（固体力学专业论文）人工多圈管冻结地层的水热力耦合研究及其冻结壁计算.pdf

摘要 摘要 本文在查询了大量的国内夕 相关文献的基础上，结合目前我国煤矿深厚表土地 层冻结法凿井的实际工程现状，提出了进行深厚表土地层人工多圈管冻结下，冻结 壁在形成过程中温度场、水分场和冻结应力场的耦合分析，并在考虑初始冻结应力 场和井筒开挖过程的条件下，对深井冻结壁的力学性态进行分析。其成果对我国深 厚表土地层人工多圈管冻结法凿并的理论发展与技术进步具有促进作用。 人工多圈管冻结地层过程中的温度场、水分场和冻胀应力场的耦合分析，影响 因素多、关系复杂，是一个多场耦合和非线性问题。本文采用理论分析、模型试验、 现场量测和数值模拟方法对问题进行了较为全面的研究。并获得如下主要成果： 进行了多圈管冻结土体过程的温度场、水分场和冻结应力场的模型试验研究， 获得了人工冻结地层的温度场、水分场和冻结应力场之间的关系及其随冻结时间的 变化规律。证明了冻结温度梯度是引起水分迁移和形成冻结应力场的根源。 冻土是一种蠕变特性明显的材料，通过冻土三轴蠕变试验，获得了高应力下冻 土的蠕变特性。认为冻土服从d - p 屈服准则，并采用非线性牛顿体替代西源模型中 的线性牛顿体，从而提出了改进的西源模型，并在a d i n a 软件平台上开发了此模型 计算程序。通过比较表明了改进的西源模型，更符合高应力下冻土的蠕变特征。 通过研究获得了冻结温度场的形成和发展规律、冻结水分场的迁移和冻胀应力 的形成特性，以及耦合作用下三场之间的关系。建立了温度梯度影响下，冻结水分 场的迁移模型。对比表明了数值模拟与模型试验有较好的对应关系。并得到了顾北 煤矿风井井筒冻结法凿井实测数据的验证。 对顾北煤矿风井进行了深井冻结压力和孔隙水压力的量测，获得了实际工程中 的冻结压力和孔隙水压力的变化规律以及与冻结温度的关系；获得了深井多圈管冻 结条件下，冻结壁形成性状以及不同区域中冻土的扩展速度和冻结温度的分布特征。 提高了对深井冻结及其冻结壁复杂性的认识。 进行了深井冻结壁开挖过程的力学性能计算和分析。比较了考虑初始冻结应力 和不考虑冻结应力状况下，冻结壁的力学性能差异，进一步掌握了深井冻结壁的力 学特性，对深井冻结壁设计与优化和防止冻结管断裂具有重要的参考意义。 关键词：深冻结井，三场耦合，模型试验，现场实测，数值模拟，冻结壁的力 学性能分析 a b s t r a c t w i t hc o n s u l t i n gt h el i t e r a t u r eo fd o m e s t i ca n do v e r s e a sa n dc o n s i d e r i n g p r a c t i c a le n g i n e r r i n gc o n d i t i o n so ft 1 1 ed e 印s h a f tc o n s t r u c t e db yf r e e z i n g p r o c e s si nc h i n e s ec o l l i e r i e s ，a na n a l y s i so fc o u p l i n gt h et e m p e r a t r u e ，m o i s t e r a n ds t r e s sf i e l d sd u r i n gf r e e z i n gw a l lf o r m i n gi nt h i c ko v e r b u r d e nb yu s i n g m u l t i f r e e z i n g t u b e - c y c l e si sp r e s e n t e d e x e p tt h et e m p e r a t u r ea n i s o t r o p yo f f r e e z i n gw a l l ，w h i c hi sp r o p o s e df i r s t l y , t h es t r e n g t ha n s o t r o p yo ff r e e z i n g g r o u n dd u et om o i s t e rt r a n s f e r i n gi sc o n s i d e r e d 1 1 1 em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f f r e e z i n gw a l li nc o n d i t i o no ft h r e ef i e l dc o u p l i n ga r ea n a l y z e d t h er e s u l t s h a v ep r o m o t i o nr o l ef o rb o t ht e c h n i q u ep r o g r e s sa n dt h e o r yd e v e l o p m e n to f s h a f ts i n k i n gb ya r t i f i c i a lf r e e z i n gp r o c e s sw i t hm u l t i f r e e z i n g - t u b e c