【正文】 形成設(shè)計要求的凍土結(jié)構(gòu)，且滿足安全掘砌施工要求。實驗表明凍土的應力應變曲線是一系列隨時間變化而彼此相似的曲線，不同時刻的應力應變曲可以用冪函數(shù)方程表示 ，如圖 31 所示。當負溫度值不太大時 ，溫度對強度的影響較明顯。 前蘇聯(lián)學者建議采用下面兩個公式計算飽和凍砂土的極限抗壓強度： 31 96 2 ???? tt? 或者 9 6 8 ?? t? 式中： ? ——凍土的抗壓強度（ MPa）； t——凍土溫度（ ℃ ），取負溫度絕對值。 32 凍土的抗拉強度按下算式計算： Dh2?? Pt ? 式中 t? ——凍土的抗拉強度（ Mpa）； P ——破壞荷載（ kN）； D ——式樣直徑（ mm）； h ——式樣厚度（ mm）。 試驗表明，當凍結(jié)黏土在－℃ ～－ 10℃ 下快速拉斷時，極限瞬時強度為凍結(jié)砂的 ～ 倍。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)，凍土強度相應降低。 凍土的這種特性要求在掘土施工時盡量縮短凍土幫的暴露時間，及早施工初襯支護。凍結(jié)中被移動的水形成冰凌，造成與凍結(jié)鋒面垂直方向的體積膨脹。 27 地下水對凍結(jié)的影響 土體是一個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)。液態(tài)氨經(jīng)過流閥降壓流入蒸發(fā)器中蒸發(fā)，再吸收其周圍鹽水中的熱量變?yōu)轱柡驼羝?，周而復始，?gòu)成氨循環(huán) 。 24 表 29 土的滲透系數(shù)參考值 土的名稱 滲透系數(shù)（ m/d） 工程地 質(zhì)手冊 ① 工程地質(zhì)學 ② 黏土 ＜ 亞黏土 ～ ＜ 輕亞黏土 ～ ～ 5（亞砂土） 黃土 ～ ～ 粉砂 ～ ～ 細砂 ～ ～ 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 無充填物卵石 500～ 1000 500～ 1000 稍有裂隙巖石 20～ 50 注： ① 中國建筑工業(yè)出版社出版； ② 杰尼索夫著。3H2O 氯化鈣 CaCl2 111 427 － 冰 +CaCl2水的冰點降低常數(shù)為 ； g——在 1kg 溶劑中所溶解物質(zhì)的克數(shù)； M ——被溶解物質(zhì)的分子量； a——溶液冰點降低的修正系數(shù)。 離土顆粒稍遠靜電引力越小，水分子自由活動能力增大，這部分水稱為弱結(jié)合水（薄膜水）。 開始凍結(jié)的溫度 td 稱為起始凍結(jié)溫度，它取決于水溶液的含鹽濃度，含鹽量越大起始凍結(jié)溫度越低。 ② 細顆粒土凍結(jié)，凍土互層。 ② 多分布在沖 —洪積扇及階地其他地帶，地被物較茂密。根據(jù)凍土中的易溶鹽含量或泥炭化程度劃分為鹽漬化凍土和泥炭化動土。 1998 年，周國慶在試驗研究的基礎(chǔ)上，探討了飽水砂層的豎向凍結(jié)及融化過程土中結(jié)構(gòu)切向受力的變化。 70年代至 80 年代主要是水動力學模型，采用有限差分法，對土體凍結(jié)過程中的水流 和溫度進行預報。由于缺乏凍結(jié)壁溫度場和凍土凍脹對周圍環(huán)境 影響等基礎(chǔ)性研究，致使人工凍結(jié)法在環(huán)境要求很高的市政巖土工程和城市地下空間開發(fā)中未能廣泛推廣應用。 我國近年來興建了大量的高層建筑，以北京、天津、上海、廣州、深圳等地的高層建筑密度最大，由此產(chǎn)生了大量的深基坑工程，且規(guī)模 和深度不斷加大。專家預測 21 世紀是建設(shè)地下工程的世紀。最后結(jié)合 某地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)，對人工凍結(jié)發(fā)法在實際工程中的 應用，進行了深一步的了解。發(fā)達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)境三大危機的重要措 施和醫(yī)治 “城市綜合癥 ”實施城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。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 越廣泛的應用，從而為凍結(jié)法的應用提供了廣闊的空間。