【正文】 6 經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。發(fā)達(dá)國家已把對城市地下空間的開發(fā)利用作為解決城市人口、資源、環(huán)境三大危機(jī)的重要措 施和醫(yī)治 “城市綜合癥 ”實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。深基坑支護(hù)是建筑工程中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，對這些問題及對策的研究，是隨力學(xué)理論，計(jì)算技術(shù)，測試儀器以及施工機(jī)械的進(jìn)步而深入的。因此在一定的地質(zhì)，環(huán)境條件下采用凍結(jié)法形成凍土墻用于深基坑支護(hù)是一種具有可行性和競爭力的技術(shù)手段。所以人工凍結(jié)技術(shù)被越來越多的應(yīng)用到復(fù)雜條件下的礦山、建筑物工程、港口工程及水工工程中，特別是沿海城市的地鐵隧道及其聯(lián)絡(luò)通道施工中，由于地下水位埋深淺，而且其地層軟弱 （ 如淤泥、淤泥質(zhì)土和流砂等 ） 常規(guī)的施工方法不能維持周圍土體的穩(wěn)定，采用人工凍結(jié)法，通過在含水不穩(wěn)定土層中預(yù)先埋設(shè)凍結(jié)管， 使地層中的水凍結(jié)成冰，把天然巖土變成人工凍土，增強(qiáng)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地鐵或其聯(lián)絡(luò)通道的施工。富含水的困難地質(zhì)條件下的城市地下工程將日益增多，人工凍結(jié)技術(shù)在建筑物密集的城市地區(qū)越來 越廣泛的應(yīng)用，從而為凍結(jié)法的應(yīng)用提供了廣闊的空間。土的凍脹主要是因?yàn)闇囟葓鲆鹜林性趾瓦w移而來的水分結(jié)晶，體積膨脹，引起凍土體積增大，結(jié)果在土層中產(chǎn)生凍脹力，導(dǎo)致地表出現(xiàn)變形。所以凍結(jié)施工中溫度場引起 地表過大的凍脹量將使地下管線及地上的建筑物、道路等受到影響甚至破壞。此后一個(gè)多世紀(jì)里，人工凍結(jié)法在許多國家的煤礦、隧道、地鐵和建筑基礎(chǔ)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用并不斷發(fā)展。我國于 1955年首次在開灤煤礦西風(fēng)井應(yīng)用凍結(jié)法施工獲得成功后，凍結(jié)法在立井及其他地下工程中得到了推廣應(yīng)用。水動(dòng)力學(xué)模型的共同之處是沒有討論不連續(xù)的冰透鏡體的形成，也不考慮外部荷載，只是假設(shè)當(dāng)含冰量達(dá)到臨界值時(shí)會(huì)發(fā)生凍脹。剛性冰模型假設(shè)凍結(jié)緣中的冰與正生長的冰透鏡體緊密地連在一起，當(dāng)凍脹發(fā)生時(shí)孔隙冰能通過微觀的復(fù)冰過程移動(dòng)，因此，凍脹的速度應(yīng)與剛性冰體的移動(dòng)速度相等，但是大量的物理參數(shù) （ 如凍結(jié)緣中的應(yīng)力比例因子、未凍水含量和導(dǎo)濕系數(shù) ） 需要確定，因此應(yīng)用有一定的限制。但是目前的研究沒有考慮凍結(jié)法施工中影響凍結(jié)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，沒有系統(tǒng)的進(jìn)行主要設(shè)計(jì)參數(shù)對地鐵水平凍結(jié)法施工中的溫度場及地表凍脹位移的研究，從而未能對地鐵隧道水平凍結(jié)法施工各參數(shù)的選擇提供科學(xué)可靠的參考。認(rèn)識到毛細(xì)理論的不足之處， Milierl提出在凍結(jié)鋒面和最暖冰透鏡底面存在一個(gè)低含水量、低導(dǎo)濕率和無凍脹的帶，稱為凍結(jié)緣 (frozenffinge)。