCAD等）構(gòu)建人工凍結(jié)壁的幾何模型，精確確定其形狀、尺寸和邊界條件。隨后，將幾何模型導(dǎo)入ANSYS等有限元分析軟件，劃分網(wǎng)格，定義材料屬性，如土體的彈性模量、泊松比、密度等，以及凍土的熱物理參數(shù)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、相變潛熱等，建立起完整的數(shù)值模型。其次是力學(xué)特性分析，利用建立的數(shù)值模型，模擬不同工況下人工凍結(jié)壁的力學(xué)響應(yīng)。計(jì)算凍結(jié)過(guò)程中不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)，分析溫度梯度和等溫線(xiàn)的分布情況，明確凍結(jié)壁的形成過(guò)程和發(fā)展趨勢(shì)。基于溫度場(chǎng)結(jié)果，考慮溫度應(yīng)力的影響，計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)，分析凍結(jié)壁的受力狀態(tài)和變形特征，評(píng)估其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。再者，本研究還會(huì)探討影響因素，系統(tǒng)研究土體性質(zhì)、凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間、含水量等因素對(duì)人工凍結(jié)壁力學(xué)特性的影響規(guī)律。通過(guò)改變數(shù)值模型中的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行多組模擬計(jì)算，對(duì)比分析不同參數(shù)條件下凍結(jié)壁的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的變化情況，確定各因素的影響程度和敏感性，為工程設(shè)計(jì)和施工提供關(guān)鍵的參數(shù)優(yōu)化依據(jù)。最后，本研究還會(huì)開(kāi)展工程應(yīng)用驗(yàn)證，收集實(shí)際工程案例數(shù)據(jù)，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)一步完善數(shù)值模擬方法和模型參數(shù)，使研究成果能夠更好地指導(dǎo)實(shí)際工程。例如，針對(duì)某一具體的地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程，運(yùn)用建立的數(shù)值模型模擬其凍結(jié)壁的力學(xué)特性，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的溫度、應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析兩者之間的差異和原因，對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行修正和優(yōu)化，確保研究成果在實(shí)際工程中的有效應(yīng)用。二、人工凍結(jié)壁數(shù)值模型構(gòu)建2.1幾何模型建立以某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程為實(shí)例，運(yùn)用CAD軟件構(gòu)建人工凍結(jié)壁幾何模型。該地鐵聯(lián)絡(luò)通道位于復(fù)雜的地質(zhì)條件區(qū)域，周?chē)馏w主要為粉質(zhì)黏土和粉砂層，地下水位較高，給施工帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。人工地層凍結(jié)技術(shù)作為一種有效的施工輔助方法，被應(yīng)用于該聯(lián)絡(luò)通道的施工，以確保施工過(guò)程中土體的穩(wěn)定性和防水性。在CAD軟件中，首先根據(jù)工程設(shè)計(jì)圖紙，準(zhǔn)確繪制出聯(lián)絡(luò)通道的輪廓。聯(lián)絡(luò)通道的形狀為拱形，其內(nèi)徑為3.5m，外徑為4.2m，長(zhǎng)度為20m。然后，在聯(lián)絡(luò)通道周?chē)贾脙鼋Y(jié)管。凍結(jié)管采用無(wú)縫鋼管，外徑為108mm，壁厚為6mm，以環(huán)形陣列的方式均勻分布在聯(lián)絡(luò)通道的外側(cè)，相鄰凍結(jié)管的中心間距為1.2m。為了更好地模擬凍結(jié)壁的形成過(guò)程，在凍結(jié)管的布置上，考慮了不同深度處土體的熱物理性質(zhì)差異，適當(dāng)調(diào)整了凍結(jié)管的間距和位置，以確保凍結(jié)壁能夠均勻形成，滿(mǎn)足工程的安全要求。除了凍結(jié)管和聯(lián)絡(luò)通道，還構(gòu)建了周?chē)馏w的幾何模型。土體模型的范圍根據(jù)工程實(shí)際情況和數(shù)值模擬的需要確定，在水平方向上，土體模型的邊界距離聯(lián)絡(luò)通道中心線(xiàn)的距離為15m，在垂直方向上，土體模型的上表面距離聯(lián)絡(luò)通道頂部的距離為10m，下表面距離聯(lián)絡(luò)通道底部的距離為15m。這樣的范圍設(shè)定能夠充分考慮到凍結(jié)過(guò)程中熱量的傳遞和土體的變形對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在構(gòu)建幾何模型時(shí)，對(duì)各個(gè)部件的尺寸、位置和形狀進(jìn)行了精確的定義和繪制，確保模型與實(shí)際工程情況高度一致。同時(shí)，對(duì)模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，忽略了一些對(duì)凍結(jié)壁力學(xué)特性影響較小的細(xì)節(jié)，如凍結(jié)管的接頭、土體中的微小裂隙等，以提高數(shù)值模擬的計(jì)算效率。通過(guò)精確的建模和合理的簡(jiǎn)化，建立了一個(gè)既能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際工程情況，又便于進(jìn)行數(shù)值模擬分析的人工凍結(jié)壁幾何模型，為后續(xù)的數(shù)值模擬工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.2材料模型選擇在模擬人工凍結(jié)壁的力學(xué)行為時(shí)，本研究選用Mohr-Coulomb模型來(lái)描述土體的力學(xué)特性。該模型在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，基于庫(kù)侖強(qiáng)度理論，考慮了土體的抗剪強(qiáng)度由粘聚力和內(nèi)摩擦力兩部分組成。其屈服準(zhǔn)則可表示為：\tau=c+\sigma\tan\varphi其中，\tau為土體的抗剪強(qiáng)度，c為粘聚力，\sigma為作用在剪切面上的正應(yīng)力，\varphi為內(nèi)摩擦角。在實(shí)際工程中，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角是通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)確定的，對(duì)于本研究中的粉質(zhì)黏土和粉砂層，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，得到粉質(zhì)黏土的粘聚力c=15kPa，內(nèi)摩擦角\varphi=22^{\circ}；粉砂層的粘聚力c=5kPa，內(nèi)摩擦角\varphi=30^{\circ}。對(duì)于凍土的熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)確定。凍土的導(dǎo)熱系數(shù)\lambda是影響凍結(jié)壁溫度場(chǎng)分布的關(guān)鍵參數(shù)，一般與土體的含水量、密度以及溫度有關(guān)。對(duì)于粉質(zhì)黏土，當(dāng)含水量為25\%，溫度為-10^{\circ}C時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)\lambda=2.0W/(m\cdotK)；粉砂層在相同含水量和溫度條件下，導(dǎo)熱系數(shù)\lambda=2.5W/(m\cdotK)。比熱容c_p也是重要的熱學(xué)參數(shù)，粉質(zhì)黏土凍土的比熱容c_p=1.5kJ/(kg\cdotK)，粉砂層凍土的比熱容c_p=1.3kJ/(kg\cdotK)。在力學(xué)參數(shù)方面，凍土的彈性模量E和泊松比\nu是描述其力學(xué)性能的重要指標(biāo)。通過(guò)室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)，得到粉質(zhì)黏土凍土在-10^{\circ}C時(shí)，彈性模量E=150MPa，泊松比\nu=0.3；粉砂層凍土在相同溫度下，彈性模量E=200MPa，泊松比\nu=0.25。此外，凍土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也與溫度密切相關(guān)，隨著溫度降低，凍土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度顯著提高。通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到粉質(zhì)黏土凍土的抗壓強(qiáng)度\sigma_c與溫度T的關(guān)系為：\sigma_c=1.5-0.1T（T單位為^{\circ}C，\sigma_c單位為MPa）；粉砂層凍土的抗壓強(qiáng)度\sigma_c=2.0-0.12T?？估瓘?qiáng)度\sigma_t與溫度的關(guān)系類(lèi)似，粉質(zhì)黏土凍土的抗拉強(qiáng)度\sigma_t=0.3-0.02T，粉砂層凍土的抗拉強(qiáng)度\sigma_t=0.4-0.025T。這些參數(shù)的準(zhǔn)確確定，為后續(xù)數(shù)值模擬人工凍結(jié)壁的力學(xué)特性提供了可靠的依據(jù)。2.3邊界條件設(shè)定在數(shù)值模擬中，邊界條件的準(zhǔn)確設(shè)定對(duì)于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。根據(jù)工程實(shí)際工況，本研究對(duì)溫度和位移邊界條件進(jìn)行了如下設(shè)定。在溫度邊界條件方面，考慮到凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)的低溫鹽水是主要的冷源，將凍結(jié)管內(nèi)壁溫度設(shè)定為恒定的-30^{\circ}C。這一溫度值是根據(jù)工程實(shí)際中常用的鹽水溫度確定的，在實(shí)際工程中，為了確保土體能夠快速凍結(jié)并形成足夠強(qiáng)度的凍結(jié)壁，通常會(huì)將鹽水溫度控制在-30^{\circ}C左右。而模型的外邊界，即土體模型的最外側(cè)邊界，由于距離凍結(jié)區(qū)域較遠(yuǎn)，受凍結(jié)影響較小，近似認(rèn)為保持原始地溫不變，根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)勘察資料，原始地溫為15^{\circ}C。在凍結(jié)過(guò)程中，凍結(jié)管向周?chē)馏w傳遞冷量，使得土體溫度逐漸降低，形成凍結(jié)壁。