【文章內(nèi)容簡介】 鹽共晶點(diǎn)的成分名稱化學(xué)方程式氧化鈣CaO－冰+CaOH2O硫酸鈉Na2SO414240－冰+Na2SO410H2O硫酸銅CuSO4135－冰+CuSO45H2O碳酸鈉Na2CO310663－冰+Na2CO310H2O硝酸鉀KNO3126－冰+KNO3硫酸鎂MgSO4120197－冰+MgSO412H2O硫酸鋅ZnSO4372－冰+ZnSO47H2O氯化鉀KCl246－冰+KCl氯化銨NH4Cl245－冰+NH4Cl硝酸銨NO3NH480747－冰+NO3NH4硫酸銨（NH4）2SO4132663－冰+（NH4）2SO4氯化鈉NaCl290－冰+NaCl2H2O氫氧化鈉NaOH40344－冰+NaOHHNO3溴化鈉NaBr103676－冰+NaBr5H2O硝酸鋅Zn（NO3）2650－冰+Zn（NO3）29H2O氯化鎂MgCl295259－冰+MgCl212H2O氯化銅CuCl2592－冰+CuCl22H2O硝酸HNO3483－冰+HNO33H2O氯化鈣CaCl2111427－冰+CaCl26H2O三氯化二鐵Fe2Cl3162495－冰+Fe2Cl36H2O硫酸H2SO4612－冰+H2SO44H2O氨NH3469－冰+NH3H2O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－Na2S2O330－KCl－KCl+KNO319/－NH4Cl－NO3NH4－NaNO337－NaNO3+KNO3 /－—NaCl－水的動態(tài)對凍結(jié)的影響土中水流速對土的凍結(jié)速度有較大影響，所有的地下水都是在流動著的，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。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。地下水的運(yùn)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。 （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)，地下水就會在重力的作用下發(fā)生流動。如圖23所示，A和B兩點(diǎn)間的高度差（）造成了水壓，在水壓作用之下，水就從AA1點(diǎn)流向BB1點(diǎn)。圖23地下水流動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：式中：——地下水流動速度（m/d）； ——產(chǎn)生最大水頭的水平距離（m）； ——水壓頭（m）； ——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，即時(shí)等于通過巖層的流速（m/d）； ——水力坡度或稱壓力梯度。土中水的性態(tài)與土質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，土體有原狀土和非原狀土之分，原狀土中砂層、礫卵石土層中水的滲透速度較大，非原狀土如回填土主要看回填土質(zhì)和固結(jié)狀況，較為復(fù)雜。巖層滲透系數(shù)的變化很大，根據(jù)具體情況用實(shí)驗(yàn)室方法或鉆孔抽水試驗(yàn)來測定。（2）滲透系數(shù)各種巖石滲透系數(shù)見表28所示。表28各種巖石滲透系數(shù)巖石名稱滲透系數(shù)kcm/sm/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～1432～864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。根據(jù)土的成分與孔隙率計(jì)算滲透系數(shù)公式為：式中：——當(dāng)溫度為10℃時(shí)的滲透系數(shù)（m/d）； ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，范圍在400～1200，隨著粒徑組成而定，一般黏土質(zhì)砂 為500～700，純砂為700～1000； ——有效粒徑，小于這種直徑的顆粒在土中占10%（mm）； ——滲透水的溫度（℃）。 《建井工程手冊》（第四版）給出了土的滲透系數(shù)參考值，見表29所示。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(xué)②黏土＜亞黏土～＜輕亞黏土～～5（亞砂土）黃土～～粉砂～～細(xì)砂～～中砂～20～20均質(zhì)中砂35～50粗砂20～5020～50均質(zhì)粗砂60～75圓礫50～10050～100（礫石）卵石100～500100～500無充填物卵石500～1000500～1000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。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)，處于動態(tài)地下水可以順利的被凍結(jié)住。因此除礫石層外，在自然條件下的粒狀巖層中的地下水，對于人工凍結(jié)巖石來說，是不會發(fā)生困難的。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。同時(shí)在較短時(shí)間內(nèi)壓力梯度仍然可能提高。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。在河床或水池中凍結(jié)巖石時(shí)地下水可能產(chǎn)生較大的流速。在這種情況下凍結(jié)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。 凍結(jié)法施工中地下水流動對凍結(jié)的影響 地下水的自然流速一般都比較小，一般小于5m/d，不會對凍結(jié)壁的正常形成構(gòu)成威脅。當(dāng)?shù)氐叵滤魉俪^一定限度時(shí)就會對凍結(jié)壁的形成產(chǎn)生不利的影響。有些井筒在凍結(jié)過程中盲目設(shè)置水井，抽水時(shí)認(rèn)為的加大地下水流速，人為抽水引起的地下水流速往往要比自然流速大幾倍甚至大幾十倍，凍結(jié)壁遲遲不能交圈。被迫停用部分水井或減少抽水量，使抽水對凍結(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。當(dāng)井筒穿過的各含水層之間產(chǎn)生縱向流動，如水位觀測孔穿過的各個(gè)含水層之間“串水”或產(chǎn)生“暗流”延長了凍結(jié)壁的交圈時(shí)間。 第三章 人工凍結(jié)法原理及其力學(xué)參數(shù)和特性 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)。