y c l e si n c h i n e s et h i c ko v e r b u r d e n d u r i n gt h ec o u p l i n ga n a l y s i so ft e m p e r a t u r e ，m o i s t e ra n df r e e z i n gs t r e s s f i e l d si nf r e e z i n gg r o u db yu s i n gm u l t i - f r e e z i n g t u b ec y d e s ，al o to ff a c t o r s s h o u l db ec o n s i d e r e d ，i n c l u d i n gm u l t i - f i e l d sa n dh i g hn o n l i n e a r i t y t h e i r r e l a t i o n sa r ec o m p l i c a t e d t h ep r o b l e m sa r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，m o d e le x p e r i m e n t ，i n s i t em e a s u r e m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n ta n do b t a i n e di m p o r t a n tc o n l u s i o n si nt h ep r e s e n tc o u r s ea r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t h em o d e le x p e r i m e n t so ff r e e z i n gp r o c e s sw i t hm u l t i f r e e z i n g - t u b e c y c l e s a r ec o n d u c t e d t h er e g u l a t i o no fv a r i a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d m o i s t e rf i e l da n df r e e z i n gs t r e s sf i e l dw i t hf r e e z i n gt i m ei so b t a i n e d i ti s p r o v e dt h a tt h et e r m p e r a t u r eg r a d i e n ti st h es o u r c eo fv a r i a t i o no fm o i s t e r f i e l da n df r e e z i n gs t r e s sf i e l d t h ef r e e z i n gg r o u n di sam a t e r i a lw i t ho b v i o u sc r e e pb e h a v i o u r t h e f r e e z i n gg r o u n dc r e e pp r o p e r t i e sa r eo b t a i n dt h r o u g ht r i a x i st e s t so ff r e e z i n g g r o u n dc r e e p a n dt h em o d i f i c a t i o no fx i y u a nm o d e li s p r o p o s e d i t i s c o n s i d e r e dt h a tt h ef r e e z i n gg r o u n di sd - pm a t e r i a la n dt h e1 i n e a rn e w t o n a n s o l i di ss u b s t i t u t e dw i t hn o n - l i n e a rn e w t o n i a ns o l i d t h em o d i f i e dx i y u a n m o d e li sa v a i l a b l ef o rf r e e z i n gc r e e pp r o p e r t yd u et oh i g hs t r e s s f u r t h e r m o r e ， ! 望竺兰垫查叁兰! 堕堡堂苎竺墨! 全苎苎苎篁堡丝垫墨竺查苎! 苎全! 