地层人工土冻结法人工冻结技术结构设计毕业设计论文.doc

地层人工土冻结法人工冻结技术结构设计毕业设计论文第一章 绪论 1.1选题意义 随着社会经济的不断发展，人口的不断增长和土地资源的稀缺性。开发地下空间已经成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势。专家预测21世纪是建设地下工程的世纪。各种地下工程如矿山工程、深基础建筑及地下室、城市地铁和河底、海底及穿山隧道等正在兴建中，并且呈现不断增加的趋势，与之俱来的基坑壁的支护、隔水等问题也变得越来越突出，尤其是在恶劣的地质、水文条件以及苛刻的周围环境下。 人工土冻结法由于基本不受支护范围和支护深度的限制，以及能有效防止涌水以及施工中相临土体的变形而受到越来越多的重视，并将是完成地下工程的主要技术手段之一。完善和发展人工土冻结理论和技术体系不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的经济前景。 在饱和含水软弱地层中，在刚建好的两条区间隧道再建通道、泵站，虽然可以借鉴上海地铁一号线区间隧道旁通道施工经验，但由于国内没有相应的人工土冻结法施工规范，所以冻结法作为一种辅助施工工法，其实施的可行性、安全可靠度、施工速度、工程造价等多方面都面临考验。如何保证工程及周围环境的安全，采用何种施工技术，如何确定合理的冻结参数并降低造价等，具有很大的意义。 地层土人工冻结技术是一种起源于天然冻结现象的土层加固技术。传统上较普遍的人工土冻结是使用盐溶液间接制冷法，就是将盐溶液用氨或氟里昂压缩方法冷却后，作为冷媒在土体内埋设的管道中循环，吸收土体热量，增加自身显热，不断循环制冷，直到土体冻结，达到加固和稳固土体的目的。发展和使用较晚的人工土冻结方法有直接制冷法，即不循环制冷，例如使用液氮或干冰等物质，使它们在土体内发生相变，直接作为冷媒吸收土体热量，使土体降温，土中水分冻结，形成冻土体。采用人工制冷加固（冻结法），可以使土体中的大部分水结冰，这不仅提高了土的强度，增强了土体的稳定性和整体性，而且可以达到其他止水方法所无法比拟的隔水性能；同时随着地层开挖深度的增加，冻结法施工更具有经济上的优势。此外，冻结法施工不污染环境，不受冻结深度和冻结范围的限制。1.2问题提出 随着社会和经济的进一步发展，人口的不断增长和生存空间的相对缩小，开发地下空间已成为人类扩大生存空间的重要手段和发展趋势。本世纪是大力建设地下工程的世纪，也是我国地下空间开发利用的高潮时期。发达国家已把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合症”实施城市可持续发展的重要途径。我国目前在城市进行市政岩土工程及地下空间开发中遇到许多传统岩土工程方法难于解决的问题，如地铁、隧道中一些不能用盾构法施工的小而形状不一的工程和湖底、河底近距离隧道工程及河岸近距离基坑工程等。例如南京地铁在盾构进出洞及连通道暗挖中面临普通工法难以解决的问题，这就给岩土工程界提出了新的课题，为此必须寻求一种既安全又较为合理的新方法。 我国近年来兴建了大量的高层建筑，以北京、天津、上海、广州、深圳等地的高层建筑密度最大，由此产生了大量的深基坑工程，且规模和深度不断加大。深基坑支护是建筑工程中的热点和难点问题，对这些问题及对策的研究，是随力学理论，计算技术，测试仪器以及施工机械的进步而深入的。常规支护方法是采用注浆、深层搅拌桩、地下连续墙法、当地下水位较高时可以人工降低水位法，这些方法在我国基础工程施工中已取得许多成功的经验，但也存在一些问题。随着城建规模的迅猛发展，基坑的跨度和深度不断的增加，在一些沿海地区的地基属软弱地基，常伴有淤泥及流沙，在这种条件下进行大型的开挖，坑壁维护越来越困难，成本越来越高，有时占整个建筑成本的10%，为此必须寻找一种既比较安全又经济的新的坑壁维护方法，冻结法既为其中之一。