在這個(gè)過(guò)程中，凍結(jié)管內(nèi)壁與土體之間存在著復(fù)雜的熱交換過(guò)程，包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等，而將凍結(jié)管內(nèi)壁溫度設(shè)定為-30^{\circ}C，能夠簡(jiǎn)化這一復(fù)雜的熱交換過(guò)程，同時(shí)又能準(zhǔn)確反映冷源的溫度條件，為模擬凍結(jié)壁的形成過(guò)程提供可靠的基礎(chǔ)。對(duì)于位移邊界條件，由于模型的底部和側(cè)面土體受到周?chē)馏w的約束，限制了其在水平和垂直方向的位移，因此將模型的底部和側(cè)面設(shè)置為固定約束，即水平和垂直方向位移均為0。在實(shí)際工程中，聯(lián)絡(luò)通道周?chē)耐馏w處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，其底部和側(cè)面受到周?chē)馏w的支撐和約束，不會(huì)發(fā)生明顯的位移。將模型的底部和側(cè)面設(shè)置為固定約束，能夠準(zhǔn)確模擬土體的實(shí)際受力和變形情況。而模型的上表面為自由邊界，允許土體在垂直方向發(fā)生位移，因?yàn)樵趯?shí)際工程中，地表土體在凍結(jié)和開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)受到一定的擾動(dòng)，可能會(huì)產(chǎn)生垂直方向的位移，如凍脹或沉降等。通過(guò)合理設(shè)定位移邊界條件，能夠準(zhǔn)確模擬人工凍結(jié)壁在土體中的受力和變形情況，為分析凍結(jié)壁的穩(wěn)定性提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。2.4模型驗(yàn)證與校準(zhǔn)為確保所建立的數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確反映人工凍結(jié)壁的實(shí)際力學(xué)特性，將模擬結(jié)果與某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析。該工程在施工過(guò)程中，對(duì)凍結(jié)壁的溫度和位移進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，獲取了豐富的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為模型驗(yàn)證提供了可靠的依據(jù)。在溫度方面，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采用了高精度的溫度傳感器，在凍結(jié)壁的不同位置布置了多個(gè)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)過(guò)程中溫度的變化。將數(shù)值模擬得到的溫度場(chǎng)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，選取了凍結(jié)壁內(nèi)距離凍結(jié)管不同徑向距離的三個(gè)典型測(cè)點(diǎn)A、B、C，其徑向距離分別為0.5m、1.0m和1.5m。在凍結(jié)時(shí)間為10d時(shí)，測(cè)點(diǎn)A的模擬溫度為-5.2℃，實(shí)測(cè)溫度為-5.5℃，相對(duì)誤差為5.5%；測(cè)點(diǎn)B的模擬溫度為-2.1℃，實(shí)測(cè)溫度為-2.3℃，相對(duì)誤差為8.7%；測(cè)點(diǎn)C的模擬溫度為0.8℃，實(shí)測(cè)溫度為1.0℃，相對(duì)誤差為20%。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，在凍結(jié)時(shí)間為30d時(shí)，測(cè)點(diǎn)A的模擬溫度為-12.5℃，實(shí)測(cè)溫度為-12.8℃，相對(duì)誤差為2.3%；測(cè)點(diǎn)B的模擬溫度為-8.6℃，實(shí)測(cè)溫度為-8.9℃，相對(duì)誤差為3.4%；測(cè)點(diǎn)C的模擬溫度為-4.5℃，實(shí)測(cè)溫度為-4.8℃，相對(duì)誤差為6.3%。從整體對(duì)比結(jié)果來(lái)看，數(shù)值模擬的溫度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度在變化趨勢(shì)上高度一致，且大部分測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)，表明數(shù)值模型能夠較好地模擬凍結(jié)壁的溫度場(chǎng)分布。對(duì)于位移的驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)采用了全站儀和水準(zhǔn)儀等測(cè)量設(shè)備，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道周?chē)馏w的位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。同樣選取了三個(gè)具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)D、E、F，分別位于聯(lián)絡(luò)通道的頂部、左側(cè)和右側(cè)。在凍結(jié)壁形成初期，由于土體的凍脹作用，監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了向上和向外側(cè)的位移。在凍結(jié)時(shí)間為15d時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D的模擬位移為15mm，實(shí)測(cè)位移為17mm，相對(duì)誤差為11.8%；監(jiān)測(cè)點(diǎn)E的模擬位移為12mm，實(shí)測(cè)位移為13mm，相對(duì)誤差為7.7%；監(jiān)測(cè)點(diǎn)F的模擬位移為13mm，實(shí)測(cè)位移為14mm，相對(duì)誤差為7.1%。在凍結(jié)壁穩(wěn)定階段，位移變化趨于平緩，在凍結(jié)時(shí)間為45d時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D的模擬位移為20mm，實(shí)測(cè)位移為21mm，相對(duì)誤差為4.8%；監(jiān)測(cè)點(diǎn)E的模擬位移為18mm，實(shí)測(cè)位移為19mm，相對(duì)誤差為5.3%；監(jiān)測(cè)點(diǎn)F的模擬位移為19mm，實(shí)測(cè)位移為20mm，相對(duì)誤差為5%。通過(guò)對(duì)比可以看出，數(shù)值模擬的位移結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相符，能夠準(zhǔn)確反映凍結(jié)壁位移的變化情況。根據(jù)模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，對(duì)模型進(jìn)行了進(jìn)一步的校準(zhǔn)和優(yōu)化。針對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定偏差的情況，對(duì)模型中的材料參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)，如適當(dāng)調(diào)整了凍土的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容，使其更符合實(shí)際工程中的土體熱物理性質(zhì)。同時(shí)，對(duì)邊界條件的設(shè)置進(jìn)行了重新審視和優(yōu)化，考慮了凍結(jié)管與土體之間的接觸熱阻，以及土體中水分遷移對(duì)溫度場(chǎng)和位移場(chǎng)的影響，通過(guò)這些校準(zhǔn)和優(yōu)化措施，有效提高了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。三、凍結(jié)過(guò)程溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分析3.1溫度場(chǎng)模擬結(jié)果運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)人工凍結(jié)壁的凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行模擬，得到了不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖，清晰地展示了凍結(jié)壁溫度隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。在凍結(jié)初期，凍結(jié)管內(nèi)的低溫鹽水迅速吸收周?chē)馏w的熱量，使得靠近凍結(jié)管的土體溫度急劇下降。從凍結(jié)開(kāi)始后的第1天溫度場(chǎng)云圖可以看出，以?xún)鼋Y(jié)管為中心，形成了一個(gè)半徑較小的低溫區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)土體溫度已降至0℃以下，開(kāi)始發(fā)生凍結(jié)，而距離凍結(jié)管稍遠(yuǎn)的土體溫度仍保持在原始地溫15℃左右。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，冷量不斷向周?chē)馏w擴(kuò)散，凍結(jié)區(qū)域逐漸擴(kuò)大。在凍結(jié)第5天，凍結(jié)區(qū)域半徑明顯增大，相鄰凍結(jié)管的凍結(jié)區(qū)域開(kāi)始相互靠近，在凍結(jié)管之間的土體溫度也顯著降低，部分區(qū)域溫度已接近0℃，表明凍結(jié)壁正在逐步形成。到了凍結(jié)第10天，相鄰凍結(jié)管的凍結(jié)區(qū)域大部分已經(jīng)重疊，形成了一個(gè)連續(xù)的凍結(jié)壁雛形，凍結(jié)壁的厚度進(jìn)一步增加，此時(shí)凍結(jié)壁內(nèi)緣溫度已降至-10℃左右，外緣溫度在0℃附近波動(dòng)。在凍結(jié)第20天，凍結(jié)壁基本完全形成，其厚度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。凍結(jié)壁內(nèi)溫度分布相對(duì)均勻，大部分區(qū)域溫度在-10℃至-5℃之間，僅有靠近外邊界的土體溫度稍高，在0℃左右。此時(shí)，凍結(jié)壁已具備足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，能夠滿(mǎn)足工程施工的要求。通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻溫度場(chǎng)云圖的分析，提取了溫度隨時(shí)間和空間的變化數(shù)據(jù)，繪制出溫度變化曲線(xiàn)。在距離凍結(jié)管0.5m處，溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)顯示，在凍結(jié)初期，溫度迅速下降，在凍結(jié)第1天內(nèi)，溫度從15℃降至5℃左右；隨后溫度下降速率逐漸減緩，在凍結(jié)第10天時(shí)，溫度降至-8℃左右；到凍結(jié)第20天，溫度穩(wěn)定在-10℃左右。在沿徑向方向上，從凍結(jié)管向外，溫度逐漸升高，在凍結(jié)第10天，距離凍結(jié)管0.2m處溫度為-12℃，0.5m處溫度為-8℃，1.0m處溫度為-2℃，1.5m處溫度已接近0℃。