【正文】 而減小； 強(qiáng)度降低：即隨著載荷的作用時(shí)間的增加，材料抵抗破壞的能力降低。當(dāng)溫度低于孔隙水的凍結(jié)點(diǎn)時(shí)，土孔隙中的水凍結(jié)、膨脹，要增大 9%，土體會(huì)出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，尤其是在粘土和細(xì)砂等凍結(jié)敏感的土層中，由此誘發(fā)的負(fù)壓力使其他部分的水遷移，進(jìn)入凍結(jié)區(qū)。 土的凍結(jié)速度 凍結(jié)管間距是影響凍土圓柱交圈和凍結(jié)壁擴(kuò)展速度的主要因素。每個(gè)凍結(jié)管四周形成多個(gè)單獨(dú)的圓柱狀凍結(jié)地基體，相鄰的凍結(jié)圓柱體相交，形成凍土墻帷幕結(jié)構(gòu)，凍土墻向兩側(cè)擴(kuò)展，向內(nèi)的擴(kuò)展速度比向外的擴(kuò)展速度要快，通常向內(nèi)的擴(kuò)展范圍要到達(dá)開挖邊界。 人工土凍結(jié)法施工原理：在人工制冷作用下，形成低溫鹽水，通過低溫鹽水在埋設(shè)在地層管道內(nèi)的循環(huán)，在凍結(jié)孔內(nèi)完成與地層的熱交換，帶走地層熱量，使地溫逐漸下降并達(dá)結(jié)冰。冷卻水溫越低，制冷系數(shù)就越高，冷卻水溫一般較氨的冷凝溫度低 5 到 10℃。鹽水管路應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行保溫處理。蒸發(fā)器中的氨的蒸發(fā)溫度與其周圍的鹽水溫度相差 5 到 7℃。凍結(jié)器是低溫鹽水與地層進(jìn)行熱交換的換熱器，鹽水流速越快，換熱強(qiáng)度就越大。氨循環(huán)在制冷過程中起主導(dǎo)作用，為了使地?zé)醾鬟f給冷卻水再釋放給大氣，必須將蒸發(fā)器中的飽和蒸汽氨壓縮成為高溫高壓的過熱蒸汽，使其與冷卻水產(chǎn)生溫差，在冷凝器中將熱量傳遞給冷卻水，同時(shí)過熱蒸汽氨冷凝成液態(tài)氨，實(shí)現(xiàn)氣態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)化。被迫停用部分水井或減少抽水量，使抽水對(duì)凍結(jié)的影響降至最低限度，然而已經(jīng)大大推遲凍結(jié)壁交圈時(shí)間，造成不應(yīng)有的損失。在這種情況下凍結(jié) 25 巖石，就必須在河床中作一個(gè)人造的木排擋水墻或堆積一個(gè)人工島，在此范圍內(nèi)進(jìn)行巖層的凍結(jié)工作。如果在這些巖層中，在某些條件下可能形成很大的水力坡度，則在礫石層的滲透系數(shù)很大時(shí)，地下水的流速就能大于上述的凍結(jié)限度。 《 建井工程手冊(cè) 》 （ 第四版 ）給出了土的滲透系數(shù)參考值，見表 29 所示。巖層滲透系數(shù)的變化很大，根據(jù)具體情況用實(shí)驗(yàn)室方法或鉆孔 23 抽水試驗(yàn)來測(cè)定。 22 （ 1）地下水的自然流速 當(dāng)?shù)叵滤辉趦牲c(diǎn)之間發(fā)生水位差時(shí)，地下水就會(huì)在重力的作用下發(fā)生流動(dòng)。4H2O 氨 NH3 469 － 冰 +NH32H2O 硝酸 HNO3 483 － 冰 +HNO32H2O 氫氧化鈉 NaOH 40 344 － 冰 +NaOHHNO3 溴化鈉 NaBr 103 676 － 冰 +NaBr5H2O 碳酸鈉 Na2CO3 106 63 － 冰 +Na2CO3常見的幾種水溶液的低融冰鹽共晶點(diǎn)和物理性質(zhì)見表 2表 27 所列。 MkgaT ??0 式中： 0T? ——溶液冰點(diǎn)的降低度數(shù)（ ℃ ）； k——冰點(diǎn)降低常數(shù)，它的大小取決于溶劑，而不取決于溶解的物質(zhì)。 18 圖 22 土粒和水相互作用示意圖 a：土粒周圍靜電引力強(qiáng)度的變化； b：薄膜水由厚膜向薄膜移動(dòng)； c：水分子的雙極構(gòu)造； 1土粒； 2吸附水； 3薄膜水 凍土中未凍水的多少對(duì)凍土強(qiáng)度和熱物理性質(zhì)有極大的影響。人工凍結(jié)法中，大部分薄膜水被凍結(jié)，未被凍結(jié)的水稱為未凍水。 綜上所述，土中的水分可分為吸附水、薄膜水和自由水。距土顆粒表面越近，靜電引力強(qiáng)度就越大，對(duì)水分子的吸附能力也越大，形成一種密度很大的水膜，稱為強(qiáng)結(jié)合水（吸附水）。由于水分的遷移，變成冰的水量增多，土的凍脹量增大，從而水分的遷移使凍土的膨脹加劇。 17 凍結(jié)過程中增長(zhǎng)的冰晶不斷地從鄰近的水化膜中奪走水分，促使水化膜逐漸變薄。在結(jié)冰之前，若水中沒有結(jié)晶核，水溫低于 0℃ 時(shí)仍不結(jié)冰，而出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，過冷溫度的數(shù)值取決于冷卻工況，這種現(xiàn)象在溫度 梯度大時(shí)，水結(jié)冰的初期才會(huì)出現(xiàn)。 在凍土的的形成過程中，水變成冰的凍結(jié)段是重要的過程，他是使土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生 質(zhì)變的 過程 ， 消耗的冷量也是最多的。 （ 2）過冷段：土體溫度降到 0℃ 以下，但是自由水仍未結(jié)冰，產(chǎn)生水的過冷現(xiàn)象。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度很低，極易擊碎。 ② 融化后產(chǎn)生融沉現(xiàn)象 厚層網(wǎng)狀（冰層一般可達(dá)25mm 以上） ① 巖性以細(xì)顆粒土為主。 ③ 土壤濕度：飽和 ωp+15＜ ω＜ ωp+35 ① 粗顆粒土凍結(jié)，有大量冰層或冰透體存在。 ② 有少量水分滲出。 ② 一般分布在階地或塔頭沼澤地帶。③ 凍結(jié)強(qiáng)度很高， 不易擊碎 ① 融化后原土體積縮小，現(xiàn)象不明顯。 層 狀 構(gòu) 造 微層狀（冰厚一般可達(dá)1~5mm） ① 巖性以粉砂土或黏性土為主。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度一般（中等），可用錘子擊碎。 14 凍土構(gòu)造類別 凍土的構(gòu)造類別如表 25 所示： 表 25 凍土的構(gòu)造類別 構(gòu)造 類別 冰的產(chǎn)狀 巖性與地貌條件 結(jié)冰特征 融化特征 整 體 構(gòu) 造 晶粒狀 ① 巖性多為細(xì)顆粒土，但砂礫石土冰潔也可產(chǎn)生此種構(gòu)造。 凍土的泥炭化程度超過表 24 中數(shù)值時(shí)，稱為泥炭化凍土。當(dāng)冰層厚度大于 ，且其中不含土?xí)r，應(yīng)單另標(biāo)出定名為純冰層（ ICE）。 Ⅲ 厚層冰：冰厚度大于 （ ICE）： ① 含土冰層（ ICE+土類符號(hào)），可定名為含土冰層（ H） ② 純冰層（ ICE），定名為 ICE+土類符號(hào) 按凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間分類 作為寒區(qū)工程地基和環(huán)境 的凍土，根據(jù)表 21 按土的凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，分為多年凍土、隔年凍土和季節(jié)性凍土根據(jù)形成與存在的自然條件不同將多年凍土分為高緯度多年凍土和高海拔多年凍土。 11 第二章 凍土描述及其性質(zhì) 凍土 定義 當(dāng)溫度降低到結(jié)冰溫度（一般為 0℃ ）或更低時(shí)，巖土凍結(jié)并膠結(jié)了固體顆粒，形成凍土。 20xx 年，羅小剛、陳湘生等在典型粘土凍融試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了凍融對(duì)土工性質(zhì)如孔隙率、滲透性、壓縮性等的影響。得到廣大學(xué)者的認(rèn)可 ， 稱為第二凍脹理論。 10 凍脹融沉機(jī)理及試驗(yàn)研究 早在 17 世紀(jì)后期，人們就已經(jīng)注意到凍脹現(xiàn)象，但是直到二十世紀(jì)，人們才逐漸 認(rèn)識(shí)到水分遷移作用是導(dǎo)致土體凍脹的主要根源。 國(guó)內(nèi)不少學(xué)者應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)凍結(jié)壁溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并取得了一些成果，例如安徽理工大學(xué)汪仁和教授，程樺教授以及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的楊維好教授等應(yīng)用 ANSYS 對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，在這些模型中，外荷載僅作為影響凍脹的一個(gè)因子考慮，并沒考慮因加載、凍脹和蠕變等引起的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化。分凝勢(shì)模型把分凝勢(shì)定義為水分遷移與通過凍結(jié)緣的溫度梯度的比值，根據(jù)相平衡的熱力學(xué)原理，冰透鏡處產(chǎn)生的負(fù)壓和由于凍結(jié)緣低滲透性引起水流的 受阻是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)勢(shì)的原因。 自 20 世紀(jì) 70 年代初， Hadan 首先提出水熱禍合模型后，從此進(jìn)入研究多場(chǎng)禍合問題階段， Harla 的理論被 outcali、 Taylor 等引用并發(fā)展口，工作的核心均是基于凍土中的熱質(zhì)遷移來進(jìn)行數(shù)值模擬，將這些模型統(tǒng)稱為水動(dòng)力學(xué)模型。 90 年代以來，國(guó)外開始將這一技術(shù)用于環(huán)境保護(hù)如放射性污染物的掩埋隔絕處理等。 1883 年人工土凍結(jié)法首次在德國(guó)阿爾里德煤礦井筒施工中應(yīng)用并獲成功，至 1900 年人工凍結(jié)法用于礦山施工次數(shù)已達(dá) 60 次以上。不同土質(zhì)條件凍脹也不同，粘土變形量大，粉質(zhì) 8 粘土、砂土次之 （ 粗粒土一般不產(chǎn)生凍漲 ） ，雖然凍脹對(duì)工程影響很大，但并不是不能控制的。 目前土凍結(jié)理論中有較成熟的關(guān)于凍結(jié)速度、凍結(jié)溫度場(chǎng)及凍土墻強(qiáng)度的計(jì)算方法，但對(duì)凍軟土、融土物理力學(xué)性能和凍脹特性、模型以及凍脹對(duì)周圍環(huán)境影響的計(jì)算方法等，國(guó)內(nèi)尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究，國(guó)外也很少報(bào)導(dǎo)。地下鐵道的隧道水平凍結(jié)技術(shù)是在含水不穩(wěn)定的地層中鉆鋪水平凍結(jié)器，利用低溫鹽水循環(huán)降低地層溫度，將天然巖土變成凍土，形成完整性好、強(qiáng)度高、不透水的臨時(shí)水平凍結(jié)加固體，從而在其保護(hù)下進(jìn)行隧道開挖和補(bǔ)砌。 