試驗(yàn)結(jié)果表明 ，凍結(jié)飽和砂土融化過程可分為負(fù)溫升溫、相變和自由水溫升 3 個(gè)階段 ； 與此對應(yīng)，融化沉降過程可分為開始、急降和緩降 3 個(gè)階段 ； 而模型結(jié)構(gòu)切向應(yīng)力則經(jīng)歷了上升、陡降和緩降 3 個(gè)過程，這 3 個(gè)階段的時(shí)間比約為 1:2:2， 最終模型受有切向融沉壓縮附加應(yīng)力。 楊平研究了原狀土與人工凍融土的密度、干密度、含水量、飽和度、孔隙比、塑限、液限、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、滲透系數(shù)等物理指標(biāo)，以及抗剪強(qiáng)度 、 無側(cè)限抗壓地鐵隧道凍結(jié)法施工凍結(jié)壁溫度場及地表凍脹位移數(shù)值試驗(yàn)研究強(qiáng)度、壓縮模量等力學(xué)指標(biāo)的差異性得出 ： 土凍融后密度、干密度及塑性指數(shù)略有降低 ；孔隙比、液性指數(shù)略有增大 ； 而其它物理指標(biāo)基本一致。 凍土分類 按含冰特征 Ⅰ 未凍土：處于非凍結(jié)狀態(tài)的巖、土；按土的分類標(biāo)準(zhǔn) 進(jìn)行定名； Ⅱ 凍土： 肉眼看不見的分凝冰的凍土（ N）： ① 膠結(jié)性差，易碎的凍土（ Nf） ； ② 無過剩冰的凍土（ Nbn）； ③ 膠結(jié)性良好的凍土（ Nb）； ④ 有過剩冰的凍土（ Nbc）； 均可命名為 少冰凍土（ S） 。在多年凍土地區(qū)可根據(jù)活動(dòng)層與下臥層的類別及其銜接關(guān)系，分為季節(jié) 凍土 層和季節(jié)融化層兩種類型（見表 22）。 凍土中易溶鹽含量超過表 23 數(shù)值時(shí)，稱為鹽漬化凍土。 按體積壓縮系數(shù)（ vm ）或總含水量（ ω）劃分為堅(jiān)硬凍土、塑性凍土和松散凍土。 ③ 土壤濕度：稍濕 ω＜ωp(土壤的塑限 ) ① 粗顆粒土凍結(jié)， 結(jié)構(gòu)較緊密，孔隙中有冰晶，可用放大鏡觀察到。 ② 無滲水現(xiàn)象。 ③ 土壤濕度：潮濕 ωp＜ ω＜ ωp+7 ① 粗顆粒土凍結(jié)，孔隙被較多冰晶充填，偶爾可見薄冰層。 ③ 融化后產(chǎn)生弱融沉現(xiàn)象。 ② 細(xì)顆粒土凍結(jié)，可見到冰層狀。 網(wǎng) 狀 構(gòu) 造 網(wǎng)狀（冰厚一般可達(dá)10~25mm） ① 巖性以細(xì)顆粒土為主。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度偏低，易擊碎。 ③ 土壤濕度：超飽和 ω＞ ωp+35 ① 以中厚層狀構(gòu)造為主。 ② 融化后產(chǎn)生融陷現(xiàn)象。 （ 4）凍結(jié)段：溫度升至 0℃ 或其附近后穩(wěn)定下來，土體空隙中的水發(fā)生結(jié)冰過程，使土顆粒膠結(jié)形成凍土。一般在含稅豐富的砂礫層起始凍結(jié)溫度約為 0℃ ，亞砂土和黏土中約為 － ℃ 到 － ℃ 或者更低。土層凍結(jié)時(shí)發(fā)生的水分向凍結(jié)面轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，稱為水分遷移。由于水分子引力的作用，變薄了的水膜也不斷地從自由水中吸取水分，使凍土中的水分增大。土中水的結(jié)冰與純凈水的結(jié)冰有不同的特點(diǎn)，如凍土中存在未凍水，凍結(jié)后物理性質(zhì)有變化等，了解凍土的特點(diǎn)，必須首先了解土顆粒與水的相互作用。再遠(yuǎn)的水分子主要是受重力場作用控制，形成毛細(xì)水。吸附水的厚度只有幾十個(gè)分子厚度，比重為 ~，冰點(diǎn)最低為 － 186℃ ，呈不流動(dòng)狀 態(tài)，它占土層中總含水量的 %~2%。