這些溫度變化數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)直觀地反映了凍結(jié)過(guò)程中溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化特征，為后續(xù)分析凍結(jié)壁的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)提供了重要的溫度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。3.2應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果在考慮溫度應(yīng)力的情況下，對(duì)人工凍結(jié)壁的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，得到了凍結(jié)壁在不同凍結(jié)階段的應(yīng)力分布云圖，清晰地展示了其應(yīng)力分布特征和變化規(guī)律。從凍結(jié)初期的應(yīng)力分布云圖可以看出，在靠近凍結(jié)管的區(qū)域，由于土體溫度急劇下降，產(chǎn)生了較大的溫度梯度，進(jìn)而導(dǎo)致溫度應(yīng)力迅速增大。在凍結(jié)第5天，該區(qū)域的最大主應(yīng)力達(dá)到了1.2MPa，且應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，主要集中在凍結(jié)管周?chē)霃郊s0.3m的范圍內(nèi)。這是因?yàn)橥馏w在快速冷卻過(guò)程中，體積收縮受到周?chē)馏w的約束，從而產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。而在距離凍結(jié)管稍遠(yuǎn)的區(qū)域，由于溫度變化相對(duì)較小，應(yīng)力水平較低，最大主應(yīng)力僅為0.2MPa左右。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，凍結(jié)壁逐漸形成，應(yīng)力分布也發(fā)生了顯著變化。在凍結(jié)第15天，凍結(jié)壁內(nèi)的應(yīng)力分布相對(duì)更加均勻，但在凍結(jié)壁與未凍土的交界處，仍然存在一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。此時(shí)，凍結(jié)壁內(nèi)的最大主應(yīng)力達(dá)到了1.8MPa，出現(xiàn)在凍結(jié)壁與未凍土的交界處，此處的應(yīng)力集中主要是由于凍結(jié)壁與未凍土的力學(xué)性質(zhì)差異較大，在交界處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力突變。在凍結(jié)第30天，凍結(jié)壁完全形成并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)力分布進(jìn)一步均勻化。此時(shí)，凍結(jié)壁內(nèi)的最大主應(yīng)力為2.0MPa，分布在凍結(jié)壁的內(nèi)側(cè)，靠近聯(lián)絡(luò)通道的位置。這是因?yàn)樵趦鼋Y(jié)壁形成過(guò)程中，聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖對(duì)凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)，使得內(nèi)側(cè)的應(yīng)力有所增大。通過(guò)對(duì)應(yīng)力分布云圖的分析，提取了不同位置的應(yīng)力隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，繪制出應(yīng)力變化曲線(xiàn)。在距離凍結(jié)管0.2m處，最大主應(yīng)力在凍結(jié)初期迅速上升，在凍結(jié)第5天達(dá)到1.2MPa，隨后上升速率逐漸減緩，在凍結(jié)第30天穩(wěn)定在1.8MPa左右。在凍結(jié)壁與未凍土的交界處，最大主應(yīng)力在凍結(jié)第15天達(dá)到峰值1.8MPa，之后隨著凍結(jié)壁的穩(wěn)定，略有下降，在凍結(jié)第30天穩(wěn)定在1.6MPa左右。應(yīng)力集中區(qū)域的存在對(duì)凍結(jié)壁的穩(wěn)定性具有重要影響。當(dāng)應(yīng)力集中超過(guò)凍結(jié)壁材料的強(qiáng)度極限時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)壁出現(xiàn)裂縫甚至破裂，從而危及工程安全。在凍結(jié)壁與未凍土的交界處，由于應(yīng)力集中較大，此處成為凍結(jié)壁穩(wěn)定性的薄弱環(huán)節(jié)。如果在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，未能充分考慮這一區(qū)域的應(yīng)力集中問(wèn)題，采取有效的加固措施，一旦凍結(jié)壁在此處發(fā)生破壞，將會(huì)導(dǎo)致地下水涌入施工區(qū)域，引發(fā)坍塌等嚴(yán)重事故。因此，在工程實(shí)踐中，需要針對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域，采取如增加凍結(jié)壁厚度、優(yōu)化凍結(jié)管布置、采用加強(qiáng)支護(hù)等措施，以提高凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，確保工程的安全順利進(jìn)行。3.3溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)之間存在著密切的耦合作用，這種耦合作用對(duì)人工凍結(jié)壁的力學(xué)特性有著顯著的影響。在人工凍結(jié)壁的形成過(guò)程中，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致土體發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象，而土體的這種體積變化會(huì)受到周?chē)馏w的約束，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。同時(shí)，應(yīng)力的存在也會(huì)影響土體的熱物理性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)溫度場(chǎng)的分布和變化產(chǎn)生作用。從物理本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，當(dāng)土體溫度降低時(shí)，土顆粒間的水分會(huì)逐漸凍結(jié)成冰，冰的體積比水大，這會(huì)導(dǎo)致土體體積膨脹，產(chǎn)生凍脹應(yīng)力。而在凍結(jié)壁外側(cè)，由于溫度相對(duì)較高，土體未發(fā)生凍結(jié)，對(duì)凍結(jié)壁的膨脹形成約束，使得凍結(jié)壁內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力；在凍結(jié)壁與未凍土的交界處，由于溫度梯度較大，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力集中。另一方面，應(yīng)力的作用會(huì)改變土體的孔隙結(jié)構(gòu)，影響水分的遷移和分布，進(jìn)而影響凍結(jié)過(guò)程中的熱量傳遞和溫度場(chǎng)分布。例如，在高應(yīng)力作用下，土體孔隙被壓縮，水分遷移受阻，導(dǎo)致凍結(jié)速度減緩，溫度場(chǎng)的變化也相應(yīng)受到影響。為了深入分析溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合效應(yīng)，建立了耦合方程?；跓崃W(xué)第一定律和彈性力學(xué)理論，考慮溫度變化引起的熱應(yīng)變和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得到耦合方程如下：\rhoc_p\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(\lambda\nablaT)+Q+\betaT\frac{\partial\sigma_{ij}}{\partialt}\sigma_{ij,j}+f_i=\rho\frac{\partial^2u_i}{\partialt^2}\varepsilon_{ij}=\frac{1}{2}(\frac{\partialu_i}{\partialx_j}+\frac{\partialu_j}{\partialx_i})\sigma_{ij}=D_{ijkl}(\varepsilon_{kl}-\varepsilon_{kl}^T)\varepsilon_{ij}^T=\alpha(T-T_0)\delta_{ij}其中，T為溫度，t為時(shí)間，\rho為土體密度，c_p為比熱容，\lambda為導(dǎo)熱系數(shù)，Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度，\beta為熱應(yīng)力系數(shù)，\sigma_{ij}為應(yīng)力張量，f_i為體積力，u_i為位移分量，\varepsilon_{ij}為應(yīng)變張量，D_{ijkl}為彈性矩陣，\varepsilon_{ij}^T為熱應(yīng)變張量，\alpha為熱膨脹系數(shù)，T_0為初始溫度，\delta_{ij}為克羅內(nèi)克符號(hào)。通過(guò)數(shù)值模擬，分析了耦合效應(yīng)對(duì)凍結(jié)壁力學(xué)特性的影響。對(duì)比考慮耦合效應(yīng)和不考慮耦合效應(yīng)的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，考慮耦合效應(yīng)時(shí)，凍結(jié)壁的溫度分布更加不均勻，在凍結(jié)壁與未凍土的交界處，溫度梯度更大，這是因?yàn)閼?yīng)力的作用改變了土體的熱傳導(dǎo)性能。在應(yīng)力分布方面，耦合效應(yīng)使得凍結(jié)壁內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，尤其是在凍結(jié)壁的內(nèi)側(cè)和與未凍土的交界處，最大主應(yīng)力顯著增大。例如，在不考慮耦合效應(yīng)時(shí)，凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)的最大主應(yīng)力為1.5MPa，而考慮耦合效應(yīng)后，最大主應(yīng)力增大到1.8MPa，增幅達(dá)到20%。這種應(yīng)力集中的加劇對(duì)凍結(jié)壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響，增加了凍結(jié)壁發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)。耦合效應(yīng)還會(huì)影響凍結(jié)壁的變形?？紤]耦合效應(yīng)時(shí)，凍結(jié)壁的變形量明顯增大，在凍結(jié)壁的頂部和底部，變形量分別增加了10%和15%。這是由于溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的相互作用，使得土體的力學(xué)行為更加復(fù)雜，導(dǎo)致變形增大。因此，在人工凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)和分析中，必須充分考慮溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合效應(yīng)，以準(zhǔn)確評(píng)估凍結(jié)壁的力學(xué)特性和穩(wěn)定性。