【導讀】現(xiàn)狀及凍脹融沉機理及試驗研究。接下來介紹了人工凍土的分類和構造以，及地。下水對凍土形成的影響。在凍土形成的過程中，物理力學性質也發(fā)生了很大的變?；?，于是在文中進一步研究了凍土的抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度。人工凍結法的原理、設計以及凍結壁形成過程中溫度場的變化。于是本文主要從凍。結方案選取、凍結孔的布置與施工以及土體開挖過程對人工凍結法進行闡述。用，進行了深一步的了解。

　　

【正文】 進行凍結；如果在粗粒石內含有細砂或黏土，那么這些細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巖石時地下水可能產(chǎn)生較大的流速。在這種情況下凍結 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，在此范圍內進行巖層的凍結工作。 凍結法施工中地下水流動對凍結的影響 地下水的自然流速一般都比較小，一般小于 5m/d，不會對凍結壁的正常形成構成威脅。當?shù)氐叵滤魉俪^一定限度時就會對凍結壁的形成產(chǎn)生不利的影響。有些井筒在凍結 過程中盲目設置水井，抽水時認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，使抽水對凍結的影響降至最低限度，然而已經(jīng)大大推遲凍結壁交圈時間，造成不應有的損失。當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含水層之間 “串水 ”或產(chǎn)生 “暗流 ”延長了凍結壁的交圈時間。 26 第三章 人工凍結法原理及其力學參數(shù)和特性 人工凍結法原理 制冷技術 制冷技術 是由 三大循環(huán)系統(tǒng)構成，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)的制冷過程實際上是熱工轉換過程。氨循環(huán)在制冷過程中起主導作用，為了使地熱傳遞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，同時過熱蒸汽氨冷凝成液態(tài)氨，實現(xiàn)氣態(tài)到液態(tài)的轉化。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?，周而復始，構成氨循環(huán) 。 鹽水循環(huán) 鹽水循環(huán)以泵為動力驅動鹽水進行循環(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、凍結器、集液圈及回路鹽水干管組成。凍結器是低溫鹽水與地層進行熱交換的換熱器，鹽水流速越快，換熱強度就越大。凍結器由凍結管、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。積極凍結期間，凍結器進出口溫差一般為 3到 7℃，消極凍結期間，其進出口溫差一般為 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)，其主要特點是無集液圈，每根回液管單獨 回液，便于觀察每根凍結管鹽水是否漏失。這種開放式鹽水循環(huán)用管量大，較閉路就循環(huán)復雜。鹽水管路應嚴格進行保溫處理。 冷卻水循環(huán) 冷卻水循環(huán)由水泵驅動。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。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)。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℃。 27 地下水對凍結的影響 土體是一個多相和多成分混合體系，由水、各種礦物質和化合物顆粒、氣 體等組成，而土中的水又可有自由水、結合水、結晶水三種形態(tài)。當降到負溫時，土中的自由水結冰并將土體顆粒膠結在一起形成凍結整體。凍土的形成是一個物理力學過程，隨著溫度的降低，凍土的強度逐漸增大。 人工土凍結法施工原理：在人工制冷作用下，形成低溫鹽水，通過低溫鹽水在埋設在地層管道內的循環(huán)，在凍結孔內完成與地層的熱交換，帶走地層熱量，使地溫逐漸下降并達結冰。隨著制冷的繼續(xù)，結冰區(qū)逐漸發(fā)展，形成設計要求的凍土結構，且滿足安全掘砌施工要求。 常規(guī)的土層凍結對地下水水流速度和水中的鹽分有一定的要求，因為水 中鹽分過高，會降低水溶液的結冰溫度，而土中水流速度過大，除了增加凍結難度，而且也會影響凍結壁的穩(wěn)定性。 