在我国煤矿竖井开凿中得到广泛应用的人工冻结法与这些方法相比，具有隔水性能好、强度高、整体支护性能好、土体可复原、不污染环境、冻结结构物的性状和扩展范围可控等优点。因此在一定的地质，环境条件下采用冻结法形成冻土墙用于深基坑支护是一种具有可行性和竞争力的技术手段。地铁隧道冻结法施工冻结壁温度场及地表冻胀位移数值试验研究人工地层冻结技术用于采矿凿井在国外有100余年的历史，在中国也有40余年，然而，它在其他岩土工程的应用中尚处于起步阶段。地层人工冻结技术是利用人工制冷的方法，降低土体的温度使含水地层形成冻结体。从而在预期要开挖的场地外围构筑起稳定且不透水的冻结结构，以达到维护开挖面周围土体稳定，抵抗周围水土压力、防止地下水侵入的目的，其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。所以人工冻结技术被越来越多的应用到复杂条件下的矿山、建筑物工程、港口工程及水工工程中，特别是沿海城市的地铁隧道及其联络通道施工中，由于地下水位埋深浅，而且其地层软弱（如淤泥、淤泥质土和流砂等）常规的施工方法不能维持周围土体的稳定，采用人工冻结法，通过在含水不稳定土层中预先埋设冻结管，使地层中的水冻结成冰，把天然岩土变成人工冻土，增强其强度和稳定性，以便在冻结壁的保护下进行地铁或其联络通道的施工。近些年来，随着地下铁道建设的兴起，人工冻结技术己开始逐步被应用于城市地下铁道的隧道施工。地下铁道的隧道水平冻结技术是在含水不稳定的地层中钻铺水平冻结器，利用低温盐水循环降低地层温度，将天然岩土变成冻土，形成完整性好、强度高、不透水的临时水平冻结加固体，从而在其保护下进行隧道开挖和补砌。随着我国经济建设的发展。富含水的困难地质条件下的城市地下工程将日益增多，人工冻结技术在建筑物密集的城市地区越来越广泛的应用，从而为冻结法的应用提供了广阔的空间。由于国内各大城市地铁隧道、公路隧道等地下工程的兴建，冻结法基本上已经成为地下隧道中联络通道、泵站和盾构进出洞等重要工程施工的一种专用方法，在北京地铁大北窑车站区间隧道施工首次成功地采用了局部水平冻结技术，水平冻结长度超过40m。目前土冻结理论中有较成熟的关于冻结速度、冻结温度场及冻土墙强度的计算方法，但对冻软土、融土物理力学性能和冻胀特性、模型以及冻胀对周围环境影响的计算方法等，国内尚未进行系统研究，国外也很少报导。由于缺乏冻结壁温度场和冻土冻胀对周围环境影响等基础性研究，致使人工冻结法在环境要求很高的市政岩土工程和城市地下空间开发中未能广泛推广应用。土的冻胀主要是因为温度场引起土中原含水分和迁移而来的水分结晶，体积膨胀，引起冻土体积增大，结果在土层中产生冻胀力，导致地表出现变形。过量的冻胀会对地表建筑、交通和地下管线产生破坏作用。不同土质条件冻胀也不同，粘土变形量大，粉质粘土、砂土次之（粗粒土一般不产生冻涨），虽然冻胀对工程影响很大，但并不是不能控制的。 日本东京环7线盾构出洞的冻结施工中采用压力释放孔使冻结压力降低40%。所以冻结施工中温度场引起地表过大的冻胀量将使地下管线及地上的建筑物、道路等受到影响甚至破坏。1.3国内外研究现状 1862年英国工程师南威尔士在建筑基础施工中，首次使用了人工制冷技术加固土壤。1883年人工土冻结法首次在德国阿尔里德煤矿井筒施工中应用并获成功，至1900年人工冻结法用于矿山施工次数已达60次以上。1886年瑞典长20m的人行隧道建设工程应用了人工冻结方法。此后一个多世纪里，人工冻结法在许多国家的煤矿、隧道、地铁和建筑基础等领域中得到广泛应用并不断发展。当前人工冻结技术已是世界许多国家如德国、美国、日本、意大利等国家城市地下工程不可缺少的手段，例如1906年横断法国塞纳河底地铁工程，1942年英国的上水道管渠道工程，1973年美国的河底取水竖井安装工程。 90年代以来，国外开始将这一技术用于环境保护如放射性污染物的掩埋隔绝处理等。1991年在西班牙巴伦西亚地铁建设中，钻凿在地下水位以下进行，同时使用了几种支护处理方法，结果表明土冻结法最为令人满意。