自由水存在于土壤或巖石的裂隙中，它與普通水相同，服從重力定律，能傳遞靜水壓力，比重一般為 1，在一個(gè)大氣壓的冰點(diǎn)為 0℃ 。 水質(zhì)與流速對巖土凍結(jié)影響 水質(zhì)對凍結(jié)的影響 19 水中含有一定的鹽分時(shí)，水溶液的結(jié)冰溫度就要降低。由一價(jià)金屬和一元酸組成的鹽類稀溶液 α=2~，由二價(jià)金屬和二元酸組成的鹽類 α=3。H2O 硫酸鈉 Na2SO4 142 40 － 冰 +Na2SO412H2O 硫酸鋅 ZnSO4 372 － 冰 +ZnSO49H2O 氯化鎂 MgCl2 95 259 － 冰 +MgCl26H2O 三氯化 二鐵 Fe2Cl3 162 495 － 冰 +Fe2Cl3但是，在實(shí)際凍結(jié)工程中也經(jīng)常遇到地下水流速較大的情況。 圖 23 地下水流動(dòng)示意圖 地下水的自然流速就和水壓 h 成正比，按下式計(jì)算： kiLhku ?? 式中： u ——地下水流動(dòng)速度（ m/d）； L——產(chǎn)生最大水頭的水平距離（ m）； h——水壓頭（ m）； k——巖石的滲透系數(shù)，對于一定的巖石它是一個(gè)常數(shù)，它決定了該種巖石的透水性；滲透系數(shù)可以視為當(dāng)水力坡度等于 1 時(shí)，地下水在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過巖層時(shí)的流速，即 1?i 時(shí)等于通過巖層的流速（ m/d）； i——水力坡度或稱壓力梯度， Lhi /? 。 表 28 各種巖石滲透系數(shù) 巖石名稱 滲透系數(shù) k cm/s m/d 略呈黏土質(zhì)的細(xì)砂和粉砂 ～ ～ 略呈黏土質(zhì)的中粒砂和粉砂 ～ ～ 小礫石粗砂 ～ ～ 432 中粒和粗粒的礫石 ～ 1 432～ 864 滲透系數(shù)與土層的成分和孔隙率的關(guān)系為土的滲透系數(shù)隨著黏土含量， 特 別是活動(dòng)性黏土礦物（如蒙脫石）含量的增加而減小，隨著孔隙率和空隙直徑的增大而增大。 在一個(gè)水利發(fā)電站建筑施工中，在試驗(yàn)水道中層進(jìn)行了巖石凍結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)證明了小于 30m/d 時(shí)，處于動(dòng)態(tài)地下水可以順利的被凍結(jié)住。因此，為了避免在這些巖層中凍結(jié)法生困難，就必須等待地 下水水位降低到該地區(qū)正常水位后才能進(jìn)行凍結(jié)；如果在粗粒石內(nèi)含有細(xì)砂或黏土，那么這些細(xì)砂或黏土就會(huì)降低礫石層的滲透系數(shù)，也就成為阻礙地下水自然流速的因素。當(dāng)?shù)氐叵滤魉俪^一定限度時(shí)就會(huì)對凍結(jié)壁的形成產(chǎn)生不利的影響。 26 第三章 人工凍結(jié)法原理及其力學(xué)參數(shù)和特性 人工凍結(jié)法原理 制冷技術(shù) 制冷技術(shù) 是由 三大循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，即氨循環(huán)、鹽水循環(huán)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。 鹽水循環(huán) 鹽水循環(huán)以泵為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)鹽水進(jìn)行循環(huán)，其作用為冷量傳遞。根據(jù)工程需要可采用正反兩種鹽水循環(huán)系統(tǒng)，正常情況下用正循環(huán)供液。國外還有一種開路回液鹽水循環(huán)，其主要特點(diǎn)是無集液圈，每根回液管單獨(dú) 回液，便于觀察每根凍結(jié)管鹽水是否漏失。