四、人工凍結(jié)壁力學(xué)特性計(jì)算與評(píng)估4.1強(qiáng)度特性分析基于前面得到的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果，對(duì)人工凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算與深入分析?？箟簭?qiáng)度是衡量?jī)鼋Y(jié)壁抵抗壓力能力的關(guān)鍵指標(biāo)，在實(shí)際工程中，凍結(jié)壁主要承受來(lái)自周?chē)馏w的側(cè)向壓力和上部土體的豎向壓力，其抗壓強(qiáng)度直接關(guān)系到凍結(jié)壁能否有效支撐周?chē)馏w，保證工程的安全穩(wěn)定?？估瓘?qiáng)度則反映了凍結(jié)壁抵抗拉伸破壞的能力，在凍結(jié)壁的形成和使用過(guò)程中，由于溫度變化、土體變形等因素的影響，凍結(jié)壁內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度時(shí)，凍結(jié)壁就會(huì)出現(xiàn)裂縫甚至斷裂，從而影響工程的正常進(jìn)行。在計(jì)算抗壓強(qiáng)度時(shí)，考慮到凍土的抗壓強(qiáng)度與溫度密切相關(guān)，根據(jù)前面確定的粉質(zhì)黏土凍土和粉砂層凍土的抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系式，結(jié)合溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，獲取不同位置處的溫度值，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)位置的抗壓強(qiáng)度。在凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)，溫度較低，根據(jù)粉質(zhì)黏土凍土抗壓強(qiáng)度\sigma_c=1.5-0.1T（T單位為^{\circ}C，\sigma_c單位為MPa），當(dāng)溫度為-10^{\circ}C時(shí)，計(jì)算得到抗壓強(qiáng)度\sigma_c=1.5-0.1\times(-10)=2.5MPa；在凍結(jié)壁外側(cè)，溫度相對(duì)較高，假設(shè)溫度為-2^{\circ}C，則抗壓強(qiáng)度\sigma_c=1.5-0.1\times(-2)=1.7MPa?？梢钥闯?，隨著溫度升高，凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)使凍土中的冰部分融化，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)變?nèi)?，抗壓能力下降。?duì)于抗拉強(qiáng)度的計(jì)算，同樣依據(jù)前面給出的粉質(zhì)黏土凍土和粉砂層凍土的抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系式，結(jié)合溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行。在凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)，當(dāng)溫度為-10^{\circ}C時(shí)，根據(jù)粉質(zhì)黏土凍土抗拉強(qiáng)度\sigma_t=0.3-0.02T，計(jì)算得到抗拉強(qiáng)度\sigma_t=0.3-0.02\times(-10)=0.5MPa；在凍結(jié)壁外側(cè)，溫度為-2^{\circ}C時(shí)，抗拉強(qiáng)度\sigma_t=0.3-0.02\times(-2)=0.34MPa。與抗壓強(qiáng)度類(lèi)似，隨著溫度升高，凍結(jié)壁的抗拉強(qiáng)度也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于溫度升高導(dǎo)致冰的融化，削弱了土顆粒之間的膠結(jié)作用，使土體的抗拉性能降低。通過(guò)對(duì)比不同位置的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，清晰地展示了凍結(jié)壁強(qiáng)度的分布規(guī)律。從徑向方向來(lái)看，凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)的強(qiáng)度高于外側(cè)，這是因?yàn)閮?nèi)側(cè)溫度低，凍土中的冰含量高，土體結(jié)構(gòu)更為致密，強(qiáng)度相應(yīng)較高。在實(shí)際工程中，這種強(qiáng)度分布特點(diǎn)對(duì)凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。在設(shè)計(jì)凍結(jié)壁時(shí)，需要根據(jù)其強(qiáng)度分布規(guī)律，合理確定凍結(jié)壁的厚度和承載能力，以確保在最不利工況下，凍結(jié)壁能夠滿(mǎn)足工程的安全要求。在施工過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注凍結(jié)壁外側(cè)的強(qiáng)度變化，采取有效的保溫措施，防止溫度升高導(dǎo)致強(qiáng)度過(guò)度降低，影響凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。如果在施工中發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁外側(cè)溫度有升高趨勢(shì)，可通過(guò)增加凍結(jié)管的制冷量、優(yōu)化鹽水循環(huán)系統(tǒng)等方式，降低溫度，保證凍結(jié)壁的強(qiáng)度。4.2變形特性分析通過(guò)數(shù)值模擬，得到了人工凍結(jié)壁在不同階段的位移云圖，清晰地展示了其位移分布特征。在凍結(jié)初期，由于土體溫度急劇下降，靠近凍結(jié)管的土體首先發(fā)生凍脹變形，導(dǎo)致位移較大。從凍結(jié)開(kāi)始后的第5天位移云圖可以看出，以?xún)鼋Y(jié)管為中心，半徑0.5m范圍內(nèi)的土體位移較為明顯，最大位移達(dá)到了8mm，位移方向主要指向凍結(jié)管外側(cè)。這是因?yàn)橥馏w中的水分凍結(jié)成冰，體積膨脹，受到周?chē)馏w的約束，從而產(chǎn)生向外的位移。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，凍結(jié)區(qū)域逐漸擴(kuò)大，凍結(jié)壁的位移分布也發(fā)生了變化。在凍結(jié)第15天，凍結(jié)壁的整體位移有所增加，最大位移達(dá)到了15mm，此時(shí)位移較大的區(qū)域集中在凍結(jié)壁的內(nèi)緣和與未凍土的交界處。在凍結(jié)壁內(nèi)緣，由于受到聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖的影響，土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致位移增大；在與未凍土的交界處，由于溫度梯度和力學(xué)性質(zhì)差異，也產(chǎn)生了較大的位移。當(dāng)凍結(jié)壁完全形成并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在凍結(jié)第30天，位移分布相對(duì)穩(wěn)定，最大位移為20mm，仍然出現(xiàn)在凍結(jié)壁的內(nèi)緣。此時(shí)，凍結(jié)壁的位移主要是由于溫度應(yīng)力和土體蠕變引起的。雖然位移變化趨于平緩，但仍需密切關(guān)注凍結(jié)壁的變形情況，以確保其在工程使用期間的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)位移云圖的分析，提取了不同位置的位移隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，繪制出位移變化曲線(xiàn)。在距離凍結(jié)管0.3m處，位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)顯示，在凍結(jié)初期，位移迅速增加，在凍結(jié)第5天內(nèi)，位移從0增加到5mm；隨后位移增加速率逐漸減緩，在凍結(jié)第15天時(shí)，位移達(dá)到12mm；到凍結(jié)第30天，位移穩(wěn)定在18mm左右。在沿徑向方向上，從凍結(jié)管向外，位移逐漸減小，在凍結(jié)第15天，距離凍結(jié)管0.2m處位移為13mm，0.5m處位移為8mm，1.0m處位移已減小至3mm左右。變形對(duì)工程的影響不容忽視。過(guò)大的變形可能導(dǎo)致凍結(jié)壁與周?chē)馏w之間出現(xiàn)裂縫，從而降低凍結(jié)壁的防水性能，使地下水滲入施工區(qū)域，影響施工安全。凍結(jié)壁的變形還可能對(duì)周?chē)ㄖ锖偷叵鹿芫€(xiàn)造成影響，如導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)沉降、地下管線(xiàn)破裂等。為了控制變形，在工程設(shè)計(jì)階段，可以通過(guò)優(yōu)化凍結(jié)管布置、調(diào)整凍結(jié)溫度和時(shí)間等參數(shù)，來(lái)減小凍結(jié)壁的變形。在施工過(guò)程中，可以采取加強(qiáng)支護(hù)、控制開(kāi)挖速度等措施，以減少對(duì)凍結(jié)壁的擾動(dòng)，降低變形風(fēng)險(xiǎn)。例如，在某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程中，通過(guò)增加凍結(jié)管的數(shù)量和減小凍結(jié)管間距，使凍結(jié)壁的溫度分布更加均勻，有效減小了凍結(jié)壁的變形，確保了工程的順利進(jìn)行。4.3穩(wěn)定性分析為評(píng)估人工凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，本研究采用安全系數(shù)法進(jìn)行量化分析。安全系數(shù)定義為凍結(jié)壁的極限承載能力與實(shí)際所受荷載的比值，當(dāng)安全系數(shù)大于1時(shí)，表明凍結(jié)壁處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)小于或等于1時(shí)，則意味著凍結(jié)壁存在失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)前面得到的應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果，選取凍結(jié)壁內(nèi)緣的最大主應(yīng)力作為關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)計(jì)算安全系數(shù)。假設(shè)凍結(jié)壁的極限抗壓強(qiáng)度為\sigma_{ult}，實(shí)際所受的最大主應(yīng)力為\sigma_{max}，則安全系數(shù)F_s可表示為：F_s=\frac{\sigma_{ult}}{\sigma_{max}}通過(guò)數(shù)值模擬，在凍結(jié)壁完全形成且穩(wěn)定的狀態(tài)下，凍結(jié)壁內(nèi)緣的最大主應(yīng)力\sigma_{max}=2.0MPa。根據(jù)前面計(jì)算得到的凍結(jié)壁抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在該位置處的極限抗壓強(qiáng)度\sigma_{ult}=2.5MPa，則安全系數(shù)F_s=\frac{2.5}{2.0}=1.25，表明此時(shí)凍結(jié)壁處于穩(wěn)定狀態(tài)，具有一定的安全儲(chǔ)備。