【正文】 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。 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）。 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。 近些年，國(guó)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。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。 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。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。 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。在粗砂、砂粒和礫石中顆粒大，幾乎沒有結(jié)合水。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。 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)。二是凍土的持久強(qiáng)度（或稱長(zhǎng)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。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)。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。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。土的凍結(jié)速度越快，凍土強(qiáng)度越高。 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)。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。 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)。 冷卻水循環(huán) 冷卻水循環(huán)由水泵驅(qū)動(dòng)。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）。凍結(jié)器由凍結(jié)管、供液管和回液管組成。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) 。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(zhǎng)了凍結(jié)壁的交圈時(shí)間。 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。同時(shí)在較短時(shí)間內(nèi)壓力梯度仍然可能提高。 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(cè) 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～ 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(guó)建筑工業(yè)出版社出版； ② 杰尼索夫著。 （ 2）滲透系數(shù) 各種巖石滲透系數(shù)見表 28 所示。如圖 23 所示， A 和 B 兩點(diǎn)間的高度差（ 21 HHh ?? ）造成了水壓，在水壓作用之下 ，水就從 AA1點(diǎn)流向 BB1點(diǎn)。H 2O 21 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 － Na2S2O3 30 － KCl － KCl +KNO3 19/ － NH4Cl － NO3NH4 － NaNO3 37 － NaNO3 +KNO3 / － — NaCl － 水的動(dòng)態(tài)對(duì)凍結(jié)的影響 土中水流速對(duì)土的凍結(jié)速度有較大影響，所有的地下水都是在流動(dòng)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。3H2O 氯化鈣 CaCl2 111 427 － 冰 +CaCl25H2O 硝酸鋅 Zn（ NO3） 2 650 － 冰 +Zn（ NO3） 210H2O 硝酸鉀 KNO3 126 － 冰 +KNO3 硫酸鎂 MgSO4 120 197 － 冰 +MgSO4 20 表 26 常見的幾種水溶液的低融冰鹽共晶點(diǎn)及其成分 可溶物質(zhì) 分子量 可溶物質(zhì)在水中的含量（ g/L） 低融冰鹽共晶點(diǎn)（ ℃ ） 低融冰鹽 共晶點(diǎn)的成分 名稱 化學(xué)方程式 氧化鈣 CaO － 冰 +CaO水的冰點(diǎn)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(diǎn)降低的修正系數(shù)。例如，在同樣負(fù)溫度和相同含水量的情況下，凍結(jié)砂的強(qiáng)度比凍結(jié)黏土的強(qiáng)度高，這是因?yàn)樯皩又械乃畮缀跞拷Y(jié)成冰，冰把砂礫牢牢地膠結(jié)在一起，而粘土中則存在相當(dāng)多的未凍水，土粒膠結(jié)程度差。 薄膜水的顯著特點(diǎn)是能直接從一個(gè)土顆粒表面遷移到另一個(gè)土粒表面，這種移動(dòng)是緩慢的，而且只能從厚膜向薄膜移動(dòng)。前兩者是結(jié)合水，密度增大，冰點(diǎn)降低。 離土顆粒稍遠(yuǎn)靜電引力越小，水分子自由活動(dòng)能力增大，這部分水稱為弱結(jié)合水（薄膜水）。 地下水對(duì)凍土影響 土粒與水的相互作用 凍土形成的過程，實(shí)際上是土中的水結(jié)冰并膠結(jié)固體顆粒的過程。而相鄰的水分子又不斷向薄膜補(bǔ)充，這樣依次傳遞就形成了凍結(jié)時(shí)水分子向凍結(jié)面的遷移。開始結(jié)冰后，這種現(xiàn)象就不再發(fā)生或不明顯。 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。 （ 3）溫度突變階段：水過冷以后，一旦開始結(jié)晶，就會(huì)放出結(jié)晶潛熱，使溫度迅速上升。 ① 融化后水土分離 現(xiàn) 象及 其明顯 ，并呈流動(dòng)體。 ② 分布在低洼積水地帶，植被以塔頭、苔蘚、灌叢為主。 ② 細(xì)顆粒土凍結(jié)，凍土互層。 ③ 融化后產(chǎn)生融沉現(xiàn)象。 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 有少量水分滲出。 ② 多分布在沖 —洪積扇及階地其他地帶，地被物較茂密。 ① 融化后原土結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生變化。 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。 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）。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。 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 萬平方公里。凍土可分為天然凍土和人工凍土。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。 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)及融化過程土中結(jié)構(gòu)切向受力的變化。 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。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。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。 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)過程中的水流 和溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)。 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。 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。 日本東京環(huán) 7 線盾構(gòu)出洞的凍結(jié)施工中采用壓力釋放孔使凍結(jié)壓力降低40%。由于缺乏凍結(jié)壁溫度場(chǎng)和凍土凍脹對(duì)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(yīng)用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。從而在預(yù)期要開挖的場(chǎng)地外圍構(gòu)筑起穩(wěn)定且不透水的凍結(jié)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到維護(hù)開挖面周圍土體穩(wěn)定，抵抗周圍水土壓力、防止地下水侵入的目的，其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時(shí)改變巖土的狀態(tài)以固結(jié)地層。 在我國(guó)煤礦豎井開鑿中得到廣泛應(yīng)用的人工凍結(jié)法與這些方法相比，具有隔水性能好、強(qiáng)度高、整體支護(hù)性能好、土體可復(fù)原、不污染環(huán)境、凍結(jié)結(jié)構(gòu)物的性狀和擴(kuò)展范圍可控等優(yōu)點(diǎn)。 我國(guó)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。 本世紀(jì)是大力建設(shè)地下工程的世紀(jì)，也是我國(guó)地下空間開發(fā)利用的高潮時(shí)期。發(fā)展和使用較晚的人工土凍結(jié)方法有直接制冷法，即不循環(huán)制冷，例如使用液氮或干冰等物質(zhì)，使它們?cè)谕馏w內(nèi)發(fā)生相變，直接作為冷媒吸收土體熱量，使土體降溫，土中水分凍結(jié)，形成凍土體。 在飽和含水軟弱地層中，在剛建好的兩條區(qū)間隧道再建通道、泵站，雖然可以借鑒上海地鐵一號(hào)線區(qū)間隧道旁通道施工經(jīng)驗(yàn)，但由于國(guó)內(nèi)沒有相應(yīng)的人工土凍結(jié)法施工規(guī)范，所以凍結(jié)法作為一種輔助施工工法，其實(shí)施的可行性、安全可靠度、施工速度、工程造價(jià)等多方面都面臨考驗(yàn)。專家預(yù)測(cè) 21 世紀(jì)是建設(shè)地下工程的世紀(jì)。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。 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)生了很大的變化，于是在文中進(jìn)一步研究了凍土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。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(duì)人工凍結(jié)發(fā)法在實(shí)際工程中的 應(yīng)用，進(jìn)行了深一步的了解。各種地下工程如礦山工程、深基礎(chǔ)建筑及地下室、城市地鐵和河底、海底及穿山隧道等正在興建中，并且呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，與之俱來的基坑壁的支護(hù)、隔水等問題也變得越來越突出，尤其是在惡劣的地質(zhì)、水文條件以及苛刻的周圍環(huán)境下。如何保證工程及周圍環(huán)境的安全，采用何種施工技術(shù)，如何確定合理的凍結(jié)參數(shù)并降低造價(jià)等 ，具有很大的意義。采用人工制冷加固（凍結(jié)法），可以使土體中的大部分水 結(jié)冰，這不僅提高了土的強(qiáng)度，增強(qiáng)了土體的穩(wěn)定性和整體性，而且可以達(dá)到其他止水方法所無法比擬的隔水性能；同時(shí)隨著地層開挖深度的增加，凍結(jié)法施工更具有