【正文】 （ 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。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 。 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)。其斷裂呈典型的脆性破壞形式，無(wú)頸縮現(xiàn)象。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。 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(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度大于 凍結(jié)砂土的長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度。例如日本學(xué)者木下誠(chéng)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。瞬時(shí)抗拉強(qiáng)度比長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度要高出 12～ 16 倍，凍結(jié)黏性土的長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度大于凍結(jié)砂土的長(zhǎng)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。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 。 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。 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。例如我國(guó)中國(guó)科學(xué)院蘭州凍土工程國(guó)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)。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 。 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。 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。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。負(fù)溫值剛超過(guò) 0℃ ，空隙水便全部?jī)鼋Y(jié)，所以強(qiáng)度高。這是因?yàn)榻Y(jié)合水的含量與土的顆粒大小有關(guān)。然而，隨著負(fù)溫的增加，強(qiáng)度的增長(zhǎng)逐漸變緩，所以，強(qiáng)度并非隨溫度下降呈線性增長(zhǎng)。 無(wú)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 。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 。 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。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(zhǎng)而降低。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。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)。 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)。 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。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)。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)。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(guò)程中測(cè)溫孔觀測(cè)到的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式推算。 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。在靠近凍結(jié)管的周?chē)?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)。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(kāi)挖邊界。 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(guò)高，會(huì)降低水溶液的結(jié)冰溫度，而土中水流速度過(guò)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。 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(guò)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。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。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℃。通過(guò)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。鹽水管路應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行保溫處理。國(guó)外還有一種開(kāi)路回液鹽水循環(huán)，其主要特點(diǎn)是無(wú)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。蒸發(fā)器中的氨的蒸發(fā)溫度與其周?chē)柠}水溫度相差 5 到 7℃。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。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。 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)在制冷過(guò)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(guò)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(guò)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。 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)。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)?shù)氐叵滤魉俪^(guò)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。