【正文】 ～ ～ 細(xì)砂 ～ ～ 中砂 ～ 20 ～ 20 均質(zhì)中砂 35～ 50 粗砂 20～ 50 20～ 50 均質(zhì)粗砂 60～ 75 圓礫 50～ 100 50～ 100（礫石） 卵石 100～ 500 100～ 500 無(wú)充填物卵石 500～ 1000 500～ 1000 稍有裂隙巖石 20～ 50 注： ① 中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版； ② 杰尼索夫著。 凍結(jié)法施工中地下水流動(dòng)對(duì)凍結(jié)的影響 地下水的自然流速一般都比較小，一般小于 5m/d，不會(huì)對(duì)凍結(jié)壁的正常形成構(gòu)成威脅。液態(tài)氨經(jīng)過(guò)流閥降壓流入蒸發(fā)器中蒸發(fā)，再吸收其周圍鹽水中的熱量變?yōu)轱柡驼羝保芏鴱?fù)始，構(gòu)成氨循環(huán) 。上述鹽水循環(huán)系統(tǒng)稱為閉路鹽水循環(huán)系統(tǒng)（集中回液）。 27 地下水對(duì)凍結(jié)的影響 土體是一個(gè)多相和多成分混合體系，由水、各種礦物質(zhì)和化合物顆粒、氣 體等組成，而土中的水又可有自由水、結(jié)合水、結(jié)晶水三種形態(tài)。 土體凍結(jié)先是在每個(gè)凍結(jié)管的周圍形成以凍結(jié)管為中心的降溫區(qū)，分為凍土區(qū)、融土降溫區(qū)、常溫土層區(qū)。凍結(jié)中被移動(dòng)的水形成冰凌，造成與凍結(jié)鋒面垂直方向的體積膨脹。在工程應(yīng)用中根據(jù)凍土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的有相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)。 凍土的這種特性要求在掘土施工時(shí)盡量縮短凍土幫的暴露時(shí)間，及早施工初襯支護(hù)。在粗砂、砂粒和礫石中顆粒大，幾乎沒(méi)有結(jié)合水。反之，凍結(jié)速度慢，凍土中的粗粒冰含量增多，呈片狀晶體結(jié)構(gòu)，凍土強(qiáng)度相應(yīng)降低。對(duì)凍土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，無(wú)論溫度高還是溫度低，無(wú)論是加載速度快還是加載速度慢，都是脆性破壞。 試驗(yàn)表明，當(dāng)凍結(jié)黏土在－℃ ～－ 10℃ 下快速拉斷時(shí)，極限瞬時(shí)強(qiáng)度為凍結(jié)砂的 ～ 倍。 從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出： （ 1）采用劈裂法實(shí)驗(yàn)可以消除微裂隙和其他缺陷影響。 32 凍土的抗拉強(qiáng)度按下算式計(jì)算： Dh2?? Pt ? 式中 t? ——凍土的抗拉強(qiáng)度（ Mpa）； P ——破壞荷載（ kN）； D ——式樣直徑（ mm）； h ——式樣厚度（ mm）。 近些年，國(guó)外的一些學(xué)者也對(duì)凍土的單軸抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了深入的研究，不少結(jié)論都有一定的參考價(jià)值。 前蘇聯(lián)學(xué)者建議采用下面兩個(gè)公式計(jì)算飽和凍砂土的極限抗壓強(qiáng)度： 31 96 2 ???? tt? 或者 9 6 8 ?? t? 式中： ? ——凍土的抗壓強(qiáng)度（ MPa）； t——凍土溫度（ ℃ ），取負(fù)溫度絕對(duì)值。 含水量對(duì)凍土強(qiáng)度的影響 實(shí)驗(yàn)表明， 巖土中的含水量對(duì)凍土抗壓強(qiáng)度影響甚大。當(dāng)負(fù)溫度值不太大時(shí) ，溫度對(duì)強(qiáng)度的影響較明顯。二是凍土的持久強(qiáng)度（或稱長(zhǎng)期強(qiáng)度極限），即超過(guò)它才能發(fā)生蠕變破壞的最小的應(yīng)力，它也有三個(gè)指標(biāo)，即持久抗壓強(qiáng)度，持久抗拉強(qiáng)度，持久剪切強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線是一系列隨時(shí)間變化而彼此相似的曲線，不同時(shí)刻的應(yīng)力應(yīng)變曲可以用冪函數(shù)方程表示 ，如圖 31 所示。土的凍結(jié)速度越快，凍土強(qiáng)度越高。隨著制冷的繼續(xù)，結(jié)冰區(qū)逐漸發(fā)展，形成設(shè)計(jì)要求的凍土結(jié)構(gòu)，且滿足安全掘砌施工要求。 冷卻水循環(huán) 冷卻水循環(huán)由水泵驅(qū)動(dòng)。凍結(jié)器由凍結(jié)管、供液管和回液管組成。當(dāng)井筒穿過(guò)的各含水層之間產(chǎn)生縱向流動(dòng)，如水位觀測(cè)孔穿過(guò)的各個(gè)含水層之間 “串水 ”或產(chǎn)生 “暗流 ”延長(zhǎng)了凍結(jié)壁的交圈時(shí)間。同時(shí)在較短時(shí)間內(nèi)壓力梯度仍然可能提高。 （ 2）滲透系數(shù) 各種巖石滲透系數(shù)見(jiàn)表 28 所示。