我国于1955年首次在开滦煤矿西风井应用冻结法施工获得成功后，冻结法在立井及其他地下工程中得到了推广应用。冻结法凿井就是在井筒开挖之前，采用人工制冷的方法，将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕一冻土墙（简称冻结壁），用于抵抗地压、水压、隔绝地下水与井筒地铁隧道冻结法施工冻结壁温度场及地表冻胀位移数值试验研究之间的联系，而后在其保护下掘砌工作。 自20世纪70年代初，Hadan首先提出水热祸合模型后，从此进入研究多场祸合问题阶段，Harla的理论被outcali、Taylor等引用并发展口，工作的核心均是基于冻土中的热质迁移来进行数值模拟，将这些模型统称为水动力学模型。70年代至80年代主要是水动力学模型，采用有限差分法，对土体冻结过程中的水流和温度进行预报。水动力学模型的共同之处是没有讨论不连续的冰透镜体的形成，也不考虑外部荷载，只是假设当含冰量达到临界值时会发生冻胀。 20世纪80年代至90年代主要是Konrad的分凝势模型和Miller的刚性冰模型，采用分析解和有限元法，对土体冻结过程中的水流、冻胀、分凝冰和温度进行预报，采用的参数主要是未冻水含量与温度关系，以及孔隙度、渗透系数、导热系数和热容量等。分凝势模型把分凝势定义为水分迁移与通过冻结缘的温度梯度的比值，根据相平衡的热力学原理，冰透镜处产生的负压和由于冻结缘低渗透性引起水流的受阻是产生驱动势的原因。徐学祖和Nixon等研究发现分凝势模型适合应用于温度梯度是在己知条件下，对于非稳定热状况条件，分凝势并不是常数，不应再用分凝势模型解决冻胀问题。刚性冰模型假设冻结缘中的冰与正生长的冰透镜体紧密地连在一起，当冻胀发生时孔隙冰能通过微观的复冰过程移动，因此，冻胀的速度应与刚性冰体的移动速度相等，但是大量的物理参数（如冻结缘中的应力比例因子、未冻水含量和导湿系数）需要确定，因此应用有一定的限制。20世纪90年代以来，开始提出热力学模型，采用有限元法对应力、应变、水流和温度进行预报，主要采用杨氏模量、泊松比、蠕变定律的6个参数、导湿系数、导热系数和热容量等，但热力学模型只用热力学理论描述微观冻胀机理，并不能解决实际应用，因此热力学模型的研究还需深入。国内不少学者应用计算机对冻结壁温度场进行数值模拟研究，并取得了一些成果，例如安徽理工大学汪仁和教授，程桦教授以及中国矿业大学的杨维好教授等应用ANSYS对温度场进行模拟分析，在这些模型中，外荷载仅作为影响冻胀的一个因子考虑，并没考虑因加载、冻胀和蠕变等引起的应力场和位移场的变化。王建平等建立了变边界应力硕士学位论文和移动边界位置的水分迁移方程，按一维条件，对水、温度、应力、位移的祸合问题进行了研究；采用准祸合的处理方法，忽略水分迁移影响，对二维温度、应力、位移场的祸合问题进行了数值分析目前已取得一些成果。但是目前的研究没有考虑冻结法施工中影响冻结的主要设计参数，没有系统的进行主要设计参数对地铁水平冻结法施工中的温度场及地表冻胀位移的研究，从而未能对地铁隧道水平冻结法施工各参数的选择提供科学可靠的参考。因此，此方向课题还有待于进一步探讨。1.4冻胀融沉机理及试验研究 早在17世纪后期，人们就已经注意到冻胀现象，但是直到二十世纪，人们才逐渐认识到水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源。Everett，首先提出了第一冻胀理论即毛细理论，然而，毛细理论却不能解释不连续冰透镜是如何形成的，并且该理论低估了细颗粒土中的冻胀压力。认识到毛细理论的不足之处，Milierl提出在冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的带，称为冻结缘(frozenffinge)。冻结缘理论克服了毛细理论的不足。得到广大学者的认可，称为第二冻胀理论。1998年，周国庆在试验研究的基础上，探讨了饱水砂层的竖向冻结及融化过程土中结构切向受力的变化。