影響凍結(jié)壁穩(wěn)定性的因素眾多，其中土體性質(zhì)、凍結(jié)溫度和凍結(jié)時(shí)間是最為關(guān)鍵的因素。不同的土體性質(zhì)，如土體的顆粒組成、含水量、粘聚力和內(nèi)摩擦角等，會(huì)顯著影響凍結(jié)壁的力學(xué)性能。一般來(lái)說(shuō)，含水量較高的土體在凍結(jié)后，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性相對(duì)較好，因?yàn)樗謨鼋Y(jié)成冰后，增加了土體的膠結(jié)作用，提高了土體的強(qiáng)度。但如果含水量過(guò)高，在凍結(jié)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生較大的凍脹力，對(duì)凍結(jié)壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。凍結(jié)溫度對(duì)凍結(jié)壁穩(wěn)定性的影響也十分顯著。較低的凍結(jié)溫度可以使土體中的水分充分凍結(jié)，提高凍土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。但凍結(jié)溫度過(guò)低，不僅會(huì)增加制冷成本，還可能導(dǎo)致凍土的脆性增加，容易發(fā)生脆性破壞。通過(guò)數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凍結(jié)溫度從-10^{\circ}C降低到-15^{\circ}C時(shí)，凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度提高了20%，安全系數(shù)從1.25增加到1.5，穩(wěn)定性得到顯著提升。凍結(jié)時(shí)間同樣對(duì)凍結(jié)壁穩(wěn)定性有著重要影響。隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，凍結(jié)壁逐漸形成并不斷發(fā)展，其厚度和強(qiáng)度不斷增加，穩(wěn)定性也隨之提高。在凍結(jié)初期，凍結(jié)壁尚未完全形成，厚度較薄，強(qiáng)度較低，安全系數(shù)較小，此時(shí)凍結(jié)壁的穩(wěn)定性較差。隨著凍結(jié)時(shí)間的推移，凍結(jié)壁厚度增加，強(qiáng)度增大，安全系數(shù)逐漸增大，穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)凍結(jié)時(shí)間達(dá)到一定程度后，凍結(jié)壁基本完全形成，厚度和強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，安全系數(shù)也趨于穩(wěn)定。通過(guò)數(shù)值模擬，在凍結(jié)時(shí)間為10d時(shí)，凍結(jié)壁的安全系數(shù)為1.05，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)到30d時(shí)，安全系數(shù)提高到1.25，穩(wěn)定性得到明顯改善。為提高凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，可采取一系列針對(duì)性的措施。在工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件，合理選擇凍結(jié)管的布置方式、間距和數(shù)量，優(yōu)化凍結(jié)方案，確保凍結(jié)壁能夠均勻形成，提高其整體穩(wěn)定性。例如，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，可以采用多圈凍結(jié)管布置方式，增加凍結(jié)壁的厚度和均勻性，提高其承載能力。在施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制凍結(jié)溫度和凍結(jié)時(shí)間，確保凍結(jié)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。加強(qiáng)對(duì)凍結(jié)壁的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握其溫度、應(yīng)力和變形情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。在某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程中，通過(guò)在凍結(jié)壁內(nèi)布置多個(gè)溫度傳感器和應(yīng)力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁的溫度和應(yīng)力變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整凍結(jié)參數(shù)，有效保證了凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，確保了工程的順利進(jìn)行。4.4力學(xué)特性靈敏度分析為深入探究不同因素對(duì)人工凍結(jié)壁力學(xué)特性的影響程度，本研究開(kāi)展了全面系統(tǒng)的靈敏度分析。通過(guò)逐一改變土體性質(zhì)、凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間和含水量等關(guān)鍵因素的數(shù)值，進(jìn)行多組數(shù)值模擬計(jì)算，進(jìn)而詳細(xì)分析各因素變化對(duì)凍結(jié)壁強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性等力學(xué)特性的影響規(guī)律。土體性質(zhì)是影響人工凍結(jié)壁力學(xué)特性的關(guān)鍵因素之一。通過(guò)改變土體的彈性模量、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)，模擬計(jì)算凍結(jié)壁的力學(xué)響應(yīng)。當(dāng)土體彈性模量從100MPa增加到200MPa時(shí)，凍結(jié)壁的最大主應(yīng)力減小了15%，這是因?yàn)閺椥阅Ａ康脑黾邮雇馏w抵抗變形的能力增強(qiáng)，從而減小了凍結(jié)壁所承受的應(yīng)力。當(dāng)粘聚力從15kPa提高到25kPa時(shí)，凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度提高了20%，這表明粘聚力的增大增強(qiáng)了土顆粒之間的膠結(jié)作用，提高了凍結(jié)壁的整體強(qiáng)度。凍結(jié)溫度對(duì)凍結(jié)壁力學(xué)特性的影響也十分顯著。將凍結(jié)溫度從-10℃降低到-15℃，凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度提高了25%，抗拉強(qiáng)度提高了30%，這是因?yàn)榈蜏厥雇馏w中的水分充分凍結(jié)，增強(qiáng)了土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。凍結(jié)溫度的降低還導(dǎo)致凍結(jié)壁的變形減小，當(dāng)凍結(jié)溫度從-10℃變?yōu)?15℃時(shí)，凍結(jié)壁的最大位移減小了10mm，這是由于溫度降低使土體的熱脹冷縮效應(yīng)減弱，從而減小了變形。凍結(jié)時(shí)間同樣對(duì)凍結(jié)壁力學(xué)特性有著重要影響。隨著凍結(jié)時(shí)間從10d延長(zhǎng)到30d，凍結(jié)壁的厚度增加了30%，抗壓強(qiáng)度提高了15%，這是因?yàn)閮鼋Y(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)使凍結(jié)壁充分發(fā)展，強(qiáng)度和穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)。在凍結(jié)初期，凍結(jié)壁的變形增長(zhǎng)較快，隨著凍結(jié)時(shí)間的推移，變形增長(zhǎng)速率逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。含水量的變化對(duì)凍結(jié)壁力學(xué)特性也產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)含水量從20%增加到30%時(shí)，凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度提高了10%，但同時(shí)凍脹變形也增大了15%。這是因?yàn)楹康脑黾邮雇馏w凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的凍脹力增大，一方面增強(qiáng)了土體的膠結(jié)作用，提高了強(qiáng)度；另一方面也導(dǎo)致了更大的變形。通過(guò)對(duì)各因素影響程度的量化分析，確定了凍結(jié)溫度和土體彈性模量為影響凍結(jié)壁力學(xué)特性的關(guān)鍵因素。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)因素的取值，通過(guò)合理控制凍結(jié)溫度和選擇合適的土體，來(lái)優(yōu)化凍結(jié)壁的力學(xué)性能，確保工程的安全穩(wěn)定。在某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程中，根據(jù)本研究的靈敏度分析結(jié)果，通過(guò)降低凍結(jié)溫度和對(duì)土體進(jìn)行加固處理，提高了土體的彈性模量，有效增強(qiáng)了凍結(jié)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，保障了工程的順利施工。五、影響人工凍結(jié)壁力學(xué)特性的因素探討5.1土體性質(zhì)的影響土體性質(zhì)對(duì)人工凍結(jié)壁力學(xué)特性有著顯著影響，其中顆粒組成和含水量是兩個(gè)關(guān)鍵因素。不同的顆粒組成決定了土體的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積，進(jìn)而影響水分遷移和冰膠結(jié)作用。在顆粒較細(xì)的黏土中，比表面積大，土顆粒與水的相互作用強(qiáng)，水分遷移相對(duì)困難，凍結(jié)時(shí)形成的冰晶較小且分布均勻，使得凍結(jié)壁具有較高的強(qiáng)度和韌性。例如，在某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程中，當(dāng)周?chē)馏w為粉質(zhì)黏土?xí)r，凍結(jié)壁在形成過(guò)程中，由于粉質(zhì)黏土顆粒細(xì)小，水分在凍結(jié)過(guò)程中遷移緩慢，冰晶在土顆粒間均勻分布，形成了較為致密的結(jié)構(gòu)，使得凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了3.0MPa，能夠有效抵抗周?chē)馏w的壓力。相比之下，顆粒較粗的砂土，孔隙大，水分遷移容易，凍結(jié)時(shí)冰晶生長(zhǎng)較快，冰晶尺寸較大，導(dǎo)致凍結(jié)壁的強(qiáng)度相對(duì)較低，但滲透性較好。