氨循環(huán) 氨循環(huán)的制冷過程實(shí)際上是熱工轉(zhuǎn)換過程。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。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保芏鴱?fù)始，構(gòu)成氨循環(huán)。鹽水循環(huán) 鹽水循環(huán)以泵為動力驅(qū)動鹽水進(jìn)行循環(huán)，其作用為冷量傳遞。氨循環(huán)系統(tǒng)由鹽水箱、鹽水泵、去路鹽水干管、配液圈、凍結(jié)器、集液圈及回路鹽水干管組成。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。凍結(jié)器由凍結(jié)管、供液管和回液管組成。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。積極凍結(jié)期間，凍結(jié)器進(jìn)出口溫差一般為3到7℃，消極凍結(jié)期間，其進(jìn)出口溫差一般為1到3℃。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℃。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）。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。這種開放式鹽水循環(huán)用管量大，較閉路就循環(huán)復(fù)雜。鹽水管路應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行保溫處理。冷卻水循環(huán) 冷卻水循環(huán)由水泵驅(qū)動。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。冷卻水循環(huán)在制冷過程中的作用是將壓縮機(jī)排出的過熱蒸汽冷卻成液態(tài)氨，以便進(jìn)入蒸發(fā)器重新蒸發(fā)。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℃。 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)。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。凍土的形成是一個(gè)物理力學(xué)過程，隨著溫度的降低，凍土的強(qiáng)度逐漸增大。 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。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。 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宣}分過高，會降低水溶液的結(jié)冰溫度，而土中水流速度過大，除了增加凍結(jié)難度，而且也會影響凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。凍結(jié)地層的溫度場 地層凍結(jié)是通過一個(gè)個(gè)的凍結(jié)管向地層輸送冷量的結(jié)果。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。 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)。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，據(jù)此可劃分出凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)。地層中溫度曲線呈對數(shù)曲線分布。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。土的凍結(jié)速度越快，凍土強(qiáng)度越高。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(fù)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。 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。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)。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。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)。土中的冰融化還意味著土中含水量的增加，并可能重新導(dǎo)致過飽和土中孔隙壓力的顯著增加。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。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。圖31凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線（t=－10℃）式中：——應(yīng)力（MPa）； ——應(yīng)變（%）； ——稱為可變模量（MPa），為隨時(shí)間和溫度變化的參數(shù)； ——為強(qiáng)化系數(shù)?；旧鲜请S時(shí)間及溫度變化。 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)。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。 凍土有兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)，一是凍土的瞬時(shí)強(qiáng)度，即接近于最大值的強(qiáng)度，通常采用極限強(qiáng)度。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。二是凍土的持久強(qiáng)度（或稱長期強(qiáng)度極限），即超過它才能發(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。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。瞬時(shí)強(qiáng)度比持久強(qiáng)度要大許多，負(fù)溫值越高，兩者相差越大。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。凍