【導(dǎo)讀】現(xiàn)狀及凍脹融沉機(jī)理及試驗(yàn)研究。接下來介紹了人工凍土的分類和構(gòu)造以，及地。下水對(duì)凍土形成的影響。在凍土形成的過程中，物理力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了很大的變?；谑窃谖闹羞M(jìn)一步研究了凍土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。人工凍結(jié)法的原理、設(shè)計(jì)以及凍結(jié)壁形成過程中溫度場(chǎng)的變化。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挖過程對(duì)人工凍結(jié)法進(jìn)行闡述。用，進(jìn)行了深一步的了解。

　　

【正文】 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(huì)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) 25 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(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。當(dāng)?shù)氐叵滤魉俪^一定限度時(shí)就會(huì)對(duì)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(duì)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(dòng)，如水位觀測(cè)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。 26 第三章 人工凍結(jié)法原理及其力學(xué)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)。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?，周而?fù)始，構(gòu)成氨循環(huán) 。 鹽水循環(huán) 鹽水循環(huán)以泵為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)。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℃。 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)。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(duì)地下水水流速度和水中的鹽分有一定的要求，因?yàn)樗?中鹽分過高，會(huì)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(huì)影響凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。 溫度場(chǎng)和凍結(jié)速度 凍結(jié)地層的溫度場(chǎng) 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(tái)，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(duì)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(dòng)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) 28 雜，一般按凍結(jié)過程中測(cè)溫孔觀測(cè)到的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式推算。 凍脹和融沉效 應(yīng) 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(huì)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(dòng)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。 人工凍土的力學(xué)參數(shù) 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?。? 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。 miA??? 圖 31 凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線（ t=－ 10℃ ） 29 式中： ? ——應(yīng)力（ MPa）； ?—— 應(yīng)變（ %）； iA ——稱為可變模量（ MPa）， 為隨時(shí)間和溫度變化的參數(shù)； m——為強(qiáng)化系數(shù)?；旧鲜请S時(shí)間及溫度變化。 凍土強(qiáng)度 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)。凍結(jié)壁的形成是在外力作用下，達(dá)到一定強(qiáng)度的，因而比實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的凍土試樣強(qiáng)度大，而且凍結(jié)壁是三向受力狀態(tài)，這些在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)考慮到 。 單軸抗壓強(qiáng)度 凍土極限抗壓強(qiáng)度 )(MPac? ，按下列方程式確定（在一定的負(fù)溫范圍內(nèi)）： 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(jié)土的溫度（ ℃ ） 溫度是控制凍土強(qiáng)度的主要因素 。 無論是砂土、砂礫石土、還是粘性土，其抗壓強(qiáng)度都隨溫度的降低而增大 ， 主要是因?yàn)闇囟冉档蛯?dǎo)致凍土中未凍水含量減少，相對(duì)含冰量增加，使巖土顆粒間的膠結(jié)力增加 。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。然而，隨著負(fù)溫的增加，強(qiáng)度的增長逐漸變緩，所以，強(qiáng)度并非隨溫度下降呈線性增長。 土質(zhì)是影響凍土抗壓強(qiáng)度的重要因素之一 實(shí)驗(yàn)表明，在其它條件相同時(shí)，土顆粒越粗，凍土強(qiáng)度越高，反之，越低。這是因?yàn)榻Y(jié)合水的含量與土的顆粒大小有關(guān)。在粗砂、砂粒和礫石中顆粒大，幾乎沒有結(jié)合水。負(fù)溫值剛超過 0℃ ，空隙水便全部凍結(jié)，所以強(qiáng)度高。相反，粘土類土的顆粒很細(xì)，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(jié)，薄膜水只有部分凍結(jié)，所以，在同一負(fù)溫下小顆粒土中保存有較多的未凍水，從 而使強(qiáng)度降低。 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。 土中含水量未達(dá)到飽和時(shí)，凍土強(qiáng)度隨著含水率增加而增高；一旦達(dá)到飽和后，含水量再增加時(shí)，凍土強(qiáng)度反而會(huì)降低。當(dāng)含水量大大超過飽和含水率時(shí)，凍土強(qiáng)度就降低到接近冰的強(qiáng)度 ，此時(shí)含水量增加時(shí)，凍土抗壓強(qiáng)度反而降低 。 凍結(jié)速度對(duì)凍土強(qiáng)度的影響 凍結(jié)速度快，凍土中的細(xì)粒冰就多，呈六面晶體結(jié)構(gòu)，凍土強(qiáng)度就高。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。為了加快積極凍結(jié)速度可盡量降低鹽水溫 度或縮小凍結(jié)孔間距，以加速凍結(jié)壁形成 。 近年來隨著科學(xué)的發(fā)展，國內(nèi)外也有許多新的方法來計(jì)算飽和凍砂土的極限抗壓強(qiáng)度。例如我國中國科學(xué)院蘭州凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)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(yàn)常數(shù)。 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。 單軸抗拉強(qiáng)度 凍土的抗拉強(qiáng)度是指凍土所能承受的最大拉應(yīng)力。影響凍 土抗拉強(qiáng)度的因素和影響凍土抗壓強(qiáng)度的因素基本相同，可是抗拉伸蠕變也有其重要特點(diǎn)。 其中首先是破壞性質(zhì)，如果壓縮試驗(yàn)中既能發(fā)生脆性破壞，也可能發(fā)生延性破壞。對(duì)凍土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，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(shí)間很短，事先很難發(fā)現(xiàn)，也不好做相應(yīng)的準(zhǔn)備，因此按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)采用的指標(biāo)一般要提高一級(jí)，增加大約 ?？估瓘?qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小 50%～ 80%。瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度比長期抗拉強(qiáng)度要高出 12～ 16 倍，凍結(jié)黏性土的長期抗拉強(qiáng)度大于凍結(jié)砂土的長期抗拉強(qiáng)度，這是因?yàn)樵?壓縮時(shí)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(shí)其距離增加，從而接觸數(shù)量減少。 近些年，國外的一些學(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。例如日本學(xué)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(yàn)方法容易受到一些細(xì)小裂紋和別的缺陷的影響。 實(shí)驗(yàn)表明，凍土的抗拉強(qiáng)度明顯小于其抗壓強(qiáng)度，凍結(jié)黏土的長期抗拉強(qiáng)度大于 凍結(jié)砂土的長期抗拉強(qiáng)度。 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。凍土的抗拉強(qiáng)度服從于抗壓強(qiáng)度相同的規(guī)律，即抗拉強(qiáng)度隨著負(fù)溫度的增高而降低，并決定于凍土的成分、含水量及構(gòu)造等。 根據(jù)文獻(xiàn)表明，試樣為圓柱形，兩頭被固定在上下兩個(gè)內(nèi)壁面的金屬夾中，工作段高 100mm，直徑為 ，實(shí)驗(yàn)表明拉伸的一個(gè)重要特點(diǎn)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(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）。 式樣凍到所需要的程度，然后維持 48 小時(shí)后，進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中均聽到 “啪 ”的聲響，然后進(jìn)行壓力機(jī)指針回轉(zhuǎn)，分別記下破壞荷載值，根據(jù)公式計(jì)算抗拉強(qiáng)度。進(jìn)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 。 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。 （ 2）凍土的抗拉強(qiáng)度隨負(fù)溫度的下降而增大，且在同一溫度下，凍結(jié)粘土的抗拉強(qiáng)度是砂土抗拉強(qiáng)度的 ～ 倍。 （ 3）劈裂法不但有拉應(yīng)力還有壓應(yīng)力作用，而試件屬于受拉破