垄墨堡竺兰苎苎 am o d i f i e dx i y u a nm o d e lp r o g r a m m ei sd e v e l o p e do nt h eb a s i sa d i n a p l a n t a b l e t h em o d e lo ff r e e z i n gm o i s t e rt r a n s f e r i n gu n d e rt h e i n f i u e n c eo f t e m p e r a t u r eg r a d i e n ti se s t a b l i s h e d t h ec h a r a c t e r so ft e m p e r a t u r ef i e l d s f o r m i n ga n dd e v e l o p m e n t ，f r e e z i n gm o i s t e r f i e l d t r a n s f e r i n g ，f o r m i n g f r e e z i n gs t r e s sa sw e l la st h ec o u p l i n gr e l a t i o no f t h et h r e ef i e l d sa l eo b t a i n e d t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n dm o d e l i n ge x p e r i m e n t sh a v eaf i n e c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n i t i sa l s o c e r t i f i c a t e db yt e m p e r a t u r ef i e l di n s i t u m e a s u r e m e n td u r i n ga i rs h a f ts i n k i n gi ng u b e ic o l l i e r y i n - s i t um e a s u r e m e n t so ft h ef r e e z i n gp r e s s u r ea n dp o r ew a t e rp r e s s u r ei s c o n d u c t e d t h ev a r i a t i o nr e g u l a t i o no ff r e e z i n gp r e s s u r ea n dp o r ew a t e r p r e s s u r ew i t hf r e e z i n gt e m p e r a t u r ea r ep r e s e n t e d ，t h ec h a r a c t e r so ff r e e z i n g w a l l sf o r m i n g ，d e v e l o p i n gv e l o c i t yo ft h ef r e e z i n gg r o u n di nd i f f e r e n ta r e a s a n df r e e z i n gt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n d e rt h em u l t i - f r e e z i n g - t u b e - c y c l e c o n d i t i o na r eo b t a i n e d t h eu n d e r s t a n d i n ga b o u td e e ps h a f ts i n k i n gb y f r e e z i n gp r o c e s s a n dt h e c o m p l i c a t e d c o u s t r u c t u r eo ff r e e z i n gw a l li s d e e p e n e d an u m e r i c a la n a l y s i so ft h ef r e e z i n gw a l ld u r i n gt h ep r o c e s so fd e e p s h a f ts i n k i n gi sc o n d u c t e d a n u m e r i c a la n a l y s i so ff r e e z i n gw a l lm e c h a n i c a l b e h a v i o u ri sc o n d u c t e db yc o m p a r i n gt h eb e h a v i o u rd i f f e r e n c eo ft h ef r e e z i n g w a l lw i t ha n dw i t h o u tc o n s i d e r a t i o no ff r e e z i n g w a l ls f o r m i n g t h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r sp r e s e n t e di n t h i ss t u d yh a v ei m p o r t a n tr e f e r e n c e s i g n i f i c a n c e f o rd e s i g n i n ga n do p t i m i z i n gf r e e z