试验结果表明，冻结饱和砂土融化过程可分为负温升温、相变和自由水温升3个阶段；与此对应，融化沉降过程可分为开始、急降和缓降3个阶段；而模型结构切向应力则经历了上升、陡降和缓降3个过程，这3个阶段的时间比约为1:2:2，最终模型受有切向融沉压缩附加应力。陈湘生于1999年在清华大学离心机上进行了土壤冻胀离心模拟试验，验证了土中温度传递、冻胀缩比等的可靠性。2000年，罗小刚、陈湘生等在典型粘土冻融试验的基础上，分析了冻融对土工性质如孔隙率、渗透性、压缩性等的影响。试验结果表明，在不同的冻结温度和土体含水量条件下，冻融后土的孔隙率和含水量都增大；土体承受的外界荷载对冻融土孔隙率和含水量的变化有抑制作用。杨平研究了原状土与人工冻融土的密度、干密度、含水量、饱和度、孔隙比、塑限、液限、塑性指数、液性指数、渗透系数等物理指标，以及抗剪强度、无侧限抗压地铁隧道冻结法施工冻结壁温度场及地表冻胀位移数值试验研究强度、压缩模量等力学指标的差异性得出：土冻融后密度、干密度及塑性指数略有降低；孔隙比、液性指数略有增大；而其它物理指标基本一致。粘土冻融后，渗透性大大增加，为原状土的3一10倍，而砂土仅略有增大，粘土冻融后无侧限抗压强度是原状土的1/3一1/2，灵敏度降低。第二章 冻土描述及其性质2.1冻土定义当温度降低到结冰温度（一般为0）或更低时，岩土冻结并胶结了固体颗粒，形成冻土。冻土可分为天然冻土和人工冻土。2.2冻土分类2.2.1按含冰特征未冻土：处于非冻结状态的岩、土；按土的分类标准进行定名；冻土：1、肉眼看不见的分凝冰的冻土（N）： 胶结性差，易碎的冻土（Nf）；无过剩冰的冻土（Nbn）；胶结性良好的冻土（Nb）；有过剩冰的冻土（Nbc）；均可命名为少冰冻土（S）。 2、肉眼可见分凝冰，但冰层厚度小于2.5cm的冻土（V）：单个冰晶体或冰包裹体的冻土（Vx），可定名为少冰冻土（S）；在颗粒周围有冰膜的冻土（Vc），可定名为多冰冻土（D）；不规则走向的冰条带冻土（Vr），可定名为富冰冻土（F）；层状或明显定向的冰条带冻土（Vs），可定名为饱冰冻土（B）。厚层冰：冰厚度大于2.5cm的含土冰层或纯冰层（ICE）：含土冰层（ICE+土类符号），可定名为含土冰层（H）纯冰层（ICE），定名为ICE+土类符号2.2.2按冻结状态持续时间分类作为寒区工程地基和环境的冻土，根据表2-1按土的冻结状态持续时间，分为多年冻土、隔年冻土和季节性冻土根据形成与存在的自然条件不同将多年冻土分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土。表2-1 按冻结状态持续时间分类类型持续时间（T）地面温度（）特征冻融特征多年冻土T2年年平均温度0季节融化隔年冻土2年T1年最低月平均地面温度0季节冻结季节冻土T023（或更厚）融土层或不衔接的多年冻土层多年冻土区的融区地带季节融化层023（或更厚）衔接的多年冻土层多年冻土区的大片多年冻土地带2.2.4其他类型的冻土按冻土的含冰特征，可定名为少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土和含冰土层。当冰层厚度大于2.5cm，且其中不含土时，应单另标出定名为纯冰层（ICE）。根据冻土中的易溶盐含量或泥炭化程度划分为盐渍化冻土和泥炭化动土。冻土中易溶盐含量超过表2-3数值时，称为盐渍化冻土。表2-3 盐渍化冻土的盐渍度界限值土类含细粒土砂粉土粉质黏土黏土盐渍度1.100.150.200.25盐渍化冻土的盐渍度（）可按下式计算：式中：冻土中含易溶盐的质量（g）； 土骨架质量（g）。冻土的泥炭化程度超过表2-4中数值时，称为泥炭化冻土。表2-4 泥炭化动土的泥炭化程度界限值土类粗颗粒土粘性土泥炭化程度（%）35泥炭化动土的泥炭化程度（）可按下式计算：式中：冻土中含植物残渣和泥炭的质量（g）； 土骨架质量（g）。按体积压缩系数（）或总含水量（）划分为坚硬冻土、塑性冻土和松散冻土。