動(dòng)水環(huán)境下凍結(jié)設(shè)計(jì)實(shí)例淺析

胡增燕+金增選

摘 要：凍結(jié)法具有適用性強(qiáng)、短期造價(jià)低、在技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛地應(yīng)用，自從1955年在我國(guó)開始應(yīng)用以來(lái)，在煤礦礦井井筒施工中較多，在深基坑施工中應(yīng)用是近幾年才開始的，目前已有很多陸地施工中應(yīng)用的實(shí)例，凍結(jié)法在水下基坑施工的應(yīng)用還不多見。本文將重點(diǎn)介紹一個(gè)水下凍結(jié)工程的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：水下凍結(jié)；設(shè)計(jì)；案例；淺析

1 工程概況

某大橋主橋下部大塔和小塔基礎(chǔ)均采用4根大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，大塔樁徑為φ5m～φ3.5m，小塔樁徑為φ4m～φ3.5m。

本次采用凍結(jié)法施工的樁基即為大小塔的8根灌注樁。其大小塔的樁位平面布置及樁的結(jié)構(gòu)情況見圖此外根據(jù)大小塔的方位情況，大塔位于湖中央?yún)^(qū)，在小塔的西側(cè)，簡(jiǎn)稱為西塔，小塔位于湖口的東岸位置，簡(jiǎn)稱東塔。

2 凍結(jié)要求

根據(jù)地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，枯水季節(jié)水位一般在10.0m左右，最高+13.0m根據(jù)東塔和西塔的設(shè)計(jì)深度，為了確保基巖部分封水可靠，凍結(jié)止水墊在短期內(nèi)不至于化凍，設(shè)計(jì)凍結(jié)深度超過(guò)樁底深度8.0m。東塔樁底標(biāo)高-15.0m，即凍結(jié)孔底標(biāo)高為-23.0m西塔樁底標(biāo)高為-26.0m，即凍結(jié)孔底標(biāo)高為-34.0m。凍結(jié)深度東塔自+13.0m起，凍結(jié)深度為36.0m，西塔自+15.0m起，凍結(jié)深度為49.0m。

3 凍結(jié)設(shè)計(jì)

3.1 地壓計(jì)算

根據(jù)該區(qū)的水文情況，淤泥含水豐富且在湖水下面，計(jì)算地壓時(shí)參考地質(zhì)狀況，得沖積層最大地壓值計(jì)算公式：P=1.3H

式中，P—最大地壓值，Kg/cm2；H—凍結(jié)深度，m；

根據(jù)兩塔凍結(jié)深度36.0m和49.0m可得凍結(jié)范圍內(nèi)的地壓值：

東塔：P=1.3×36=46.8mpa=4.68Kg/cm2

西塔：P=1.3×49.0=63.7MPa=6.37 Kg/cm2

3.2 凍結(jié)壁厚度計(jì)算

凍結(jié)孔偏率α：由于本設(shè)計(jì)凍結(jié)層為沖積層，凍結(jié)孔偏斜率取α≤3‰。

鉆孔終孔間距L：沖積層厚度≤100m，故鉆孔終孔間距取，L≤2.0m。

鹽水最低溫度ty：凍結(jié)厚度小于100m，鹽水最低溫度-25℃～-28℃。

凍結(jié)壁平均溫度tc：凍結(jié)壁平均溫度取-6℃

最大地壓值由上面計(jì)算已得，東塔P=4.68Kg/cm2，西塔P=6.37 Kg/cm2。

基坑掘進(jìn)荒半徑：基坑掘進(jìn)荒徑主要根據(jù)基坑開挖范圍確定，本設(shè)計(jì)中東塔基坑掘進(jìn)荒徑取4.0m，西塔取5.0m。

凍結(jié)壁厚度計(jì)算：設(shè)計(jì)單級(jí)壓縮制冷，淤泥質(zhì)亞粘土凍土抗壓強(qiáng)度σ0取25～30Kg/cm2。凍結(jié)壁計(jì)算如下：

（3-1）

式中：E—凍結(jié)壁厚度，m；R—基坑掘進(jìn)荒徑，m；σ0—凍土單軸抗壓強(qiáng)度；[σ]—凍結(jié)壁計(jì)算強(qiáng)度，；P—最大地壓值，Kg/cm2；

東塔： 西塔：

=1.12m =2.30m

主凍結(jié)孔布置如下：

東塔：圈徑6.0m，孔數(shù)19個(gè)，開孔間距0.992m

西塔：圈徑7.0m，孔數(shù)30個(gè)，開孔間距0.733m

3.3 開挖斷面內(nèi)凍結(jié)孔布置

圖1 凍結(jié)孔平面布置圖

東塔：小圈徑D1=1.5m，孔數(shù)3，開孔間距1.57m。中等圈徑D2=3.5m，孔數(shù)5，開孔間距2.20m。

西塔：小圈徑D1=2.0m，孔數(shù)3，開孔間距2.09m。中等圈徑D2=4.5m，孔數(shù)7，開孔間距2.02m。

具體詳見圖1凍結(jié)孔平面布置圖，凍結(jié)管使用w12735mm無(wú)縫鋼管，鋼號(hào)為20號(hào)低碳鋼，采用外管箍焊連接。

為了加強(qiáng)凍結(jié)壁發(fā)展的監(jiān)控及凍土發(fā)展的測(cè)量，每個(gè)樁井施工3個(gè)測(cè)溫孔，分別布置在主排凍結(jié)孔的內(nèi)側(cè)及井筒斷面內(nèi)孔間距較大的界面。東塔每個(gè)樁孔另考慮設(shè)水文孔1個(gè)。

3.4 鋼護(hù)筒的散熱

（1）相關(guān)的參數(shù)確定

本工程中湖水的溫度t∞=15℃，鋼護(hù)筒的平均壁溫取tw=5℃，故得

（3-2）

根據(jù)tm=10℃查飽和水的物理性質(zhì)表得

普朗特?cái)?shù)：Pr=9.52；運(yùn)動(dòng)粘度：v=1.306×10-6m2/s

導(dǎo)熱系數(shù)：λ=57.4×10-2w/（m·k）；體積膨脹系數(shù)：β=0.7×10-4K-1

（2）計(jì)算換熱

（3-3）

式中：Grm—格垃曉夫數(shù)；g—重力加速度；l—鋼護(hù)筒在湖水中的長(zhǎng)度，本工程為13米；v—運(yùn)動(dòng)粘度。

由上又可得

（GrPr）m=5.77×106×9.52=5.49×107 （3-4）

根據(jù)已知條件與上述計(jì)算結(jié)果查相關(guān)表得

C=0.53 n=

則可計(jì)算努塞爾數(shù)Nu得

Num=C·（Cr·Pr）n=0.53×（5.49×107）=45.62 （3-5）

計(jì)算損失的冷量得

W/（m2·℃） （3-6）

Q=πdlα（t∞-tw）=3.14×4.8×13×2.01×10=3.94×103W （3-7）

Q==3377千卡/小時(shí)

3.5 凍結(jié)需冷量計(jì)算

設(shè)計(jì)鹽水-25℃～-28℃，冷量損失15%，總需冷量計(jì)算如下：

Q0=π·d0·n·H·q （3-8）

式中：Q0—基坑總需冷量，千卡/小時(shí)；d0—凍結(jié)管外徑，m；n—凍結(jié)孔數(shù)；H—凍結(jié)孔深度，m；q—凍結(jié)管和地?zé)峤粨Q時(shí)的吸熱系數(shù)，凍結(jié)管吸熱系數(shù)q值取250。