i n gw a l la sw e l la sf o r p r e v e n t i n gf r e e z i n gt u b eb r e a k a g e k e yw o r d s ：d e e ps h a f tc o n s t r u c e db yf r e e z i n gp r o c e s s ，t h r e ef i e l d sc o u p l i n g ， m o d e le x p e r i m e n t ，i n s i t um e a s u e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n a l y s i so f m e c h a n i c a lb e h a v o i ro ff r e e z i n gw a l l 第1 章蟠论 1 1 研究问题的提出 第1 章绪论 随着我国国民经济建设的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，对能源需求越 来越大。目前，我国能源仍有7 0 n 依赖于煤炭。据统计我国2 0 0 4 年原煤产量达到了 1 95 6 亿吨，比2 0 0 3 年净增2 亿吨，而专家估计我国煤炭的年需求量将达到2 8 亿吨 。可见，煤炭生产的缺口很大，建设一批新的大型、特大型矿井已是我国经济建 设和发展的必须。但在新井建设中，首先面临着井筒穿越深厚不稳定表土地层的技 术难题。尤其在山东、安徽、河南、河北等省，表土覆盖层较薄的煤田已经开采， 新建矿井的煤层都处于深厚表土地层的覆盖之下。例如淮南地区丁集矿5 3 0 m 、顾北 矿4 6 3 m 、板集矿5 8 0 m 、口孜东5 9 0 m 、展沟矿6 2 0 m 、口孜西矿6 8 0 m ；淮北的涡阳 矿区在4 1 0 m 以上；河南的薛湖矿井4 1 0 m 、程村矿4 3 0 m 、赵固矿5 2 2 m 、赵楼矿4 7 1 m ； 山东的济西矿4 5 8 m 、粱宝寺矿4 8 0 m 、龙圆矿5 6 77 m 、郭屯矿5 8 7 m ( 冻结深度7 0 2 m ) 、 万福矿井表土将达到7 0 0 m 等等1 2 1 2 。 目前，我国通过深厚表土地层的凿井方法主要有冻结法和钻井法。由于冻结法 施工适应性广、在施工过程中后续手段多、旌工速度快，因此，在工程中得到更多 的应用。对煤矿井筒施工来说，穿越表土地层深度的大小是反映井筒施工技术水平 高低的一个重要标志，冻结表土地层深度的大小又是反映冻结技术水平高低的一个 重要标志t 1 3 1 目前，各主要使用冻结法凿井国家的最大冻结深度如下：英国为9 3 0 m ， 加拿大9 1 5 m ，波兰7 2 5 m ，中国6 5 0 m ，比利时6 3 8 m ，德国6 2 8 m ，前苏联6 2 0 m ， 法国5 5 0 m ，荷兰3 3 8 m 。目前，我国已建成的井筒，最大冻结深度6 5 0 m ( 龙圃煤矿) ， 在建井筒最大冻结深度7 0 2 m ( 郭屯煤矿) 。我国己成为世界上采用冻结法凿井最多 的国家和冻结深度最大的国家之一。 人工冻结法凿井的基本原理：在井筒开挖以前，在井筒周围钻造圈或数圈钻 孔，并在钻孔内下放冻结管( 冻结器) ，利用人工制冷的方法，降低盐水( 冷媒剩) 温度，通过低温盐水在冻结管内循环吸收地层热量，使地层形成一个连续、封闭的 冻土结构冻结壁( 冻土墙) ，以抵抗地层的水土压力，隔绝地下水与井筒开挖工 作面的联系，在冻结壁的保护下进行井筒施工。冻结法的实质是将天然岩土中的水 冻结成冰，使天然岩土变成冻土，实现了可靠的隔水目的，从而大大提高了土体自 身的强度和稳定性“”。 深厚表地层冻结法凿井的技术核心是确保冻结壁的安全。为此，提高冻结壁 强度和稳定性，减小冻结壁的变形，防止冻结管断裂，是确保井筒施工安全的根本 措施。纵观我国冻结法凿井技术的发展，主要围绕着防止冻结管断裂问题，比如： 从防止冻结管断裂的内因上研究冻结造孔技术，防止冻结管偏斜过大，研究冻结管 材质、冻结管接头方式和接头的焊缝质量等；从外因上研究冻土的物理力学性能、 ! 望型兰苎查查兰堕堡兰堡堡圭：全兰多圈管冻结地层的水热力耦合研究皿冻站壁计算 冻结壁形成特性、冻结壁的强度及其设计计算方法、冻结壁的变形特性及其稳定性 以及与凿井施工工艺韵配合等。冻结管断裂造成工程经济损失是重大的、教训是惨 重的。目前我国冻结管断裂事故仍常有发生，比如近年来张北矿副井断管7 根、涡 北矿风井断管1 l 根、界沟矿主、副井断管4 根，最近顾北矿副井断管数量达到了3 6 根，占总冻结管数的一半等，五沟矿副井也发生了3 根断管。冻结法凿井中最严重 的工程事故是冻结管断裂，引起盐水泄漏，融化冻结壁，造成淹井事故，比如：+ 淮 南谢桥副井1 9 8 4 年当井筒掘到2 3 9 m 时，由于发生冻结管断裂盐水漏失融化冻结壁， 造成涌砂冒泥淹井事故，使建井工期推迟两年，直接经济损失1 0 0 0 多万元t 1 6 l o 历 史上，我国煤矿立井冻结法凿井工程，因冻结管断裂融化冻结壁造成淹井事故曾发 生过多起，比如临涣主井( 1 9 7 7 年) 、钱家营副井( 1 9 7 9 年) 、芦岭矿副井( 1 9 6 1 年) 、 东庞副井( 1 9 7 7 ) ；吕家坨矿副井( 1 9 6 0 年) t 1 5 1 0 冻结管断裂给工程安全带来了巨大 的威胁，同时带来了巨大的经济损失。 