H 2O 21 表 27 低融溶液的主要物理性質(zhì) 低融水溶液的化學(xué)方程式 溶液的成分（ %） 溫度（ ℃ ） 密度 （ 103kg/m3） 溶液的比熱（ J/kg） 低融冰鹽共晶的比熱（ J/kg） 潛熱（ J/kg） 結(jié)冰時(shí)低融冰鹽共晶的體積膨脹百分比（ %） 鹽 水 K2SO4 +KNO3 － ZnSO4 － BaCl2 － Na2S2O3 30 － KCl － KCl +KNO3 19/ － NH4Cl － NO3NH4 － NaNO3 37 － NaNO3 +KNO3 / － — NaCl － 水的動(dòng)態(tài)對(duì)凍結(jié)的影響 土中水流速對(duì)土的凍結(jié)速度有較大影響，所有的地下水都是在流動(dòng)著的，然而在絕大多數(shù)的情況下，地下水的流速是非常小的，一般不超過(guò) 5~10m/d，所以在進(jìn)行人工凍結(jié)工程的計(jì)算時(shí)可不考慮。5H2O 硝酸鋅 Zn（ NO3） 2 650 － 冰 +Zn（ NO3） 2 20 表 26 常見(jiàn)的幾種水溶液的低融冰鹽共晶點(diǎn)及其成分 可溶物質(zhì) 分子量 可溶物質(zhì)在水中的含量（ g/L） 低融冰鹽共晶點(diǎn)（ ℃ ） 低融冰鹽 共晶點(diǎn)的成分 名稱 化學(xué)方程式 氧化鈣 CaO － 冰 +CaO例如，在同樣負(fù)溫度和相同含水量的情況下，凍結(jié)砂的強(qiáng)度比凍結(jié)黏土的強(qiáng)度高，這是因?yàn)樯皩又械乃畮缀跞拷Y(jié)成冰，冰把砂礫牢牢地膠結(jié)在一起，而粘土中則存在相當(dāng)多的未凍水，土粒膠結(jié)程度差。前兩者是結(jié)合水，密度增大，冰點(diǎn)降低。 地下水對(duì)凍土影響 土粒與水的相互作用 凍土形成的過(guò)程，實(shí)際上是土中的水結(jié)冰并膠結(jié)固體顆粒的過(guò)程。開(kāi)始結(jié)冰后，這種現(xiàn)象就不再發(fā)生或不明顯。 （ 3）溫度突變階段：水過(guò)冷以后，一旦開(kāi)始結(jié)晶，就會(huì)放出結(jié)晶潛熱，使溫度迅速上升。 ② 分布在低洼積水地帶，植被以塔頭、苔蘚、灌叢為主。 ③ 融化后產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。 ② 有少量水分滲出。 ① 融化后原土結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生變化。 表 24 泥炭化動(dòng)土的泥炭化程度界限值 土類 粗顆粒土 粘性土 泥炭化程度（ %） 3 5 泥炭化動(dòng)土的泥炭化程度（ ζ）可按下式計(jì)算： %100d ?? gm?? 式中： ?m ——凍土中含植物殘?jiān)湍嗵康馁|(zhì)量（ g）； dg ——土骨架質(zhì)量（ g）。 12 表 21 按凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間分類 類型 持續(xù)時(shí)間（ T） 地面溫度（ ℃ ）特征 凍融特征 多年凍土 T≥2 年 年平均溫度 ≤0 季節(jié)融化 隔年凍土 2 年 T1 年 最低月平均地面溫度 ≤0 季節(jié)凍結(jié) 季節(jié)凍土 T1 年 最低月平均地面溫度 ≤0 季節(jié)凍結(jié) 按活動(dòng)層與下臥層的類別及其關(guān)系分類 我國(guó)季節(jié)性凍土主要分布在長(zhǎng)江流域以北、東北多年凍土南 界以南和高海拔多年凍土下界以下的廣大地區(qū)，面積約 514 萬(wàn)平方公里。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的凍結(jié)溫度和土體含水量條件下，凍融后土 的孔隙率和含水量都增大 ； 土體承受的外界荷載對(duì)凍融土孔隙率和含水量的變化有抑制作用。 Everett，首先提出了第一凍脹理論即毛細(xì)理論，然而，毛細(xì)理論卻不能解釋不連續(xù)冰透鏡是如何形成的，并且該理論低估了細(xì)顆粒土中的凍脹壓力。徐學(xué)祖和 Nixon 等研究發(fā)現(xiàn)分凝勢(shì)模型適合應(yīng)用于溫度梯度是在己知條件下，對(duì)于非穩(wěn)定熱狀況條件，分凝勢(shì)并不是常數(shù)，不應(yīng)再用分凝勢(shì)模型解決凍脹問(wèn)題。 1991 年在西班牙巴倫西亞地鐵建設(shè)中，鉆鑿在地下水位以下進(jìn)行，同時(shí)使用了幾種支護(hù)處理方法，結(jié)果表明土凍結(jié)法最為令人滿意。 日本東京環(huán) 7 線盾構(gòu)出洞的凍結(jié)施工中采用壓力釋放孔使凍結(jié)壓力降低40%。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。 在我國(guó)煤礦豎井開(kāi)鑿中得到廣泛應(yīng)用的人工凍結(jié)法與這些方法相比，具有隔水性能好、強(qiáng)度高、整體支護(hù)性能好、土體可復(fù)原、不污染環(huán)境、凍結(jié)結(jié)構(gòu)物的性狀和擴(kuò)展范圍可控等優(yōu)點(diǎn)。 本世紀(jì)是大力建設(shè)地下工程的世紀(jì)，也是我國(guó)地下空間開(kāi)發(fā)利用的高潮時(shí)期。 在飽和含水軟弱地層中，在剛建好的兩條區(qū)間隧道再建通道、泵站，雖然可以借鑒上海地鐵一號(hào)線區(qū)間隧道旁通道施工經(jīng)驗(yàn)，但由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有相應(yīng)的人工土凍結(jié)法施工規(guī)范，所以凍結(jié)法作為一種輔助施工工法，其實(shí)施的可行性、安全可靠度、施工速度、工程造價(jià)等多方面都面臨考驗(yàn)。