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。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(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。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。 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(dòng)態(tài)地下水可以順利的被凍結(jié)住。 《 建井工程手冊(cè) 》 （ 第四版 ）給出了土的滲透系數(shù)參考值，見(jiàn)表 29 所示。 表 28 各種巖石滲透系數(shù) 巖石名稱 滲透系數(shù) k cm/s m/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 ～ 1 432～ 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(dòng)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。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 23 抽水試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。 圖 23 地下水流動(dòng)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： kiLhku ?? 式中： u ——地下水流動(dòng)速度（ m/d）； L——產(chǎn)生最大水頭的水平距離（ m）； h——水壓頭（ m）； k——巖石的滲透系數(shù)，對(duì)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(guò)巖層時(shí)的流速，即 1?i 時(shí)等于通過(guò)巖層的流速（ m/d）； i——水力坡度或稱壓力梯度， Lhi /? 。 22 （ 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(huì)在重力的作用下發(fā)生流動(dòng)。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。4H2O 氨 NH3 469 － 冰 +NH36H2O 三氯化 二鐵 Fe2Cl3 162 495 － 冰 +Fe2Cl32H2O 硝酸 HNO3 483 － 冰 +HNO39H2O 氯化鎂 MgCl2 95 259 － 冰 +MgCl22H2O 氫氧化鈉 NaOH 40 344 － 冰 +NaOHHNO3 溴化鈉 NaBr 103 676 － 冰 +NaBr12H2O 硫酸鋅 ZnSO4 372 － 冰 +ZnSO45H2O 碳酸鈉 Na2CO3 106 63 － 冰 +Na2CO3H2O 硫酸鈉 Na2SO4 142 40 － 冰 +Na2SO4常見(jiàn)的幾種水溶液的低融冰鹽共晶點(diǎn)和物理性質(zhì)見(jiàn)表 2表 27 所列。由一價(jià)金屬和一元酸組成的鹽類稀溶液 α=2~，由二價(jià)金屬和二元酸組成的鹽類 α=3。 MkgaT ??0 式中： 0T? ——溶液冰點(diǎn)的降低度數(shù)（ ℃ ）； k——冰點(diǎn)降低常數(shù)，它的大小取決于溶劑，而不取決于溶解的物質(zhì)。 水質(zhì)與流速對(duì)巖土凍結(jié)影響 水質(zhì)對(duì)凍結(jié)的影響 19 水中含有一定的鹽分時(shí)，水溶液的結(jié)冰溫度就要降低。 18 圖 22 土粒和水相互作用示意圖 a：土粒周?chē)o電引力強(qiáng)度的變化； b：薄膜水由厚膜向薄膜移動(dòng)； c：水分子的雙極構(gòu)造； 1土粒； 2吸附水； 3薄膜水 凍土中未凍水的多少對(duì)凍土強(qiáng)度和熱物理性質(zhì)有極大的影響。自由水存在于土壤或巖石的裂隙中，它與普通水相同，服從重力定律，能傳遞靜水壓力，比重一般為 1，在一個(gè)大氣壓的冰點(diǎn)為 0℃ 。人工凍結(jié)法中，大部分薄膜水被凍結(jié)，未被凍結(jié)的水稱為未凍水。吸附水的厚度只有幾十個(gè)分子厚度，比重為 ~，冰點(diǎn)最低為 － 186℃ ，呈不流動(dòng)狀 態(tài)，它占土層中總含水量的 %~2%。 綜上所述，土中的水分可分為吸附水、薄膜水和自由水。再遠(yuǎn)的水分子主要是受重力場(chǎng)作用控制，形成毛細(xì)水。距土顆粒表面越近，靜電引力強(qiáng)度就越大，對(duì)水分子的吸附能力也越大，形成一種密度很大的水膜，稱為強(qiáng)結(jié)合水（吸附水）。土中水的結(jié)冰與純凈水的結(jié)冰有不同的特點(diǎn)，如凍土中存在未凍水，凍結(jié)后物理性質(zhì)有變化等，了解凍土的特點(diǎn)，必須首先了解土顆粒與水的相互作用。由于水分的遷移，變成冰的水量增多，土的凍脹量增大，從而水分的遷移使凍土的膨脹加劇。由于水分子引力的作用，變薄了的水膜也不斷地從自由水中吸取水分，使凍土中的水分增大。 17 凍結(jié)過(guò)程中增長(zhǎng)的冰晶不斷地從鄰近的水化膜中奪走水分，促使水化膜逐漸變薄。土層凍結(jié)時(shí)發(fā)生的水分向凍結(jié)面轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，稱為水分遷移。在結(jié)冰之前，若水中沒(méi)有結(jié)晶核，水溫低于 0℃ 時(shí)仍不結(jié)冰，而出現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象，過(guò)冷溫度的數(shù)值取決于冷卻工況，這種現(xiàn)象在溫度 梯度大時(shí)，水結(jié)冰的初期才會(huì)出現(xiàn)。一般在含稅豐富的砂礫層起始凍結(jié)溫度約為 0℃ ，亞砂土和黏土中約為 － ℃ 到 － ℃ 或者更低。 在凍土的的形成過(guò)程中，水變成冰的凍結(jié)段是重要的過(guò)程，他是使土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生 質(zhì)變的 過(guò)程 ， 消耗的冷量也是最多的。 （ 4）凍結(jié)段：溫度升至 0℃ 或其附近后穩(wěn)定下來(lái)，土體空隙中的水發(fā)生結(jié)冰過(guò)程，使土顆粒膠結(jié)形成凍土。 （ 2）過(guò)冷段：土體溫度降到 0℃ 以下，但是自由水仍未結(jié)冰，產(chǎn)生水的過(guò)冷現(xiàn)象。 ② 融化后產(chǎn)生融陷現(xiàn)象。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度很低，極易擊碎。 ③ 土壤濕度：超飽和 ω＞ ωp+35 ① 以中厚層狀構(gòu)造為主。 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。 ③ 凍結(jié)強(qiáng)度偏低，易擊碎。 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。 網(wǎng) 狀 構(gòu) 造 網(wǎng)狀（冰厚一般可達(dá)