地層人工凍結(jié)技術(shù)是利用人工 制冷的方法，降低土體的溫度使含水地層形成凍結(jié)體。隨著城建規(guī)模的迅猛發(fā)展，基坑的跨度和深度不斷的增加，在一些沿海地區(qū)的地基屬軟弱地基，常伴有淤泥及流沙，在這種條件下進(jìn)行大型的開挖，坑壁維護(hù)越來越困難，成本越來越高，有時(shí)占整個(gè)建筑成本的 10%，為此必須尋找一種既比較安全 又經(jīng)濟(jì)的新的坑壁維護(hù)方法，凍結(jié)法既為其中之一。例如南京地鐵在盾構(gòu)進(jìn)出洞及連通道暗挖中面臨普通工法難以解決的問題，這就給巖土工程界提出了新的課題，為此必須尋求一種既安全又較為合理的新方法。 問題提出 隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，人口的不斷增長(zhǎng)和生存空間的相對(duì)縮小，開發(fā)地下空間已成為人類擴(kuò)大生存空間的重要手段和發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)上較普遍的人工土凍結(jié)是使用鹽溶液間接制冷法，就是將鹽溶液用氨或氟里昂壓縮方法冷卻后，作為冷媒在土體內(nèi)埋設(shè)的管道中循環(huán)，吸收土體熱量，增加自身顯熱，不斷循環(huán)制冷，直到土體凍結(jié)，達(dá)到加固和穩(wěn)固土體的目的。完善和發(fā)展人工土凍結(jié)理論和技術(shù)體系不僅具有重要的社會(huì)效益，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)前景。開發(fā)地下空間已經(jīng)成為人類擴(kuò)大生存空間的重要手段和發(fā)展趨勢(shì)。 在上述理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解凍結(jié)法的設(shè)計(jì)和施工。 本科畢業(yè)論文 人工凍結(jié)發(fā)的施工技術(shù)研究 摘要： 本文首先介紹了 選題的目的與意義 、 國(guó)際及國(guó)內(nèi)人工凍結(jié)法的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及 凍脹融沉機(jī)理及試驗(yàn)研究 。并闡述了人工凍結(jié)法的原理、 設(shè)計(jì) 以及凍結(jié)壁形成過程中溫度場(chǎng)的變化。 關(guān)鍵詞：人工凍結(jié)法、凍土、凍結(jié)壁、凍結(jié)孔 Abstract: Frist, this paper introduces the topics of the purpose and significance of international and domestic Artificial Freezing Method Research and Application Status and frost thaw Mechanism and Experimental Study. Next es the classification of artificial frozen soil and structure, as well as the impact of groundwater on the formation of the freezing the process of the formation of the freezing soil, the physical and mechanical properties great changes have taken place .So this paper study the tensile strength, pressive strength and shear strength of the freezing soil in the text for describes the principles of artificial freezing method , design, and the changes of the freezing wall temperature field during the formation. It’s based on the above theory , learn more about the design and construction of select of the article elaborates artificial freezing method from the frozen solution , freezing hole layout and construction as well as during the excavation of , a subway tunnel connecting passage freezing construction technology, made of artificial freezing method in practical engineering applications, conducts a deep understanding of step. Keywords: artificial freezing , frozen , freeze wall , freezing hole 3 目錄 第一章 緒論 .................................................................................................................... 5 選題意義 .....................................