【正文】 24在凍結管開始凍結后，凍結管中的低溫鹽水流動與其周圍地層進行熱交換，土體溫度不斷降低，當溫度降到土的凍結溫度時，土體內的水發(fā)生相變，由液態(tài)水變成冰，此時融土變?yōu)閮鐾痢?30s2924h225d21－15℃177。）－10℃177。內摩擦角降低較緩慢。見表32所列，黏結力急劇降低衰減是在4h以內，24h以后衰減則很緩慢。對于凍結黏土的抗剪強度仍需要繼續(xù)試驗。式中： ——試驗常數(shù)，對于淮南中砂，； ——凍土溫度（℃）； ——試驗系數(shù)，對于淮南中砂——試驗常數(shù)。凍土的抗剪強度隨著土溫的降低而增大。如圖32所示為凍土抗剪強度與抗壓強度的關系。隨著凍土上荷載的作用時間增長，凍土中的冰特別是礦物顆粒接觸點的冰，產生緩慢塑流而具有流變性，從而導致凍土強度隨荷載作用持續(xù)時間的增長而降低。 （3）劈裂法不但有拉應力還有壓應力作用，而試件屬于受拉破壞，并聽到響聲，屬于脆性破壞。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。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。凍土的抗拉強度按下算式計算：式中——凍土的抗拉強度（Mpa）；——破壞荷載（kN）；——式樣直徑（mm）；——式樣厚度（mm）。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，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破壞。當凍結黏土在－℃～－10℃下快速拉斷時，～?！?，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。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?？估瓘姸缺瓤箟簭姸刃?0%～80%。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。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。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：或者 式中：——凍土的抗壓強度（MPa）； ——凍土溫度（℃），取負溫度絕對值。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。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。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。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。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。在粗砂、砂粒和礫石中顆粒大，幾乎沒有結合水。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。當負溫度值不太大時，溫度對強度的影響較明顯。凍土極限抗壓強度，按下列方程式確定（在一定的負溫范圍內）：中砂 粉砂和粗砂 式中C1和C2——根據(jù)土的空隙率和溫度選取的系數(shù)； t—凍結土的溫度（℃） 溫度是控制凍土強度的主要因素。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。瞬時強度比持久強度要大許多，負溫值越高，兩者相差越大。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。 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。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?；旧鲜请S時間及溫度變化。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。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。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。 土的冷卻使土體中產生一定的溫度梯度，使土中的水流向土的冷卻部分。土的凍結速度越快，凍土強度越高。地層中溫度曲線呈對數(shù)曲線分布。 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)。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。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。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。 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)。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)。冷卻水循環(huán) 冷卻水循環(huán)由水泵驅動。這種開放式鹽水循環(huán)用管量大，較閉路就循環(huán)復雜。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）。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℃。凍結器由凍結管、供液管和回液管組成。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。液態(tài)氨經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)。氨循環(huán) 氨循環(huán)的制冷過程實際上是熱工轉換過程。