【正文】 會放出結晶潛熱，使溫度迅速上升。 （ 5）凍土繼續(xù)冷 卻段：隨著溫度的降低，凍土強度逐漸提高。 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。 在凍土的形成過程中，往往伴隨著水的過冷現象和水分遷移。開始結冰后，這種現象就不再發(fā)生或不明顯。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。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。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。 地下水對凍土影響 土粒與水的相互作用 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。 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。 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）。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。前兩者是結合水，密度增大，冰點降低。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。 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。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。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。當地層含鹽或受到鹽水 侵害時都會降低結冰的冰點，其程度與溶解物質的數量成正比例關系。水的冰點降低常數為 ； g——在 1kg 溶劑中所溶解物質的克數； M ——被溶解物質的分子量； a——溶液冰點降低的修正系數。 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。 20 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 +CaO10H2O 硫酸銅 CuSO4 135 － 冰 +CuSO410H2O 硝酸鉀 KNO3 126 － 冰 +KNO3 硫酸鎂 MgSO4 120 197 － 冰 +MgSO47H2O 氯化鉀 KCl 246 － 冰 +KCl 氯化銨 NH4Cl 245 － 冰 +NH4Cl 硝酸銨 NO3NH4 80 747 － 冰 +NO3NH4 硫酸銨 （ NH4） 2SO4 132 663 － 冰 +（ NH4） 2SO4 氯化鈉 NaCl 290 － 冰 +NaCl5H2O 硝酸鋅 Zn（ NO3） 2 650 － 冰 +Zn（ NO3） 212H2O 氯化銅 CuCl2 592 － 冰 +CuCl23H2O 氯化鈣 CaCl2 111 427 － 冰 +CaCl26H2O 硫酸 H2SO4 612 － 冰 +H2SO4H 2O 21 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 － Na2S2O3 30 － KCl － KCl +KNO3 19/ － NH4Cl － NO3NH4 － NaNO3 37 － 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。 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。如圖 23 所示， A 和 B 兩點間的高度差（ 21 HHh ?? ）造成了水壓，在水壓作用之下 ，水就從 AA1點流向 BB1點。 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。 （ 2）滲透系數 各種巖石滲透系數見表 28 所示。根據土的成分與孔隙率計算滲透系數公式為： )(1010 tcdk ?? 式中： 10k ——當溫度為 10℃ 時的滲 透系數（ m/d）； c——經驗系數，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； 10d ——有效粒徑，小于這種直徑的顆粒在土中占 10%（ mm）； t——滲透水的溫度（ ℃ ）。 24 表 29 土的滲透系數參考值 土的名稱 滲透系數（ 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～ 50 20～ 50 均質粗砂 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 中國建筑工業(yè)出版社出版； ② 杰尼索夫著。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。同時在較短時間內壓力梯度仍然可能提高。 在河床或水池中凍結巖石時地下水可能產生較大的流速。 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。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。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。氨循環(huán) 氨循環(huán)的制冷過程實際上是熱工轉換過程。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保芏鴱褪?，構成氨循環(huán) 。氨 循環(huán)系統由鹽水箱、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。凍結器由凍結管、供液管和回液管組成。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℃。上述鹽水循環(huán)系統稱為閉路鹽水循環(huán)系統（集中回液）。這種開放式鹽水循環(huán)用管量大，較閉路就循環(huán)復雜。 冷卻水循環(huán) 冷卻水循環(huán)由水泵驅動。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)。 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)。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。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。 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。 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)。地層中溫度曲線呈對數曲線分布。土的凍結速度越快，凍土強度越高。 凍脹和融沉效 應 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。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。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方程表示 ，如圖 31 所示?；旧鲜请S時間及溫度變化。在工程應用中根據凍土結構設計目的有相應的設計方法和標準。 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。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。瞬時強度比 持久 強度要大許多，負溫值越高，兩者相差越大。 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。 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——根據土的空隙率和溫度選取的系數； 30 t—凍結土的溫度（ ℃ ） 溫度是控制凍土強度的主要因素 。當負溫度值不太大時 ，溫度對強度的影響較明顯。 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。在粗砂、砂粒和礫石中顆粒大，幾乎沒有結合水。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。 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。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 。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。 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。 前蘇聯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。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。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?？估瓘姸缺瓤箟簭姸刃?50%～ 80%。 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。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。 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。 根據文獻表明，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破壞。 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）。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，根據公式計算抗拉強度。 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。 （ 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