深厚表土冻结法凿井，表土地压大，要求冻结壁强度大、稳定性好，即要求增 大冻结壁厚度、提高冻土强度。根据目前的工程经验，表土深度2 5 0 4 5 0 m 时，冻 结壁设计厚度为4 7 0 m ，一般采用2 圈冻结管( 或主、辅管) 冻结方案；表土厚度 达到4 5 0 5 0 0 m 以上时，冻结壁设计厚度在7o m 以上，甚至达到l o r e 以上1 1 5 | 如 淮南丁集矿副井表土层厚度5 3 0 m ，冻结壁设计厚度1 1 2 mm 1 、顾北副井冻结壁设计 厚度9 6 m ，冻结管设计为3 圈布置( 如龙固矿、丁集矿和顾北矿等) ，甚至更多圈( 如 郭屯矿冻结管布置圈为似4 圈，为目前国内之最) 。随着冻结管布置圈数的增加，冻 结费用也大幅度地提高。顾北矿表土地层厚度4 6 3 m ，冻结深度5 0 0 m ，平均每米井 筒冻结费达到了1 3 万元，郭屯矿表土地层厚度5 8 0 m ，冻结深度7 0 2 m1 1 0 1 风井井 筒冻结费用达到1 1 亿元人民币，平均每米井筒冻结费用为1 5 7 万元。 深厚表土地层多圈管冻结下冻结壁的形成与单圈管冻结相比，至少在3 个方面 显示其复杂性：( 1 ) 冻结温度场计算的复杂性。多圈管冻结下温度场在井简的径向 和环向上进行温度的叠加，使传统的单管冻结圆柱温度场的计算模型不再适合。( 2 ) 冻结壁形成的特殊性。多圈管冻结设计中一般冻结管圈距2 o 3 o m ，大于同圈冻结 管间距1 2 18 m 。因此，冻结壁的形成过程应该为；同圈冻土圆柱先交圈，而后两 个冻结圈再交合，即处于相邻两个冻结圈径中间的土最后冻结。根据多圈管冻结下 冻结壁的这一形成特点和冻土在形成过程中的水分迁移特性，在分析深井多圈管冻 结下冻结壁的形成中应该重点考虑二个问题：a 相邻两冻结圈之间土的水分迁移( 含 水量降低) ，使之形成的冻土强度降低，导致了冻结壁在形成过程中冻土本身强度的 非均匀性；b 同圈冻结孔交圈后，冻土沿冻结圈向两侧发展，造成相邻两圈之间的土 在形成冻土过程中，受到了内、外两个冻结圈的冻胀压力的作用，使该部分土在有 压条件下形成冻土。( 3 ) 多圈冻土圈的冻结压力作用，改变了冻结壁的内部应力状 态，在井筒开挖过程中冻结壁应力的卸载特性及整体冻结壁的承载力特性。 目前，我国冻结法凿井的理论与技术，较为成熟的冻结深度在4 5 0 m 以内1 9 1o 当 冻结深度超过4 5 0 m 时，冻结法至少存在了两个问题：( 1 ) 冻结壁的设计无规范可依。 ( 2 ) 对深表土地层多圈管冻结下冻结壁的形成特性及其力学特性的认识尚不充分。 而深井冻结法凿井理论与技术的研究，主要是解决“一钻两壁”的问题，即保证冻结 2 第1 章培论 钻孔质量和确保冻结壁和井壁的强度和稳定性。而要确保冻结壁的强度和稳定性， 首先需要掌握冻结壁的形成及其发展性状、掌握冻结壁材料的力学特性及其本构模 型等1 1 6 2 7 1 。 据国内查新目前针对深厚表士多圈管冻结下冻结壁形成过程中的温度场、水分 场和应力场三场耦合作用和考虑三场耦合条件下的冻结壁力学性能研究未见报道。 综上所述，本文的研究具有广泛的工程应用背景，在研究内容上具有一定的创 新性，研究结果具有重要的理论和现实意义。 1 2 冻结法的工程应用及国内外研究的现状 1 2 1 工程应用 人工地层冻结法源于天然冻结现象，其目的主要是隔断地下水与施工工作面的 联系，保证岩土工程安全簏工。早在1 9 世纪8 0 年代，英国工程师南威尔士就成功 地运用了人工冻结技术来加固土壤。1 8 8 0 年，德国工程师波茨舒( f h a o e t s c h ) 提出了 人工冻结法原理并获得了专利，1 8 8 3 年首次将该技术应用于德国阿尔巴里德煤矿井 筒旌工( 冻结深度为1 0 3 m ) ，并获得了成功。在此后的1 7 年里，人工冻结法用于矿 l 【】施工达到6 0 次以上。该方法同时很快地被推广到城市土木工程施工中，例如：1 8 8 6 年瑞典2 4 m 长的人行隧道建设工程；1 9 0 6 年横断法国塞纳马恩省河底的地铁工程； 1 9 4 2 年巴西2 6 层大厦不均匀下沉的调整；1 9 6 8 年英国一上水管渠遂道工程；】9 7 3 年美国湖底取水竖井安装工程等。进入2 0 世纪9 0 年代后，国际上对人工地层冻结 技术的应用更为广泛，例如：1 9 9 1 年西班牙巴伦西亚地铁建设中，大量的采用了冻 结法旋工，并获得好评；美国威斯康森州米尔沃基市在建设输洪大直径深隧道含多 种复杂地层的一段5 0 m 深竖井时，利用传统的支护方法出现了许多问题，因此，采 用冻结法形成一个直径为6l m 的冻土围堰，并控制了冻土围堰的变形，达到了支护 和止水效果；德国d u s s e l d o r f 市中心火车站附近地铁隧道要经过几座居民区建筑和 闹市街道，隧道顶部与建筑基础只有很小一段距离，在三段各4 0 m 长的隧道施工中 使用了人工冻结法，其中两条挖掘断面为4 5 m 2 ，冻土挡墙的厚度为1 5 m ，另一条挖 掘断面为9 6 m 2 ，冻土挡墙厚度为2 2 m ，整个工程施工获得了成功；日本名古屋在建 造一地下输电隧道时，需垂直连接两个不同直径的隧道，在连接处成功地应用了人 工冻结法，整个工程历时3 2 3 天；等等1 2 8 2 9 1 。 