溫度場和凍結速度 凍結地層的溫度場 地層凍結是通過一個個的凍結管向地層輸送冷量的結果。每個凍結管四周形成多個單獨的圓柱狀凍結地基體，相鄰的凍結圓柱體相交，形成凍土墻帷幕結構，凍土墻向兩側擴展，向內的擴展速度比向外的擴展速度要快，通常向內的擴展范圍要到達開挖邊界。 土體凍結先是在每個凍結管的周圍形成以凍結管為中心的降溫區(qū)，分為凍土區(qū)、融土降溫區(qū)、常溫土層區(qū)。在靠近凍結管的周圍， 溫度呈同心圓狀分布的特征，但越向遠處，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（－ ℃ ）出現(xiàn)平臺，據(jù)此可劃分出凍結區(qū)和未凍區(qū)。地層中溫度曲線呈對數(shù)曲線分布。 土的凍結速度 凍結管間距是影響凍土圓柱交圈和凍結壁擴展速度的主要因素。土的凍結速度越快，凍土強度越高。它還與凍結管內的鹽水溫度、鹽水流量和流動狀態(tài)、土層性質、凍結管直徑、地層原始地溫等有關，影響因素較多，解析理論分析很復 28 雜，一般按凍結過程中測溫孔觀測到的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式推算。 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。當溫度低于孔隙水的凍結點時，土孔隙中的水凍結、膨脹，要增大 9%，土體會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，尤其是在粘土和細砂等凍結敏感的土層中，由此誘發(fā)的負壓力使其他部分的水遷移，進入凍結區(qū)。凍結中被移動的水形成冰凌，造成與凍結鋒面垂直方向的體積膨脹。當土中的冰融化時，其體積縮小，在土體中產(chǎn)生沉降或固結，大小取決于融化體四周的壓力，凍土融化時的沉降量還與融層厚度、融層土的特性有關。土中的冰融化還意味著土中含水量的增加，并可能重新導致過飽和土中孔隙壓力的顯 著增加。 人工凍土的力學參數(shù) 凍土是一種非彈性材料，在外荷載作用下，應力 應變關系隨時間發(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間而發(fā)展； 松弛：即維持一定的變形量所需要的應力隨時間 增加 而減??； 強度降低：即隨著載荷的作用時間的增加，材料抵抗破壞的能力降低。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。 miA??? 圖 31 凍土的應力應變曲線（ t=－ 10℃ ） 29 式中： ? ——應力（ MPa）； ?—— 應變（ %）； iA ——稱為可變模量（ MPa）， 為隨時間和溫度變化的參數(shù)； m——為強化系數(shù)。基本上是隨時間及溫度變化。 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。在工程應用中根據(jù)凍土結構設計目的有相應的設計方法和標準。凍土是一種非均質、各向異性的非彈性材料，有其特殊的受力特征。 凍土有兩個強度指標，一是凍土的瞬時強度，即接近于最大值的強度，通常采用極限強度。它 是 表征土體抵抗破壞的能力，它有三個指標，即瞬時抗壓強度、瞬時抗拉強度、瞬時剪切強度。二是凍土的持久強度（或稱長期強度極限），即超過它才能發(fā)生蠕變破壞的最小的應力，它也有三個指標，即持久抗壓強度，持久抗拉強度，持久剪切強度。由于在凍土內存在冰和未凍水，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。瞬時強度比 持久 強度要大許多，負溫值越高，兩者相差越大。 當凍土溫度在－ 4~－ 15℃ 時，凍土 持久 強度與瞬時強度的關系如下： 持久 抗壓強度約為瞬時抗壓強度的 1/2~1/； 持久 抗剪強度 約為瞬時抗剪強度的 1/~1/； 持久 抗拉強度約為瞬時抗拉強度的 1/12~1/16。 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。凍結壁的形成是在外力作用下，達到一定強度的，因而比實驗室內的凍土試樣強度大，而且凍結壁是三向受力狀態(tài)，這些在設計時都應考慮到 。 單軸抗壓強度 凍土極限抗壓強度 )(MPac? ，按下列方程式確定（在一定的負溫范圍內）： 中砂 2/121 tCCc ??? 粉砂和粗砂 tCCc 21??? 式中 C1和 C2——根據(jù)土的空隙率和溫度選取的系數(shù)； 30 t—凍結土的溫度（ ℃ ） 溫度是控制凍土強度的主要因素 。 