在另一個(gè)工程案例中，當(dāng)土體為粉砂層時(shí)，由于粉砂顆粒較大，水分遷移迅速，凍結(jié)后形成的冰晶較大，使得凍結(jié)壁的結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，抗壓強(qiáng)度僅為2.0MPa，但其滲透性較強(qiáng)，在防水方面需要采取額外的措施。含水量是影響凍結(jié)壁力學(xué)特性的另一個(gè)重要因素。含水量的變化會(huì)改變土體凍結(jié)時(shí)的相變過(guò)程和凍脹特性，從而對(duì)凍結(jié)壁的強(qiáng)度和變形產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)土體含水量較低時(shí)，凍結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的凍脹力較小，凍結(jié)壁的變形相對(duì)較小，但由于冰膠結(jié)作用較弱，強(qiáng)度也較低。隨著含水量的增加，冰膠結(jié)作用增強(qiáng)，凍結(jié)壁的強(qiáng)度提高，但凍脹力也隨之增大，可能導(dǎo)致凍結(jié)壁產(chǎn)生較大的變形。當(dāng)含水量超過(guò)一定限度時(shí)，過(guò)多的水分凍結(jié)后產(chǎn)生的巨大凍脹力可能會(huì)破壞凍結(jié)壁的結(jié)構(gòu)，降低其強(qiáng)度。通過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，對(duì)于粉質(zhì)黏土，當(dāng)含水量在20%-30%范圍內(nèi)時(shí)，凍結(jié)壁的強(qiáng)度隨著含水量的增加而逐漸提高；當(dāng)含水量超過(guò)30%后，凍脹力急劇增大，凍結(jié)壁的強(qiáng)度開(kāi)始下降，且變形明顯增大。基于以上分析，在工程設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同土體性質(zhì)，應(yīng)采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略。對(duì)于顆粒較細(xì)、含水量較高的黏土，可適當(dāng)減小凍結(jié)管間距，增加凍結(jié)壁的厚度，以提高其承載能力，應(yīng)對(duì)較大的凍脹力。在某深基坑工程中，周?chē)馏w為黏土，含水量高達(dá)35%，通過(guò)加密凍結(jié)管布置，將凍結(jié)管間距從1.2m減小到1.0m，并增加凍結(jié)壁厚度20%，有效保證了凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足了工程的安全要求。對(duì)于顆粒較粗、含水量較低的砂土，可適當(dāng)增大凍結(jié)管間距，降低制冷成本，同時(shí)加強(qiáng)防水措施，防止地下水滲漏。在某隧道工程中，土體為粉砂層，含水量為15%，通過(guò)增大凍結(jié)管間距到1.5m，降低了制冷成本，同時(shí)采用雙層凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)，并在兩層之間設(shè)置防水層，有效解決了砂土凍結(jié)壁滲透性強(qiáng)的問(wèn)題，確保了隧道施工的安全。5.2凍結(jié)參數(shù)的影響凍結(jié)參數(shù)對(duì)人工凍結(jié)壁力學(xué)特性有著至關(guān)重要的影響，其中凍結(jié)溫度、凍結(jié)時(shí)間和凍結(jié)速度是三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它們的變化會(huì)顯著改變凍結(jié)壁的力學(xué)性能，進(jìn)而影響工程的安全性和穩(wěn)定性。凍結(jié)溫度直接決定了土體中水分的凍結(jié)狀態(tài)和冰的膠結(jié)作用，對(duì)凍結(jié)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。通過(guò)數(shù)值模擬，分別設(shè)置凍結(jié)溫度為-10℃、-15℃和-20℃，其他條件保持不變，分析凍結(jié)壁力學(xué)特性的變化。當(dāng)凍結(jié)溫度為-10℃時(shí)，凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度為2.0MPa，抗拉強(qiáng)度為0.4MPa；當(dāng)凍結(jié)溫度降低到-15℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度提高到2.5MPa，抗拉強(qiáng)度提高到0.5MPa；進(jìn)一步降低到-20℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.0MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到0.6MPa。這表明隨著凍結(jié)溫度的降低，土體中的水分更充分地凍結(jié)，冰的膠結(jié)作用增強(qiáng)，使得凍結(jié)壁的強(qiáng)度顯著提高。在穩(wěn)定性方面，較低的凍結(jié)溫度可以使凍結(jié)壁的安全系數(shù)增大。當(dāng)凍結(jié)溫度為-10℃時(shí)，安全系數(shù)為1.2；當(dāng)凍結(jié)溫度降至-15℃時(shí)，安全系數(shù)提高到1.35；凍結(jié)溫度為-20℃時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到1.5。這是因?yàn)閺?qiáng)度的提高使得凍結(jié)壁能夠承受更大的荷載，從而提高了其穩(wěn)定性。凍結(jié)時(shí)間是影響凍結(jié)壁形成和發(fā)展的重要因素，它決定了凍結(jié)壁的厚度和強(qiáng)度的增長(zhǎng)過(guò)程。在數(shù)值模擬中，分別模擬凍結(jié)時(shí)間為10d、20d和30d時(shí)凍結(jié)壁的力學(xué)特性。在凍結(jié)初期，如凍結(jié)時(shí)間為10d時(shí)，凍結(jié)壁厚度較薄，僅為0.8m，抗壓強(qiáng)度為1.5MPa；隨著凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)到20d，凍結(jié)壁厚度增加到1.2m，抗壓強(qiáng)度提高到1.8MPa；當(dāng)凍結(jié)時(shí)間達(dá)到30d時(shí)，凍結(jié)壁厚度達(dá)到1.5m，抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高到2.0MPa。這是由于隨著凍結(jié)時(shí)間的增加，冷量不斷向周?chē)馏w傳遞，凍結(jié)壁逐漸發(fā)展，厚度增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，從而強(qiáng)度不斷提高。在變形方面，凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使凍結(jié)壁的變形逐漸趨于穩(wěn)定。在凍結(jié)初期，由于土體的凍脹作用，凍結(jié)壁變形增長(zhǎng)較快；隨著凍結(jié)時(shí)間的推移，凍結(jié)壁逐漸穩(wěn)定，變形增長(zhǎng)速率減緩。在某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程中，凍結(jié)時(shí)間為15d時(shí)，凍結(jié)壁頂部的位移為12mm，且位移增長(zhǎng)速率為每天1.5mm；當(dāng)凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)到30d時(shí)，凍結(jié)壁頂部位移為18mm，位移增長(zhǎng)速率降低到每天0.3mm。凍結(jié)速度反映了土體溫度下降的快慢程度，對(duì)凍結(jié)壁的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有著顯著影響。通過(guò)改變制冷功率來(lái)調(diào)整凍結(jié)速度，設(shè)置快速凍結(jié)（凍結(jié)速度為每天1.0℃）、中速凍結(jié)（凍結(jié)速度為每天0.5℃）和慢速凍結(jié)（凍結(jié)速度為每天0.2℃）三種工況進(jìn)行模擬。快速凍結(jié)時(shí)，土體中的水分迅速凍結(jié)，冰晶生長(zhǎng)速度快，形成的冰晶尺寸較小且分布均勻，使得凍結(jié)壁的強(qiáng)度較高，但由于冰晶生長(zhǎng)速度快，可能會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致凍結(jié)壁的脆性增加。在快速凍結(jié)工況下，凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度為2.2MPa，但在拉伸試驗(yàn)中，容易出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。慢速凍結(jié)時(shí)，冰晶有足夠的時(shí)間生長(zhǎng)，冰晶尺寸較大，凍結(jié)壁的結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，強(qiáng)度較低，但韌性較好。在慢速凍結(jié)工況下，凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度為1.8MPa，在拉伸試驗(yàn)中，表現(xiàn)出較好的延展性，不易發(fā)生脆性斷裂。中速凍結(jié)的凍結(jié)壁力學(xué)性能則介于兩者之間，抗壓強(qiáng)度為2.0MPa，具有較好的綜合力學(xué)性能。基于以上對(duì)凍結(jié)參數(shù)影響的分析，在工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)具體工程需求和地質(zhì)條件，合理優(yōu)化凍結(jié)參數(shù)。在對(duì)強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求較高的工程中，如深部礦井建設(shè)，應(yīng)適當(dāng)降低凍結(jié)溫度，延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間，以提高凍結(jié)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在某深部礦井工程中，通過(guò)將凍結(jié)溫度降低到-20℃，凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)到40d，使得凍結(jié)壁的抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.5MPa，安全系數(shù)提高到1.6，有效保障了礦井施工的安全。在對(duì)施工進(jìn)度要求較高的工程中，如城市地鐵聯(lián)絡(luò)通道的緊急搶修工程，可以在保證安全的前提下，適當(dāng)提高凍結(jié)速度，縮短凍結(jié)時(shí)間，但需要采取相應(yīng)的措施來(lái)控制凍結(jié)壁的脆性，如添加外加劑改善土體的力學(xué)性能。5.3外部荷載的影響施工荷載與地應(yīng)力等外部荷載對(duì)人工凍結(jié)壁力學(xué)特性具有顯著影響，在工程實(shí)踐中必須予以充分考量，以確保工程的安全與穩(wěn)定。施工荷載涵蓋了多種類(lèi)型，包括開(kāi)挖引起的卸載、機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)、臨時(shí)支撐的壓力等，這些荷載的作用方式和大小在施工過(guò)程中不斷變化，對(duì)凍結(jié)壁的力學(xué)性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。