我国的人工地层冻结技术始于1 9 5 5 年，首次在开滦林西风井应用，并一举获得 了成功。随后，冻结法在煤矿井筒施工中得到了普遍的应用。冻结法在我国应用已 达5 0 年，据不完全统计利用冻结法开凿的煤矿井筒已达到了5 0 0 多个，累计长度超 过8 0 k i n ，在工程实践中积累了丰富的实践经验”1 。 人工地层冻结法除了在煤矿立井凿井工程中得到了大量应用以外，我国在城市 地铁工程的旁通道旖工、盾构掘进机进出洞旖工、桥墩基础旖工等工程中也大量应 用冻结法技术。2 0 世纪7 0 年代以来我国先后将冻结法应用到北京地铁、沈阳地铁 2 拌线、上海地铁l # 线、广州地铁、深圳地铁、南京地铁等旁通道施- - i 在上海地铁 3 中国科学技术大学申请博士学位论文： 人工多圈管冻鲒地层的水热力耦合研究废冻蛄壁计算 1 拌线延安东路隧道盾构进出口、广州地铁中山纪念堂车站、南京地铁张府园车站等 的拖工中也采用了冻结法施工；在桥墩基础工程施工中也有一些应用，比如；凤台 斜拉桥桥墩基础施i ( 1 9 8 8 年) 、广州丫髻沙大桥桩基处理工程( 1 9 9 9 年) 、湖口大桥东 塔桩基( 1 9 9 8 年) 、润扬大桥南锚特大深基坑( 基础尺寸为7 0 5 m x 5 2 ，5 m 2 9 m ，并创 造了冻结排桩工法) 等；冻结法还在建筑基坑开挖中得到了应用，比如东海拉尔水 泥厂开挖上料仓基坑、南通钢厂沉淀池基坑等。人工地层冻结法具有独特的隔水效 果、适应任何复杂地质条件、使用灵活等特点，越来越受到岩土工程界的重视，并 广泛的被应用于复杂的岩土工程施工中。】9 9 8 年在北京地铁国贸桥车站东侧的南隧 道，采用水平冻结方案( 长度4 5 m ) 取得成功。随即上海地铁2 号线的4 个旁通道 采用地层水平冻结和暗挖施工，解决了重要建筑物、交通要道和黄浦江下连通道暗 挖旖工的技术难题。2 0 0 0 年广州地铁工程中海珠广场站至公园前站区间广东贸易中 心附近隧道、越秀地铁车站施工的相继成功等等1 3 0 3 5 1 。 1 2 2 国内外研究现状与分析 人工地层冻结过程是一个复杂的物理力学过程。冻土的形成实际上是土体中的 水在冻结温度的作用下，冻结成冰( 发生相变) ，并充塞岩土裂隙或孔隙、胶结固体 土颗粒的过程。土体在冻结过程中，除原位水冻结膨胀外，水分还源源不断地向冻 结锋面迁移、聚集并结晶。水分迁移将引起冻土发生较大的膨胀，膨胀基可达百分 之几十甚至到百分之几百。水分迁移、聚集和结晶过程在很大程度上受控于土体的 性质、温度场的状况、水溶质性质及应力场的条件，其热力学行为比其它松散介质 更复杂。为了能够较好的说明问题，分下面几个方面进行论述： 1 冻结温度场研究 根据冻结法原理可知，地层冻结法施工成败的关键是形成的冻结壁支挡结构的 可靠性，而冻结壁的力学性能又取决于冻土的力学性能，冻土的力学性能取决于冻 土的负温条件1 6 1 1 可见研究冻结壁力学性能，首先应掌握冻结温度场的性状，掌握 地层的冻结特性。显然，冻结温度场的研究在人工地层冻结法中占具了首要的位置。 实际上冻土温度场的研究也是冻土生成条件、冻土工程、冻土环境、冻土改造 和利用以及冻胀预报等问题研究的基础，是研究冻土学的基础。 冻结温度场是一个含有相变的温度场，具有移动的内热源和复杂的边值条件， 在整个地层的冻结过程中冻结温度场随时间和空间而变化，是一个不稳定温度场。 研究和掌握冻结温度场的目的是：1 求算冻土的强度，以计算冻结壁的厚度；2 检查 和确定冻结壁的形成情况及发展厚度；3 冻结冷量计算1 1 4 1 0 人们对冻土温度场的研究己有1 6 0 多年的历史”，但早期由于测试手段的限制， 对冻土温度场的认识只是处于一种表面的和感知状态。直至2 0 世纪早期，俄国成立 了冻土研究委员会后，才开展了较为广泛的研究。2 0 世纪中叶( 1 9 4 5 1 9 6 0 和1 9 6 1 1 9 7 1 ) 又经历了两个较快的发展时期，先后开展了与温度场有关的热力学、热物理 学、土壤水热改良、工程建筑地基稳定性以及地球表面和岩石圈层的形成等方面的 4 第1 章绪玲 试验研究和以解析解为主的理论计算研究。2 0 世纪7 0 年代后，计算机和数值方法在 前苏联冻土领域得到了广泛应用，使以前许多难以解决的具有复杂几何形状和地质 条件、考虑热质交换的非线性问题在深度和广度上都有了新的发展。真正开始理论 性研究并被公认为这门学科理论奠基人的是前苏联学者c y m r n h ，m h ，在温度场等热 物理研究方面以k y p h b t t e bb a 为杰出代表。 北美、西北欧的一些国家和地区，与前苏联一样，由于自然资源的开发需要， 也推动了冻土温度场及其相关学科的研究进展。2 0 世纪初阿拉斯加金矿的开采和 1 9 4 2 年北美战备公路的严重冻害的出现，促进了对温度场理论上的较全面研究。在 加拿大，这项研究的蓬勃发展主要起源于对极地多年冻土区石油、天然气等资源的 开发。上世纪7 0 年代，这些国家相继进入了研究的高潮。