于是本文主要從凍結(jié)方案選取、凍結(jié)孔的布置與施工以及土體開(kāi)挖過(guò)程對(duì)人工凍結(jié)法進(jìn)行闡述。 在凍土形成的過(guò)程中，物理力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了很大的變化，于是在文中進(jìn)一步研究了凍土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。各種地下工程如礦山工程、深基礎(chǔ)建筑及地下室、城市地鐵和河底、海底及穿山隧道等正在興建中，并且呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，與之俱來(lái)的基坑壁的支護(hù)、隔水等問(wèn)題也變得越來(lái)越突出，尤其是在惡劣的地質(zhì)、水文條件以及苛刻的周圍環(huán)境下。采用人工制冷加固（凍結(jié)法），可以使土體中的大部分水 結(jié)冰，這不僅提高了土的強(qiáng)度，增強(qiáng)了土體的穩(wěn)定性和整體性，而且可以達(dá)到其他止水方法所無(wú)法比擬的隔水性能；同時(shí)隨著地層開(kāi)挖深度的增加，凍結(jié)法施工更具有 6 經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。深基坑支護(hù)是建筑工程中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)這些問(wèn)題及對(duì)策的研究，是隨力學(xué)理論，計(jì)算技術(shù)，測(cè)試儀器以及施工機(jī)械的進(jìn)步而深入的。所以人工凍結(jié)技術(shù)被越來(lái)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(guò)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。土的凍脹主要是因?yàn)闇囟葓?chǎng)引起土中原含水分和遷移而來(lái)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。此后一個(gè)多世紀(jì)里，人工凍結(jié)法在許多國(guó)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。水動(dòng)力學(xué)模型的共同之處是沒(méi)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。但是目前的研究沒(méi)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(méi)有系統(tǒng)的進(jìn)行主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)地鐵水平凍結(jié)法施工中的溫度場(chǎng)及地表凍脹位移的研究，從而未能對(duì)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。試驗(yàn)結(jié)果表明 ，凍結(jié)飽和砂土融化過(guò)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(duì)應(yīng)，融化沉降過(guò)程可分為開(kāi)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(guò)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。 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(jiàn)的分凝冰的凍土（ N）： ① 膠結(jié)性差，易碎的凍土（ Nf） ； ② 無(wú)過(guò)剩冰的凍土（ Nbn）； ③ 膠結(jié)性良好的凍土（ Nb）； ④ 有過(guò)剩冰的凍土（ Nbc）； 均可命名為 少冰凍土（ S） 。 凍土中易溶鹽含量超過(guò)表 23 數(shù)值時(shí)，稱為鹽漬化凍土。 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。 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(jiàn)薄冰層。 ② 細(xì)顆粒土凍結(jié)，可見(jiàn)到冰層狀。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度偏低，易擊碎。 ② 融化后產(chǎn)生融陷現(xiàn)象。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。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。再遠(yuǎn)的水分子主要是受重力場(chǎng)作用控制，形成毛細(xì)水。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℃ 。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。12H2O 硫酸鋅 ZnSO4 372 － 冰 +ZnSO46H2O 三氯化 二鐵 Fe2Cl3 162 495 － 冰 +Fe2Cl3 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(duì)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