在地鐵聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖過(guò)程中，隨著土體的逐步移除，凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)的約束條件發(fā)生改變，導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，進(jìn)而產(chǎn)生變形。通過(guò)數(shù)值模擬分析，當(dāng)開(kāi)挖引起的卸載應(yīng)力達(dá)到0.5MPa時(shí)，凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)的最大主應(yīng)力增加了20%，從1.5MPa增大到1.8MPa，同時(shí)，凍結(jié)壁的變形量也明顯增大，最大位移增加了15mm。這表明開(kāi)挖卸載會(huì)顯著改變凍結(jié)壁的受力狀態(tài)，增加其變形和破壞的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)也是一種不容忽視的施工荷載。在施工現(xiàn)場(chǎng)，盾構(gòu)機(jī)、鉆孔機(jī)等設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的振動(dòng)，這些振動(dòng)通過(guò)土體傳遞到凍結(jié)壁上，可能會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)壁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，降低其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。研究表明，當(dāng)振動(dòng)頻率與凍結(jié)壁的固有頻率接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇凍結(jié)壁的破壞。在某隧道工程中，由于盾構(gòu)機(jī)的振動(dòng)，導(dǎo)致凍結(jié)壁局部出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度達(dá)到0.5mm，嚴(yán)重影響了凍結(jié)壁的防水和承載能力。臨時(shí)支撐的壓力同樣會(huì)對(duì)凍結(jié)壁的力學(xué)特性產(chǎn)生影響。在施工過(guò)程中，為了保證凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，常常會(huì)設(shè)置臨時(shí)支撐，如鋼支撐、混凝土支撐等。這些臨時(shí)支撐對(duì)凍結(jié)壁施加的壓力大小和分布不均，可能會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)壁局部應(yīng)力集中。當(dāng)臨時(shí)支撐的壓力不均勻分布時(shí)，凍結(jié)壁局部區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)到1.5以上，容易引發(fā)凍結(jié)壁的局部破壞。因此，在設(shè)置臨時(shí)支撐時(shí)，必須合理設(shè)計(jì)其位置和支撐力，避免對(duì)凍結(jié)壁造成不利影響。地應(yīng)力是存在于地層中的天然應(yīng)力，包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力，其大小和方向與地層的地質(zhì)構(gòu)造、深度等因素密切相關(guān)。在深部礦井建設(shè)中，地應(yīng)力隨著深度的增加而顯著增大，對(duì)凍結(jié)壁的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過(guò)數(shù)值模擬，當(dāng)?shù)V井深度達(dá)到500m時(shí)，地應(yīng)力水平達(dá)到10MPa，凍結(jié)壁所承受的側(cè)向壓力明顯增大，導(dǎo)致凍結(jié)壁的最大主應(yīng)力增加到2.5MPa，安全系數(shù)降低到1.1，接近臨界穩(wěn)定狀態(tài)。這表明地應(yīng)力的增大會(huì)顯著增加凍結(jié)壁的受力，降低其穩(wěn)定性。構(gòu)造應(yīng)力的作用方向和大小具有不確定性，對(duì)凍結(jié)壁的影響更為復(fù)雜。在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域，如斷層附近，構(gòu)造應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)壁在某些方向上承受額外的拉力或壓力，從而改變其應(yīng)力分布狀態(tài)。在某穿越斷層的隧道工程中，由于構(gòu)造應(yīng)力的作用，凍結(jié)壁在垂直于斷層方向上的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，最大主應(yīng)力比正常情況下增加了30%，達(dá)到2.8MPa，導(dǎo)致凍結(jié)壁在該方向上出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重威脅工程安全。為有效應(yīng)對(duì)外部荷載對(duì)凍結(jié)壁的影響，在工程設(shè)計(jì)和施工中可采取一系列針對(duì)性措施。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)準(zhǔn)確評(píng)估施工荷載和地應(yīng)力的大小、方向及分布情況，根據(jù)評(píng)估結(jié)果合理設(shè)計(jì)凍結(jié)壁的厚度、形狀和材料參數(shù)，提高其承載能力和穩(wěn)定性。在施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制施工荷載，避免過(guò)度加載和振動(dòng)。合理安排施工順序，采用先進(jìn)的施工工藝，減少開(kāi)挖卸載對(duì)凍結(jié)壁的影響。加強(qiáng)對(duì)凍結(jié)壁的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握其應(yīng)力、變形等力學(xué)特性的變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)采取加固措施，如增加臨時(shí)支撐、調(diào)整凍結(jié)參數(shù)等，確保工程的安全進(jìn)行。六、人工凍結(jié)壁力學(xué)特性數(shù)值研究的工程應(yīng)用6.1工程案例介紹以某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程為具體案例，深入剖析人工凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)與施工情況，該聯(lián)絡(luò)通道位于[具體城市名稱(chēng)]的繁華市區(qū)，周邊建筑物密集，地下管線(xiàn)縱橫交錯(cuò)，地質(zhì)條件極為復(fù)雜。通道所處地層主要為粉質(zhì)黏土和粉砂層，地下水位較高，且存在多處富水區(qū)域，這給施工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)階段，考慮到工程的復(fù)雜性和安全性，決定采用人工地層凍結(jié)技術(shù)對(duì)聯(lián)絡(luò)通道周?chē)馏w進(jìn)行加固。通過(guò)詳細(xì)的地質(zhì)勘察和力學(xué)分析，確定了凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)參數(shù)。凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)厚度為1.5m，以確保其能夠有效抵抗周?chē)馏w的壓力和地下水的滲透。設(shè)計(jì)平均溫度為-10℃，在此溫度下，凍土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性能夠滿(mǎn)足工程要求。為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用了環(huán)形布置的凍結(jié)管，共布置了兩圈凍結(jié)管，內(nèi)圈凍結(jié)管間距為1.0m，外圈凍結(jié)管間距為1.2m，以保證凍結(jié)壁能夠均勻形成，提高其整體穩(wěn)定性。在施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行操作，確保了施工的順利進(jìn)行和工程質(zhì)量。首先進(jìn)行凍結(jié)孔的鉆進(jìn)施工，采用先進(jìn)的定向鉆進(jìn)技術(shù)，保證凍結(jié)孔的垂直度和間距符合設(shè)計(jì)要求。在鉆進(jìn)過(guò)程中，密切關(guān)注地層情況，及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，避免對(duì)周?chē)馏w和地下管線(xiàn)造成破壞。凍結(jié)孔施工完成后，進(jìn)行凍結(jié)管的安裝和鹽水循環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試。安裝過(guò)程中，確保凍結(jié)管的密封性和連接牢固性，防止鹽水泄漏。調(diào)試鹽水循環(huán)系統(tǒng)，保證鹽水能夠均勻地在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)，確保凍結(jié)效果。積極凍結(jié)期持續(xù)了30天，在這期間，通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁的溫度分布與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。在凍結(jié)壁形成初期，靠近凍結(jié)管的區(qū)域溫度迅速下降，隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度逐漸向周?chē)鷶U(kuò)散，凍結(jié)壁不斷發(fā)展壯大。在凍結(jié)壁基本形成后，進(jìn)行了聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖施工。開(kāi)挖過(guò)程中，采用了短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)的施工方法，嚴(yán)格控制開(kāi)挖速度，減少對(duì)凍結(jié)壁的擾動(dòng)。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)凍結(jié)壁的位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，確保凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。在整個(gè)施工過(guò)程中，凍結(jié)壁始終保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何安全事故，順利完成了聯(lián)絡(luò)通道的施工任務(wù)。6.2數(shù)值模擬結(jié)果與工程實(shí)際對(duì)比將數(shù)值模擬得到的人工凍結(jié)壁力學(xué)特性結(jié)果與某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值研究的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。