除自然资源的开发需要外， 现代监测技术和计算机技术在冻土研究领域中的应用也加速了该学科的发展。 b o n a i c i n ac 和f a s a n a a c ( 1 9 7 3 ) 求得了一维非线性温度场的数值解，同期，还开展了 与温度有关的其他问题的科学研究。 我国在冻土温度场的研究上起步相对较晚。上世纪5 0 年代，余力教授首次采用 水利积分仪对人工冻结法凿井温度场进行研究，根据园管稳定导热方程推导了计算 单管冻结时间的经验方程；徐枚( 1 9 6 2 ) 研究了天然细砂地基的温度场。此间的研 究，主要集中在开展室内、外观测和经验方程的建立方面。直至7 0 年代后期，才逐 渐开展非线性相变温度场的数值模拟( 郭兰波1 7 3 11 9 8 i ；丁德文m 1 ，1 9 8 2 ) 。1 9 8 3 年 张燕等人就立井井筒的冻结壁温度场进行了有限元数值模拟计算；陈湘生、陈文豹、 汤志斌、王长生等人就许多矿区的不同冻结深度的井筒，对单圈冻结孔和双圈孔冻 结情况的冻结壁温度场进行了全面系统的工程实测，获得了冲积层深4 0 0 米以内的 冻结壁形成与解冻的规律与特性，并根据工程实测数据分析处理，建立了冻结壁平 均温度的经验计算公式( 陈斌公式) ，目前仍普遍应用于工程实际计算1 1 5 1 。 上世纪8 0 年代后，世界各寒区先进国家对冻土研究的重视及相关学科的发展， 进一步推动了本学科向多维多相非线性问题和多场相互作用问题理论模型的建立和 求解、研究和应用现代化高效能及高精度的试验技术领域的发展。 就理论研究而言，冻土温度场研究己从早期的定性描述发展到了今天的利用计 算机进行三维数值分析和模拟。其间经历了以试验和实测为主的经验方程、均质一 维、二维线性稳定问题和一维非稳定问题的解析计算等。 随着科技的进步，人们在研究冻土冻结温度场的手段上已经有了根本性的提高， 借助大型有限元软件进行多种条件下二维、三维问题的温度场的数值模拟，已经成 为复杂工程冻结温度场计算与分析的主要方法；在温度场的监测上实现了计算机控 制自动温度数据采集和分析，大大提高了量测温度的精度和温度场性状分析的水平； 结合冻结法凿井信息化施工技术，笔者李晓军、张瑞等结合现场实测数据和复杂的 工程条件和可视化技术，利用半理论、半经验的方法，研发出了一套冻结法凿井冻 结温度监测和温度场模拟分析软件( 1 9 9 7 年) ，实现了对任意深度条件下冻结壁平面 温度场的性状分析、冻结壁平均温度的计算、冻结壁强度校核和稳定性分析等。该 软件近年来淮南、淮北地区的二十几个井筒冻结法凿井施工中发挥了积极的作用日” 4 0 l 5 中固科学技术夫学孛请博士学往论文：人工多圈管冻结地层曲水热力辐合研究及冻结壁计算 2 水分迁移与冻胀研究 土体在冻结过程中，由于土体内温度场状态的改变，水分向冻结锋面迁移，发 生水分迁移( 未冻水运移) 是土体冻结的一种自然现象，是冻土学研究的另一个重 要内容 4 1 4 4 1 土在冻结过程中，土中水冻结成冰体积膨胀是水物质的一种属性。众 所周知，水冻结成冰体积增加9 ，冻土中冰体积的膨胀推动了土颗粒移动，从而产 生了冻胀变形。当变形受到限制时将对结构物产生冻胀作用力。影响土体水分迁移 和冻土体积膨胀因素很多，主要有：土的含水量、土颗粒性质、密度、塑性和冻结 温度等。工程实践表明，土体冻结体积增大可以达到百分之几十甚至百分之几百”。 关于未冻水迁移驱动力的研究，从1 9 世纪就已经开始。早期人们曾普遍认为水 分迁移是由于土体中应力变化或温度变化单独作用的结果。斯肯别列格 ( i r m y k e a 6 e p m ，1 8 8 5 ，1 8 9 4 ) 最早提出了毛细管作用力理论。该理论认为，水在毛细 力的作用下，沿着土体中裂隙和冻土中的孔隙所形成的毛细管向冻结锋面迁移。这 一理论被称为“第一冻胀理论”，一度曾被广泛接受。3 0 年后，y l p a c o 皿o b ( 1 9 1 4 ) 、 珏p a h h u b i h ( 1 9 1 4 ) 、c y m r h h ( 1 9 3 7 ) 等学者提出了细颗粒土中的薄膜水迁移理论， 认为对于细颗粒土来说，不论是冻土还是融土都是适用的，即介于冰和土颗粒间的 未冻水膜的厚度是温度的函数，在一定的温度下，要保持一定的厚度，靠近冰透镜 体生长点的水膜被吸入冻结，此处的未冻水膜变薄，打乱了原处于平衡状态的未冻 水一冰一土颗粒系统的平衡状态，为了维持新的平衡，邻近的未冻水向水膜变薄处 移动补充，以达到新的平衡。薄膜水迁移理论把冻结过程中未冻水迁移与温度场联 系起来。在此期间，聂柯夫洛夫( 1 9 1 2 ) 、苏姆金( 1 9 2 9 ) 提出了适用于封闭系统的饱水 土体冻结的水头压力理论；t a b e r ( 1 9 1 7 ，1 9 3 0 ) 和b o u y o c o s ( 1 9 2 3 ) 等人提出了结 晶力理论，对土体冻结过程中薄膜水迁移理论进行了补充；上世纪3 0 年代，b e s k o w g ( 1 9 3 5 ) 提出了吸附一薄膜水迁移理论，认为水从较活跃、水化膜较厚的地方向较稳 定、水化膜较薄处迁移。后来，h o e k e s t r a p ，( 1 9 6 6 ) 等人通过试验支持了这种理论。4 0 年代，戈里什腾( 1 9 4 8 ) 提出渗透压力理论、茹克里( 1 9 4 3 ) 提出抽吸力理论。