當井筒穿過的各含水層之間產生縱向流動，如水位觀測孔穿過的各個含水層之間“串水”或產生“暗流”延長了凍結壁的交圈時間。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。 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。在河床或水池中凍結巖石時地下水可能產生較大的流速。同時在較短時間內壓力梯度仍然可能提高。因此除礫石層外，在自然條件下的粒狀巖層中的地下水，對于人工凍結巖石來說，是不會發(fā)生困難的。表29土的滲透系數(shù)參考值土的名稱滲透系數(shù)（m/d）工程地質手冊①工程地質學②黏土＜亞黏土～＜輕亞黏土～～5（亞砂土）黃土～～粉砂～～細砂～～中砂～20～20均質中砂35～50粗砂20～5020～50均質粗砂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。根據(jù)土的成分與孔隙率計算滲透系數(shù)公式為：式中：——當溫度為10℃時的滲透系數(shù)（m/d）； ——經驗系數(shù)，范圍在400～1200，隨著粒徑組成而定，一般黏土質砂 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（℃）。（2）滲透系數(shù)各種巖石滲透系數(shù)見表28所示。土中水的性態(tài)與土質結構有關，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和固結狀況，較為復雜。如圖23所示，A和B兩點間的高度差（）造成了水壓，在水壓作用之下，水就從AA1點流向BB1點。地下水的運動類型可分為兩類：一是自然條件所引起的流動；二是人為原因所引起的流動。H2O表27低融溶液的主要物理性質低融水溶液的化學方程式溶液的成分（%）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）結冰時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)對凍結的影響土中水流速對土的凍結速度有較大影響，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，所以在進行人工凍結工程的計算時可不考慮。6H2O硫酸H2SO4612－冰+H2SO43H2O氯化鈣CaCl2111427－冰+CaCl212H2O氯化銅CuCl2592－冰+CuCl25H2O硝酸鋅Zn（NO3）2650－冰+Zn（NO3）27H2O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+NaCl10H2O硝酸鉀KNO3126－冰+KNO3硫酸鎂MgSO4120197－冰+MgSO410H2O硫酸銅CuSO4135－冰+CuSO4表26常見的幾種水溶液的低融冰鹽共晶點及其成分可溶物質分子量可溶物質在水中的含量（g/L）低融冰鹽共晶點（℃）低融冰鹽共晶點的成分名稱化學方程式氧化鈣CaO－冰+CaO鹽水溶液溶液在一定的濃度和溫度下凝結成一種均勻的物體時，這種鹽水鹽溶液的濃度和溫度稱為低融冰鹽共晶點。； ——在1kg溶劑中所溶解物質的克數(shù)； ——被溶解物質的分子量； ——溶液冰點降低的修正系數(shù)。當?shù)貙雍}或受到鹽水侵害時都會降低結冰的冰點，其程度與溶解物質的數(shù)量成正比例關系。例如，在同樣負溫度和相同含水量的情況下，凍結砂的強度比凍結黏土的強度高，這是因為砂層中的水幾乎全部結成冰，冰把砂礫牢牢地膠結在一起，而粘土中則存在相當多的未凍水，土粒膠結程度差。人工凍結法主要是凍結自由水，它的含量多少直接影響著冷量的消耗量、凍結速度和凍土強度。薄膜水的顯著特點是能直接從一個土顆粒表面遷移到另一個土粒表面，這種移動是緩慢的，而且只能從厚膜向薄膜移動。薄膜水的比重也大于1，冰點也低于0℃，一般在－20℃～－30℃時才全部凍結。前兩者是結合水，密度增大，冰點降低。更遠的水則完全受重力場控制，形成重力水（自由水），也就是普通的液態(tài)水。離土顆粒稍遠靜電引力越小，水分子自由活動能力增大，這部分水稱為弱結合水（薄膜水）。土顆粒表面帶負電荷，當水接近它時，就在這種靜電的引力作用下產生極化，使靠近土顆粒表面的水分子失去自由活動的能力而整齊、緊密的排列起來，如圖22 a、b、c所示。凍土形成的過程，實際上是土中的水結冰并膠結固體顆粒的過程。水結冰后體積增大9%，當這種體積膨脹足以引起土顆粒間的相對位移時，就形成了凍土的凍脹，并產生膨脹力。而相鄰的水分子又不斷向薄膜補充，這樣依次傳遞就形成了凍結時水分子向凍結面的遷移。由于土粒間彼此的距離很小，甚至互相接觸，所以相鄰兩個土粒的薄膜水就匯合在一起形成公共水化膜。開始結冰后，這種現(xiàn)象就不再發(fā)生或不明顯。在凍土的形成過程中，往往伴隨著水的過冷現(xiàn)象和水分遷移。開始凍結的溫度td稱為起始凍結溫度，它取決于水溶液的含鹽濃度，含鹽量越大起始凍結溫度越低。（5）凍土繼續(xù)冷卻段：隨著溫度的降低，凍土強度逐漸提高。（3）溫度突變階段：水過冷以后，一旦開始結晶，就會放出結晶潛熱，使溫度迅速上升。 實驗得出土中水結冰過程曲線如圖21所示，可以分為以下幾個階段：圖21 土中水凍結過程曲線（1） 冷卻段：向圖層傳遞冷量后，土層逐步降溫至水的冰點。①融化后水土分離現(xiàn)象及其明顯，并呈流動體。②冰體積大于土體積。②分布在低洼積水地帶，植被以塔頭、苔蘚、灌叢為主。①融化后土體積明顯縮小，水土界限分明，并可成流動狀態(tài)。②細顆粒土凍結，凍土互層。②一般分布在塔頭沼澤和低洼地帶。③融化后產生融沉現(xiàn)象。③凍結強度高很難擊碎①融化后土體積縮小。③有一定的水源補給條件④土壤濕度：很濕ωp+7＜ω＜ωp+15①粗顆粒土如礫石被冰分離，可見到較多并透鏡體。層狀（冰厚一般可達5~10mm）①巖性以粉砂土為主。②有少量水分滲出。②細顆粒土凍結，呈微層狀構造，可見薄冰層或薄透鏡體冰。②多分布在沖—洪積扇及階地其他地帶，地被物較茂密。③融化后不產生融沉現(xiàn)象。①融化后原土結構不產生變化。②細顆粒土凍結，呈整體狀。②一般分布在長草或有樹的階地和緩