通過冷凝器進(jìn)行熱交換，然后流入冷卻塔再進(jìn)入冷卻水池，冷卻后的循環(huán)水應(yīng)隨時(shí)由地下水補(bǔ)充。當(dāng)降到負(fù)溫時(shí)，土中的自由水結(jié)冰并將土體顆粒膠結(jié)在一起形成凍結(jié)整體。 常規(guī)的土層凍結(jié)對地下水水流速度和水中的鹽分有一定的要求，因?yàn)樗?中鹽分過高，會(huì)降低水溶液的結(jié)冰溫度，而土中水流速度過大，除了增加凍結(jié)難度，而且也會(huì)影響凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。在靠近凍結(jié)管的周圍， 溫度呈同心圓狀分布的特征，但越向遠(yuǎn)處，該特征越不明顯，由于土體中水 冰間的相變作用，土體中的溫度分布曲線在相變溫度點(diǎn)（－ ℃ ）出現(xiàn)平臺(tái)，據(jù)此可劃分出凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)。它還與凍結(jié)管內(nèi)的鹽水溫度、鹽水流量和流動(dòng)狀態(tài)、土層性質(zhì)、凍結(jié)管直徑、地層原始地溫等有關(guān)，影響因素較多，解析理論分析很復(fù) 28 雜，一般按凍結(jié)過程中測溫孔觀測到的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式推算。當(dāng)土中的冰融化時(shí)，其體積縮小，在土體中產(chǎn)生沉降或固結(jié)，大小取決于融化體四周的壓力，凍土融化時(shí)的沉降量還與融層厚度、融層土的特性有關(guān)。 miA??? 圖 31 凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線（ t=－ 10℃ ） 29 式中： ? ——應(yīng)力（ MPa）； ?—— 應(yīng)變（ %）； iA ——稱為可變模量（ MPa）， 為隨時(shí)間和溫度變化的參數(shù)； m——為強(qiáng)化系數(shù)。凍土是一種非均質(zhì)、各向異性的非彈性材料，有其特殊的受力特征。由于在凍土內(nèi)存在冰和未凍水，故其具有流變性即凍土強(qiáng)度隨著載荷作用時(shí)間的延長而降低。凍結(jié)壁的形成是在外力作用下，達(dá)到一定強(qiáng)度的，因而比實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的凍土試樣強(qiáng)度大，而且凍結(jié)壁是三向受力狀態(tài)，這些在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)考慮到 。然而，隨著負(fù)溫的增加，強(qiáng)度的增長逐漸變緩，所以，強(qiáng)度并非隨溫度下降呈線性增長。負(fù)溫值剛超過 0℃ ，空隙水便全部凍結(jié)，所以強(qiáng)度高。 土中含水量未達(dá)到飽和時(shí)，凍土強(qiáng)度隨著含水率增加而增高；一旦達(dá)到飽和后，含水量再增加時(shí)，凍土強(qiáng)度反而會(huì)降低。為了加快積極凍結(jié)速度可盡量降低鹽水溫 度或縮小凍結(jié)孔間距，以加速凍結(jié)壁形成 。 單軸抗拉強(qiáng)度 凍土的抗拉強(qiáng)度是指凍土所能承受的最大拉應(yīng)力。由于脆性破壞時(shí)間很短，事先很難發(fā)現(xiàn)，也不好做相應(yīng)的準(zhǔn)備，因此按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)采用的指標(biāo)一般要提高一級，增加大約 。例如日本學(xué)者木下誠一采用圓柱形式樣，具有圓柱體的兩頭直徑稍微大一些，以便能卡主。凍土的抗拉強(qiáng)度服從于抗壓強(qiáng)度相同的規(guī)律，即抗拉強(qiáng)度隨著負(fù)溫度的增高而降低，并決定于凍土的成分、含水量及構(gòu)造等。 