【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1862 年英國(guó)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。 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。 1886 年瑞典長(zhǎng)20m的人行隧道建設(shè)工程應(yīng)用了人工凍結(jié)方法。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。當(dāng)前人工凍結(jié)技術(shù)已是世界許多國(guó)家如德國(guó)、美國(guó)、日本、意 大利等國(guó)家城市地下工程不可缺少的手段，例如 1906 年橫斷法國(guó)塞納河底地鐵工程， 1942 年英國(guó)的上水道管渠道工程， 1973 年美國(guó)的河底取水豎井安裝工程。 90 年代以來(lái)，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。 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。我國(guó)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。凍結(jié)法鑿井就是在井筒開挖之前，采用人工制冷的方法，將井筒周圍含水地層凍結(jié)成一個(gè)封閉的不透水的帷幕一凍土墻 （ 簡(jiǎn)稱凍結(jié)壁 ） ，用于抵抗地壓、水壓、隔絕地下水與井筒地鐵隧道凍結(jié)法施工凍結(jié)壁溫度場(chǎng)及地表凍脹位移數(shù)值試驗(yàn)研究之間的聯(lián)系，而后在其保護(hù)下掘砌工作。 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(lái)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。 70年代至 80 年代主要是水動(dòng)力學(xué)模型，采用有限差分法，對(duì)土體凍結(jié)過(guò)程中的水流 和溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)。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。 9 20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代主要是 Konrad 的分凝勢(shì)模型和 Miller 的剛性冰模型，采用分析解和有限元法，對(duì)土體凍結(jié)過(guò)程中的水流、凍脹、分凝冰和溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)，采用的參數(shù)主要是未凍水含量與溫度關(guān)系，以及孔隙度、滲透系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量等。分凝勢(shì)模型把分凝勢(shì)定義為水分遷移與通過(guò)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。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)模型解決凍脹問題。剛性冰模型假設(shè)凍結(jié)緣中的冰與正生長(zhǎng)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(guò)微觀的復(fù)冰過(guò)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。 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，開始提出熱力學(xué)模型，采用有限元法對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、水流和溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)，主要采 用楊氏模量、泊松比、蠕變定律的 6 個(gè)參數(shù)、導(dǎo)濕系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量等，但熱力學(xué)模型只用熱力學(xué)理論描述微觀凍脹機(jī)理，并不能解決實(shí)際應(yīng)用，因此熱力學(xué)模型的研究還需深入。 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。王建平等建立了變邊界應(yīng)力碩士學(xué)位論文和移動(dòng)邊界位置的水分遷移方程， 按一維條件，對(duì)水、溫度、應(yīng)力、位移的禍合問題進(jìn)行了研究 ； 采用準(zhǔn)禍合的處理方法，忽略水分遷移影響，對(duì)二維溫度、應(yīng)力、位移場(chǎng)的禍合問題進(jìn)行了數(shù)值分析目前已取得一些成果。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(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。因此，此方向課題還有待于進(jìn)一步探討。 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。 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。認(rèn)識(shí)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(wú)凍脹的帶，稱為凍結(jié)緣 (frozenffinge)。凍結(jié)緣理論克服了毛細(xì)理論的不足。得到廣大學(xué)者的認(rèn)可 ， 稱為第二凍脹理論。 1998 年，周國(guó)慶在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，探討了飽水砂層的豎向凍結(jié)及融化過(guò)程土中結(jié)構(gòu)切向受力的變化。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。陳湘生于 1999 年在清華大學(xué)離心機(jī)上進(jìn)行了土壤凍脹離心模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了土中溫度傳遞、凍脹縮比等的可靠性。 2020 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。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。 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(wú)側(cè)限抗壓地鐵隧道凍結(jié)法施工凍結(jié)壁溫度場(chǎng)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。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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是原狀土 的 1/3 一 1/2， 靈敏度降低。 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。凍土可分為天然凍土和人工凍土。 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(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） 。 肉眼可見分 凝冰，但冰層厚度小于 （ V）： ① 單個(gè)冰晶體或冰包裹體的凍土（ Vx），可定名為少冰凍土（ S）； ② 在顆粒周圍有冰膜的凍土（ Vc），可定名為多冰凍土（ D）； ③ 不規(guī)則走向的冰條帶凍土（ Vr），可定名為富冰凍土（ F）； ④ 層狀或明顯定向的冰條帶凍土（ Vs），可定名為飽冰凍土（ B） 。 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。 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。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）。 表 22 季節(jié)活動(dòng)層的類型和分布 類型 年平均地溫（ ℃ ） 最大厚度（ m） 下臥地層 分布地區(qū) 季節(jié)凍土層 0 2~3（或更厚） 融土層或不銜接 的多年凍土層 多年凍土區(qū)的 融區(qū)地帶 季節(jié)融化層 0 2~3（或更厚） 銜接的多年 凍土層 多年凍土區(qū)的大片多年凍土地帶 其他類型的凍土 按凍土的含冰特征，可定名為少冰凍土、多 冰凍土、富冰凍土、飽冰凍土和含冰土層。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）。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(dòng)土。 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。 表 23 鹽漬化凍土的鹽漬度界限值 土類 含細(xì)粒土砂 粉土 粉質(zhì)黏土 黏土 鹽漬度 鹽漬化凍土的鹽漬度（ ζ）可按下式計(jì)算： 13 %100d ?? gmg? 式中： gm ——凍 土中含易溶鹽的質(zhì)量（ g）； dg ——土骨架質(zhì)量（ g）。 凍土的泥炭化程度超過(guò)表 24 中數(shù)值時(shí)，稱為泥炭化凍土。 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）。 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。堅(jiān)硬凍土： vm ≤；塑性凍土： vm ＞ ；松散凍土： ω≤3%。 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。 ② 一般分布在長(zhǎng)草或有樹的階地和緩坡地帶以及其他地帶。 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 細(xì)顆粒土凍結(jié)，呈整體狀。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度一般（中等），可用錘子擊碎。 ① 融化后原土結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生變化。 ② 無(wú)滲水現(xiàn)象。 ③ 融化后不產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。 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。 ② 多分布在沖 —洪積扇及階地其他地帶，地被物較茂密。 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。 ② 細(xì)顆粒土凍結(jié)，呈微層狀構(gòu)造，可見薄冰層或薄透鏡體冰。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。 ② 有少量水分滲出。 ③ 融化后產(chǎn)生弱融沉現(xiàn)象。 15 層 狀 構(gòu) 造 層狀（冰厚一般可達(dá)5~10mm） ① 巖性以粉砂土為主。 ② 一般分布在階地或塔頭沼澤地帶。 ③ 有一定的水源補(bǔ)給條件 ④ 土壤濕度：很濕 ωp+7＜ ω＜ ωp+15 ① 粗顆粒土如礫石被冰分離，可見到較多并透鏡體。 ② 細(xì)顆粒土凍結(jié)，可見到冰層狀。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度高很難擊碎 ① 融化后土體積縮小。 ② 有少量水分滲出。 ③ 融化后產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。 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。 ② 一般分布在塔頭沼澤和低洼地帶。 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 細(xì)顆粒土凍結(jié)，凍土互層。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度偏低，易擊碎。 ① 融化后土體積明顯縮小，水土界限分明，并可成流動(dòng)狀態(tài)。 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。 ② 分布在低洼積水地帶，植被以塔頭、苔蘚、灌叢為主。 ③ 土壤濕度：超飽和 ω＞ ωp+35 ① 以中厚層狀構(gòu)造為主。 ② 冰體積大于土體積。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度很低，極