我國于 1955年首次在開灤煤礦西風井應用凍結(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用。認識到毛細理論的不足之處， Milierl提出在凍結(jié)鋒面和最暖冰透鏡底面存在一個低含水量、低導濕率和無凍脹的帶，稱為凍結(jié)緣 (frozenffinge)。在多年凍土地區(qū)可根據(jù)活動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）。 ② 無滲水現(xiàn)象。 網(wǎng) 狀 構(gòu) 造 網(wǎng)狀（冰厚一般可達10~25mm） ① 巖性以細顆粒土為主。 （ 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。土中水的結(jié)冰與純凈水的結(jié)冰有不同的特點，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，必須首先了解土顆粒與水的相互作用。 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，水溶液的結(jié)冰溫度就要降低。9H2O 氯化鎂 MgCl2 95 259 － 冰 +MgCl2 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。 26 第三章 人工凍結(jié)法原理及其力學參數(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)。通過冷凝器進行熱交換，然后流入冷卻塔再進入冷卻水池，冷卻后的循環(huán)水應隨時由地下水補充。它還與凍結(jié)管內(nèi)的鹽水溫度、鹽水流量和流動狀態(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 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)驗公式推算。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度隨著載荷作用時間的延長而降低。 土中含水量未達到飽和時，凍土強度隨著含水率增加而增高；一旦達到飽和后，含水量再增加時，凍土強度反而會降低。例如日本學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。進行數(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 。 其中首先是破壞性質(zhì)，如果壓縮試驗中既能發(fā)生脆性破壞，也可能發(fā)生延性破壞。這是因為結(jié)合水的含量與土的顆粒大小有關(guān)。 凍土強度 凍土的強度是指導致破壞和穩(wěn)定性喪失的某一應力標準。每個凍結(jié)管四周形成多個單獨的圓柱狀凍結(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)擴展，向內(nèi)的擴展速度比向外的擴展速度要快，通常向內(nèi)的擴展范圍要到達開挖邊界。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℃。在這種情況下凍結(jié) 25 巖石，就必須在河床中作一個人造的木排擋水墻或堆積一個人工島，在此范圍內(nèi)進行巖層的凍結(jié)工作。 22 （ 1）地下水的自然流速 當?shù)叵滤辉趦牲c之間發(fā)生水位差時，地下水就會在重力的作用下發(fā)生流動。5H2O 碳酸鈉 Na2CO3 106 63 － 冰 +Na2CO3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。 17 凍結(jié)過程中增長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。 ③ 凍結(jié)強度很低，極易擊碎。 ② 一般分布在階地或塔頭沼澤地帶。 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 巖性多為細顆粒土，但砂礫石土冰潔也可產(chǎn)生此種構(gòu)造。 11 第二章 凍土描述及其性質(zhì) 凍土 定義 當溫度降低到結(jié)冰溫度（一般為 0℃ ）或更低時，巖土凍結(jié)并膠結(jié)了固體顆粒，形成凍土。 