無論是砂土、砂礫石土、還是粘性土，其抗壓強度都隨溫度的降低而增大 ， 主要是因為溫度降低導致凍土中未凍水含量減少，相對含冰量增加，使巖土顆粒間的膠結力增加 。當負溫度值不太大時 ，溫度對強度的影響較明顯。然而，隨著負溫的增加，強度的增長逐漸變緩，所以，強度并非隨溫度下降呈線性增長。 土質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。這是因為結合水的含量與土的顆粒大小有關。在粗砂、砂粒和礫石中顆粒大，幾乎沒有結合水。負溫值剛超過 0℃ ，空隙水便全部凍結，所以強度高。相反，粘土類土的顆粒很細，總表面積大，表面能也大，其中有較多的吸附水和薄膜水。吸附水完全不凍結，薄膜水只有部分凍結，所以，在同一負溫下小顆粒土中保存有較多的未凍水，從 而使強度降低。 含水量對凍土強度的影響 實驗表明， 巖土中的含水量對凍土抗壓強度影響甚大。 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。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 。 凍結速度對凍土強度的影響 凍結速度快，凍土中的細粒冰就多，呈六面晶體結構，凍土強度就高。反之，凍結速度慢，凍土中的粗粒冰含量增多，呈片狀晶體結構，凍土強度相應降低。為了加快積極凍結速度可盡量降低鹽水溫 度或縮小凍結孔間距，以加速凍結壁形成 。 近年來隨著科學的發(fā)展，國內外也有許多新的方法來計算飽和凍砂土的極限抗壓強度。例如我國中國科學院蘭州凍土工程國家重點實驗室，對安徽兩淮礦區(qū)表土層的各類巖土作了大量研究，建議采用如下公式： bta??? 式中： b、a ——試驗常數(shù)。 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。 單軸抗拉強度 凍土的抗拉強度是指凍土所能承受的最大拉應力。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。 其中首先是破壞性質，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。對凍土抗拉強度試驗，無論溫度高還是溫度低，無論是加載速度快還是加載速度慢，都是脆性破壞。由于脆性破壞時間很短，事先很難發(fā)現(xiàn)，也不好做相應的準備，因此按承載能力極限狀態(tài)設計時采用的指標一般要提高一級，增加大約 。抗拉強度比抗壓強度小 50%～ 80%。瞬時抗拉強度比長期抗拉強度要高出 12～ 16 倍，凍結黏性土的長期抗拉強度大于凍結砂土的長期抗拉強度，這是因為在 壓縮時礦物顆粒之間的距離減小，彼此相互接觸的數(shù)量增大，而在拉伸時其距離增加，從而接觸數(shù)量減少。 近些年，國外的一些學者也對凍土的單軸抗拉強度進行了深入的研究，不少結論都有一定的參考價值。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。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。 實驗表明，凍土的抗拉強度明顯小于其抗壓強度，凍結黏土的長期抗拉強度大于 凍結砂土的長期抗拉強度。 試驗表明，當凍結黏土在－℃ ～－ 10℃ 下快速拉斷時，極限瞬時強度為凍結砂的 ～ 倍。凍土的抗拉強度服從于抗壓強度相同的規(guī)律，即抗拉強度隨著負溫度的增高而降低，并決定于凍土的成分、含水量及構造等。 根據(jù)文獻表明，試樣為圓柱形，兩頭被固定在上下兩個內壁面的金屬夾中，工作段高 100mm，直徑為 ，實驗表明拉伸的一個重要特點是脆性，變形不是很大就已經(jīng)破壞。其斷裂呈典型的脆性破壞形式，無頸縮現(xiàn)象。 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）。 式樣凍到所需要的程度，然后維持 48 小時后，進行劈裂實驗。在實驗過程中均聽到 “啪 ”的聲響，然后進行壓力機指針回轉，分別記下破壞荷載值，根據(jù)公式計算抗拉強度。進行數(shù)據(jù)線性回歸，凍結粘土： || tt ??? ，相關系數(shù)： ?R ；凍結沙土： || tt ??? ，相關系數(shù) ?R 。 從實驗的結果可以看出： （ 1）采用劈裂法實驗可以消除微裂隙和其他缺陷影響。 （ 2）凍土的抗拉強度隨負溫度的下降而增大，且在同一溫度下，凍結粘土的抗拉強度是砂土抗拉強度的 ～ 倍。 （ 3）劈裂法不但有拉應力還有壓應力作用，而試件屬于受拉破