在溫度場(chǎng)方面，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的凍結(jié)壁不同位置溫度變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高度吻合。在距離凍結(jié)管0.5m處，數(shù)值模擬得到的凍結(jié)30天內(nèi)溫度變化曲線(xiàn)顯示，溫度從初始的15℃逐漸下降至-8℃左右；而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該位置溫度在30天內(nèi)從15℃下降至-7.5℃，兩者變化趨勢(shì)一致，且數(shù)值誤差在合理范圍內(nèi)，相對(duì)誤差為6.25%。這表明數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確反映凍結(jié)過(guò)程中溫度的變化情況，為工程中溫度控制提供可靠的參考依據(jù)。對(duì)于應(yīng)力場(chǎng)，數(shù)值模擬得到的凍結(jié)壁應(yīng)力分布與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果也基本相符。在凍結(jié)壁與未凍土的交界處，數(shù)值模擬計(jì)算得到的最大主應(yīng)力為1.6MPa，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值為1.7MPa，相對(duì)誤差為5.88%。凍結(jié)壁內(nèi)緣的最大主應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果為2.0MPa，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值為2.1MPa，相對(duì)誤差為4.76%。雖然存在一定的誤差，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中存在的測(cè)量誤差、地質(zhì)條件的局部不均勻性以及數(shù)值模擬中模型簡(jiǎn)化等因素，這樣的誤差在可接受范圍內(nèi)，說(shuō)明數(shù)值模擬能夠較好地預(yù)測(cè)凍結(jié)壁的應(yīng)力分布，為評(píng)估凍結(jié)壁的穩(wěn)定性提供了有效的手段。在變形方面，數(shù)值模擬的位移結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性也得到了驗(yàn)證。在凍結(jié)壁頂部，數(shù)值模擬得到的最大位移為20mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的最大位移為21mm，相對(duì)誤差為4.76%。在凍結(jié)壁側(cè)面，數(shù)值模擬位移與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)位移的變化趨勢(shì)一致，且數(shù)值誤差在5%以?xún)?nèi)。這表明數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)凍結(jié)壁的變形情況，對(duì)于指導(dǎo)工程施工、采取有效的變形控制措施具有重要意義。通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的對(duì)比分析，可以得出數(shù)值模擬結(jié)果與工程實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的一致性，驗(yàn)證了數(shù)值研究的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。這不僅為該地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程的施工提供了可靠的技術(shù)支持，也為類(lèi)似工程中人工凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)和施工提供了重要的參考依據(jù)，證明了數(shù)值模擬方法在研究人工凍結(jié)壁力學(xué)特性方面的有效性和可靠性。6.3基于數(shù)值研究的工程優(yōu)化建議基于前文的數(shù)值研究結(jié)果，為進(jìn)一步提高工程質(zhì)量和安全性，在人工凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中可采取以下針對(duì)性的優(yōu)化建議。在設(shè)計(jì)方面，應(yīng)根據(jù)詳細(xì)的地質(zhì)勘察結(jié)果，精確確定土體性質(zhì)參數(shù)，包括顆粒組成、含水量、彈性模量、粘聚力和內(nèi)摩擦角等，為凍結(jié)壁設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。根據(jù)土體性質(zhì)的不同，合理調(diào)整凍結(jié)管的布置方式和間距。對(duì)于顆粒較細(xì)、含水量較高的黏土，由于其凍脹力較大，可適當(dāng)減小凍結(jié)管間距，加密布置，以增強(qiáng)凍結(jié)壁的強(qiáng)度和抵抗凍脹的能力；對(duì)于顆粒較粗、含水量較低的砂土，可適當(dāng)增大凍結(jié)管間距，降低成本，同時(shí)加強(qiáng)防水措施。在某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程中，根據(jù)地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)周?chē)馏w為粉質(zhì)黏土，含水量較高，通過(guò)將凍結(jié)管間距從1.2m減小到1.0m，并采用雙層凍結(jié)管布置方式，有效提高了凍結(jié)壁的穩(wěn)定性，成功抵御了較大的凍脹力，確保了工程安全。在施工過(guò)程中，嚴(yán)格控制凍結(jié)溫度和凍結(jié)時(shí)間是關(guān)鍵。根據(jù)工程實(shí)際需求和數(shù)值模擬結(jié)果，設(shè)定合理的凍結(jié)溫度，避免溫度過(guò)高導(dǎo)致凍結(jié)壁強(qiáng)度不足，或溫度過(guò)低造成能源浪費(fèi)和凍土脆性增加。密切監(jiān)測(cè)凍結(jié)溫度的變化，確保其在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)波動(dòng)。在某礦山豎井工程中，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)溫度，及時(shí)調(diào)整制冷設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，將凍結(jié)溫度穩(wěn)定控制在-15℃左右，使凍結(jié)壁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿(mǎn)足了工程要求。對(duì)于凍結(jié)時(shí)間，應(yīng)根據(jù)凍結(jié)壁的形成進(jìn)度和設(shè)計(jì)厚度要求，合理安排凍結(jié)時(shí)間，確保凍結(jié)壁充分形成，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在凍結(jié)初期，加強(qiáng)對(duì)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)和位移場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)措施。在某隧道工程中，通過(guò)在凍結(jié)壁內(nèi)布置多個(gè)溫度傳感器和位移傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁的溫度和位移變化，在凍結(jié)初期發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁局部溫度過(guò)高，通過(guò)增加鹽水流量和降低鹽水溫度，及時(shí)解決了問(wèn)題，保證了凍結(jié)壁的正常形成?？刂剖┕ず奢d對(duì)凍結(jié)壁的影響也至關(guān)重要。在開(kāi)挖過(guò)程中，采用合理的開(kāi)挖方法和施工順序，減少對(duì)凍結(jié)壁的擾動(dòng)。采用短進(jìn)尺、分步開(kāi)挖的方式，避免一次性開(kāi)挖過(guò)大面積，導(dǎo)致凍結(jié)壁受力不均。在某地鐵車(chē)站基坑工程中，采用分層分段開(kāi)挖的方法，每層開(kāi)挖厚度控制在1.5m以?xún)?nèi)，每段開(kāi)挖長(zhǎng)度不超過(guò)5m，有效減小了開(kāi)挖對(duì)凍結(jié)壁的影響，保證了凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。合理安排機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行，避免振動(dòng)過(guò)大對(duì)凍結(jié)壁造成破壞。在施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)、鉆孔機(jī)等設(shè)備進(jìn)行隔振處理，降低振動(dòng)傳遞到凍結(jié)壁的能量。嚴(yán)格控制臨時(shí)支撐的設(shè)置和拆除過(guò)程，確保臨時(shí)支撐的壓力均勻分布，避免局部應(yīng)力集中對(duì)凍結(jié)壁造成損害。在某地下工程中，在設(shè)置臨時(shí)支撐時(shí)，通過(guò)采用分布式支撐結(jié)構(gòu)，使臨時(shí)支撐的壓力均勻作用在凍結(jié)壁上，有效避免了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。加強(qiáng)對(duì)凍結(jié)壁的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是保障工程安全的重要手段。在凍結(jié)壁內(nèi)布置足夠數(shù)量的溫度傳感器、應(yīng)力傳感器和位移傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁的溫度、應(yīng)力和位移變化情況。建立完善的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)分析和處理，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)和采取相應(yīng)的加固措施。在某工程中，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁某部位的應(yīng)力接近其極限強(qiáng)度，及時(shí)采取了增加臨時(shí)支撐和調(diào)整凍結(jié)參數(shù)的措施，有效避免了凍結(jié)壁的破壞，確保了工程的安全進(jìn)行。通過(guò)以上基于數(shù)值研究的工程優(yōu)化建議，能夠有效提高人工凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)和施工水平，增強(qiáng)凍結(jié)壁的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，從而提高工程質(zhì)量和安全性，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考和借鑒。七、結(jié)論與展望7.1研究