國內(nèi)不少學者應用計算機對凍結(jié)壁溫度場進行數(shù)值模擬研究，并取得了一些成果，例如安徽理工大學汪仁和教授，程樺教授以及中國礦業(yè)大學的楊維好教授等應用 ANSYS 對溫度場進行模擬分析，在這些模型中，外荷載僅作為影響凍脹的一個因子考慮，并沒考慮因加載、凍脹和蠕變等引起的應力場和位移場的變化。 1883 年人工土凍結(jié)法首次在德國阿爾里德煤礦井筒施工中應用并獲成功，至 1900 年人工凍結(jié)法用于礦山施工次數(shù)已達 60 次以上。 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。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)，達到加固和穩(wěn)固土體的目的。 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 、 國際及國內(nèi)人工凍結(jié)法的研究與應用現(xiàn)狀及 凍脹融沉機理及試驗研究 。 地層土人工凍結(jié)技術(shù)是一種起源于天然凍結(jié)現(xiàn)象的土層加固技術(shù)。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)值試驗研究人工地層凍結(jié)技術(shù)用于采礦鑿井在國外有 100 余年的歷史，在中國也有 40 余年，然而，它在其他巖土工程的應 7 用中尚處于起步階段。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1862 年英國工程師南威爾士在建筑基礎(chǔ)施工中，首次使用了人工制冷技術(shù)加固土壤。 20 世紀 90 年代以來，開始提出熱力學模型，采用有限元法對應力、應變、水流和溫度進行預報，主要采 用楊氏模量、泊松比、蠕變定律的 6 個參數(shù)、導濕系數(shù)、導熱系數(shù)和熱容量等，但熱力學模型只用熱力學理論描述微觀凍脹機理，并不能解決實際應用，因此熱力學模型的研究還需深入。粘土凍融后，滲透性大大增加，為原狀土的 3 一 10 倍，而砂土僅略有增大，粘土凍融后無側(cè)限抗壓強度是原狀土 的 1/3 一 1/2， 靈敏度降低。堅硬凍土： vm ≤；塑性凍土： vm ＞ ；松散凍土： ω≤3%。 15 層 狀 構(gòu) 造 層狀（冰厚一般可達5~10mm） ① 巖性以粉砂土為主。 ② 冰體積大于土體積。由于土粒間彼此的距離很小，甚至互相接觸，所以相鄰兩個土粒的薄膜水就匯合在一起形成公共水化膜。薄膜水的比重也大于 1，冰點也低于 0℃ ，一般在 － 20℃ ～ － 30℃ 時才全部凍結(jié)。10H2O 硫酸銅 CuSO4 135 － 冰 +CuSO4 地下水的運動類型可分為兩類：一是自然條件所引起的流動；二是人為原因所引起的流動。 在河床或水池中凍結(jié)巖石時地下水可能產(chǎn)生較大的流速。積極凍結(jié)期間，凍結(jié)器進出口溫差一般為 3到 7℃，消極凍結(jié)期間，其進出口溫差一般為 1 到 3℃。 溫度場和凍結(jié)速度 凍結(jié)地層的溫度場 地層凍結(jié)是通過一個個的凍結(jié)管向地層輸送冷量的結(jié)果?；旧鲜请S時間及溫度變化。 土質(zhì)是影響凍土抗壓強度的重要因素之一 實驗表明，在其它條件相同時，土顆粒越粗，凍土強度越高，反之，越低。影響凍 土抗拉強度的因素和影響凍土抗壓強度的因素基本相同，可是抗拉伸蠕變也有其重要特點。在實驗過程中均聽到 “啪 ”的聲響，然后進行壓力機指針回轉(zhuǎn)，分別記下破壞荷載值，根據(jù)公式計算抗拉強度。試樣的中間部分長度 L 和直徑 d 的比約為 ～ ，兩頭部分的直徑 D 為（ ～ ） d，變直徑的曲率半徑為（ 1～ 2）d，這種試驗方法容易受到一些細小裂紋和別的缺陷的影響。當含水量大大超過飽和含水率時，凍土強度就降低到接近冰的強度 ，此時含水量增加時，凍土抗壓強度反而降低 。瞬時強度比 持久 強度要大許多，負溫值越高，兩者相差越大。 凍脹和融沉效 應 土的冷卻使土體中產(chǎn)生一定的溫度梯度，使土中的水流向土的冷卻部分。冷卻水循環(huán)在制冷過程中的作用是將壓縮機排出的過熱蒸汽冷卻成液態(tài)氨，以便進入蒸發(fā)器重新蒸發(fā)。氨循環(huán) 氨循環(huán)的制冷過程實際上是熱工轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)土的成分與孔隙率計算滲透系數(shù)公式為： )(1010 tcdk ??