式樣凍到所需要的程度，然后維持 48 小時(shí)后，進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)。 （ 2）凍土的抗拉強(qiáng)度隨負(fù)溫度的下降而增大，且在同一溫度下，凍結(jié)粘土的抗拉強(qiáng)度是砂土抗拉強(qiáng)度的 ～ 倍。進(jìn)行數(shù)據(jù)線性回歸，凍結(jié)粘土： || tt ??? ，相關(guān)系數(shù)： ?R ；凍結(jié)沙土： || tt ??? ，相關(guān)系數(shù) ?R 。其斷裂呈典型的脆性破壞形式，無頸縮現(xiàn)象。 實(shí)驗(yàn)表明，凍土的抗拉強(qiáng)度明顯小于其抗壓強(qiáng)度，凍結(jié)黏土的長期抗拉強(qiáng)度大于 凍結(jié)砂土的長期抗拉強(qiáng)度。瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度比長期抗拉強(qiáng)度要高出 12～ 16 倍，凍結(jié)黏性土的長期抗拉強(qiáng)度大于凍結(jié)砂土的長期抗拉強(qiáng)度，這是因?yàn)樵?壓縮時(shí)礦物顆粒之間的距離減小，彼此相互接觸的數(shù)量增大，而在拉伸時(shí)其距離增加，從而接觸數(shù)量減少。 其中首先是破壞性質(zhì)，如果壓縮試驗(yàn)中既能發(fā)生脆性破壞，也可能發(fā)生延性破壞。例如我國中國科學(xué)院蘭州凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對安徽兩淮礦區(qū)表土層的各類巖土作了大量研究，建議采用如下公式： bta??? 式中： b、a ——試驗(yàn)常數(shù)。 凍結(jié)速度對凍土強(qiáng)度的影響 凍結(jié)速度快，凍土中的細(xì)粒冰就多，呈六面晶體結(jié)構(gòu)，凍土強(qiáng)度就高。吸附水完全不凍結(jié)，薄膜水只有部分凍結(jié)，所以，在同一負(fù)溫下小顆粒土中保存有較多的未凍水，從 而使強(qiáng)度降低。這是因?yàn)榻Y(jié)合水的含量與土的顆粒大小有關(guān)。 無論是砂土、砂礫石土、還是粘性土，其抗壓強(qiáng)度都隨溫度的降低而增大 ， 主要是因?yàn)闇囟冉档蛯?dǎo)致凍土中未凍水含量減少，相對含冰量增加，使巖土顆粒間的膠結(jié)力增加 。 當(dāng)凍土溫度在－ 4~－ 15℃ 時(shí)，凍土 持久 強(qiáng)度與瞬時(shí)強(qiáng)度的關(guān)系如下： 持久 抗壓強(qiáng)度約為瞬時(shí)抗壓強(qiáng)度的 1/2~1/； 持久 抗剪強(qiáng)度 約為瞬時(shí)抗剪強(qiáng)度的 1/~1/； 持久 抗拉強(qiáng)度約為瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度的 1/12~1/16。它 是 表征土體抵抗破壞的能力，它有三個(gè)指標(biāo)，即瞬時(shí)抗壓強(qiáng)度、瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度、瞬時(shí)剪切強(qiáng)度。 凍土強(qiáng)度 凍土的強(qiáng)度是指導(dǎo)致破壞和穩(wěn)定性喪失的某一應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。 人工凍土的力學(xué)參數(shù) 凍土是一種非彈性材料，在外荷載作用下，應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系隨時(shí)間發(fā)生變化，其變化有明顯的流變特性 —蠕變：即在外荷載不變的情況下，凍土材料的變形隨時(shí)間而發(fā)展； 松弛：即維持一定的變形量所需要的應(yīng)力隨時(shí)間 增加