5 0 年代， 秋秋诺夫提出化学势理论。6 0 年代，普扎柯夫提出热一质交换理论。1 9 7 2 年m i l l e r r d ， 提出了冻结缘作用理论，认为在冻结锋面和最暖冰透镜体底面存在一个低含水量、 低导湿率和无冻胀的冻结缘，冻结缘的未冻水含量、冰、水相压力和渗透性等因素 决定水分迁移，该理论被称为“第二冻胀理论”。6 0 年代初，国际土壤学会提出了土 壤水分势能的划分和定义，该势能主要考虑温度梯度、吸附薄膜压力梯度、渗透压 力梯度以及矿物颗粒自由能等势梯度，即总土水势为压力势、基质势、溶质势和温 度势之和。但由于所研究问题的复杂性，目前在理论计算上最广为应用的仍是薄膜 理论 4 5 - 5 7 1 我国学者的冻胀研究从5 0 年代末期开始，经过近5 0 年的努力，通过现场观察、 原位测试、室内试验和计算机模拟等多种手段，开展了冻胀量、冻胀力、冻胀机理、 冻胀预报和各类工程防冻胀措施的研究，取得了丰硕成果。提出了冻土工程分类、 冻胀量和冻胀力的设计值和估算方法以及各类工程防冻胀破坏的行之有效方法。出 版的代表性专著有：土的冻胀与建筑物冻害防治( 童长江、管枫年，1 9 8 5 ) ；冻 土的温度水分应力及其相互作用( 安维东，1 9 8 9 ) ；冻土中水分迁移的实验研究 ( 徐学祖、邓友生，科学出版社1 9 9 1 ) ；土体冻胀和盐胀机理( 徐学祖、王家澄， 1 9 9 5 ) ：冻土物理学( 徐学祖、王家澄、张立新，科学出版社2 0 0 1 ) ；冻土工程 ( 铁道第三勘察设计院，2 0 0 2 ) ；中国冻土( 周幼吾、郭东信、邱国庆、程国栋、 第1 章绪论 李树德，科学出版社2 0 0 0 年) 等关于水分迁移、冻胀方面的专著。编制了冻土地 区建筑地基基础设计规范( j g j l l 8 - 9 8 ) 、冻土工程地质勘察规范、水工建筑物抗 冰冻设计规范；从理论和工程实践上形成了我国冻土性质的研究。 徐学祖等通过室内试验，进行了开放系统饱水正冻土中的水分迁移、封闭系统 正冻土中的水分迁移和非饱和正冻土在不同水位情况下水分迁移的研究，得到了正 冻土中由温度梯度引起水分迁移的驱动力三要素：温度、未冻水含量和土水势之间 的关系o “： w 。= e o - f ；以= g o “；伊= j 曰。 式中：a ，6 ，c ，d ，e ，g ，h , j ，k 为与土质有关的常数；0 为温度，取绝对值。 以上主要进行的是一维水分迁移的研究，对二维和三维水分迁移的理论研究， 目前刚刚起步，主要是通过三维数值模拟方法进行。但这些研究尚未涉及人工冻结 法凿井中，多圈管冻结条件下土体水分迁移特性。 3 冻土力学性质研究 冻土力学主要研究冻土的强度、变形特性、影响因素以及冻土在工程中的应用。 开展冻土力学研究最早的国家是前苏联，并有如下几个代表性的研究成果： 1 9 2 7 年以前，由于缺乏直接的试验数据，有些学者就认为冻土强度是冻土与河 冰的平均抗压强度( h c b o r u a n o a ，1 9 1 2 年；h 1 q h h e r h h ，1 9 2 4 年) 。 在1 9 2 7 1 9 3 7 年间，人们首次获得了冻土抗压、抗拉、抗剪和抗扭强度与其成 分、含水量和负湿值之间的关系数据资料，并首次进行了冻土在局都荷载和侧限条 件下融化下沉总量的试验研究。同时，还证明了定量热工计算时应考虑正冻和正融 土中水分相变的必要性( c c k o b k e p ，1 9 3 3 年) 。 1 9 4 0 年，前苏联学者b h b e y n 6 p r 首先研究了土中的冰及其对冻土力学性质的 影响，h a u - i t o b 聃揭示了冻土中存在未冻水的事实，并说明了未冻水含量直接与 负温条件有关。 随后，在冻土中水和冰的平衡状态理论、结构冰学理论等新的物理理论提出的 基础上，冻土研究耆开始对研究成果进行总结，并对原有一些观点进行了重新研究 1 7 4 - 8 5 。在此阶段中，h a t i o t i o a o s ( 1 9 4 7 ) 在他的博士论文中肯定了不只是正冻土中 有水分迁移，而且在已冻土中( 在负温梯度作用下) 也有水分迁移。a u - 盯o b h q 和 cc b r j i o b 于1 9 5 5 年解释了冻土流变为随时间变化的一个物理过程，认为在恒定荷 载作用下，冻土颗粒在冰晶处会发生相对移动，从而导致冰的压力融化。 1 9 7 5 年，c ，c b 彻o b 在其博士论文中论述了冻土的屈服性，流变性和承载能力。 1 9 6 2 年，c c b m l o b 提出了冻土应力应变简单的幂函数关系式：o - = a s 。，式中，盯 为应力；f 为应变；一和n 为参数。 h a u b _ 0 b h q 将冻土的应变分为瞬时变形乇和蠕变变形q ，如占= s 。+ s ，则按 照迭加蠕变理论有：s ：三垡立+ ( r f 。( r ) 出，式中，o ( t ) 为t 时刻的应力；吃为冻土 土。t 。 平均弹性模量；叮( f 0 ) 为t 。时刻的应力；_ 】 为应力变化系数。上式右端第一项表示瞬 时应变，第二项表示随时间变化的蠕变变形。 随后，人们开始考虑温度、应力、应变的综合效应，以下学者在这方面做出了 7 中国科学