坚硬冻土：0.01MPa-1；塑性冻土：0.01MPa-1；松散冻土：3%。2.3冻土构造类别冻土的构造类别如表2-5所示：表2-5 冻土的构造类别构造类别冰的产状岩性与地貌条件结冰特征融化特征整体构造晶粒状岩性多为细颗粒土，但砂砾石土冰洁也可产生此种构造。一般分布在长草或有树的阶地和缓坡地带以及其他地带。土壤湿度：稍湿p(土壤的塑限)粗颗粒土冻结，结构较紧密，孔隙中有冰晶，可用放大镜观察到。细颗粒土冻结，呈整体状。冻结强度一般（中等），可用锤子击碎。融化后原土结构不产生变化。无渗水现象。融化后不产生融沉现象。层状构造层状构造微层状（冰厚一般可达15mm）岩性以粉砂土或黏性土为主。多分布在冲洪积扇及阶地其他地带，地被物较茂密。土壤湿度：潮湿pp+7粗颗粒土冻结，孔隙被较多冰晶充填，偶尔可见薄冰层。细颗粒土冻结，呈微层状构造，可见薄冰层或薄透镜体冰。冻结强度很高，不易击碎融化后原土体积缩小，现象不明显。有少量水分渗出。融化后产生弱融沉现象。层状（冰厚一般可达510mm）岩性以粉砂土为主。一般分布在阶地或塔头沼泽地带。有一定的水源补给条件土壤湿度：很湿p+7p+15粗颗粒土如砾石被冰分离，可见到较多并透镜体。细颗粒土冻结，可见到冰层状。冻结强度高很难击碎融化后土体积缩小。有少量水分渗出。融化后产生融沉现象。网状构造网状（冰厚一般可达1025mm）岩性以细颗粒土为主。一般分布在塔头沼泽和低洼地带。土壤湿度：饱和p+15p+35粗颗粒土冻结，有大量冰层或冰透体存在。细颗粒土冻结，冻土互层。冻结强度偏低，易击碎。融化后土体积明显缩小，水土界限分明，并可成流动状态。融化后产生融沉现象厚层网状（冰层一般可达25mm以上）岩性以细颗粒土为主。分布在低洼积水地带，植被以塔头、苔藓、灌丛为主。土壤湿度：超饱和p+35以中厚层状构造为主。冰体积大于土体积。冻结强度很低，极易击碎。融化后水土分离现象及其明显，并呈流动体。融化后产生融陷现象。2.4冻土形成过程 实验得出土中水结冰过程曲线如图2-1所示，可以分为以下几个阶段：图2-1 土中水冻结过程曲线（1） 冷却段：向图层传递冷量后，土层逐步降温至水的冰点。 （2）过冷段：土体温度降到0以下，但是自由水仍未结冰，产生水的过冷现象。（3）温度突变阶段：水过冷以后，一旦开始结晶，就会放出结晶潜热，使温度迅速上升。（4）冻结段：温度升至0或其附近后稳定下来，土体空隙中的水发生结冰过程，使土颗粒胶结形成冻土。（5）冻土继续冷却段：随着温度的降低，冻土强度逐渐提高。在冻土的的形成过程中，水变成冰的冻结段是重要的过程，他是使土的物理力学性质发生质变的过程，消耗的冷量也是最多的。开始冻结的温度td称为起始冻结温度，它取决于水溶液的含盐浓度，含盐量越大起始冻结温度越低。一般在含税丰富的砂砾层起始冻结温度约为0，亚砂土和黏土中约为0.03到0.2或者更低。在冻土的形成过程中，往往伴随着水的过冷现象和水分迁移。在结冰之前，若水中没有结晶核，水温低于0时仍不结冰，而出现过冷现象，过冷温度的数值取决于冷却工况，这种现象在温度梯度大时，水结冰的初期才会出现。开始结冰后，这种现象就不再发生或不明显。土层冻结时发生的水分向冻结面转移的现象，称为水分迁移。由于土粒间彼此的距离很小，甚至互相接触，所以相邻两个土粒的薄膜水就汇合在一起形成公共水化膜。冻结过程中增长的冰晶不断地从邻近的水化膜中夺走水分，促使水化膜逐渐变薄。而相邻的水分子又不断向薄膜补充，这样依次传递就形成了冻结时水分子向冻结面的迁移。由于水分子引力的作用，变薄了的水膜也不断地从自由水中吸取水分，使冻土中的水分增大。水结冰后体积增大9%，当这种体积膨胀足以引起土颗粒间的相对位移时，就形成了冻土的冻胀，并产生膨胀力。由于水分的迁移，变成冰的水量增多，土的冻胀量增大，从而水分的迁移使冻土的膨胀加剧。2.5地下水对冻土影响2.5.1土粒与水的相互作用冻土形成的过程，实际上是土中的水结冰并胶结固体颗粒的过程。土中水的结冰与纯净水的结冰有不同的特点，如冻土中存在未冻水，冻结后物理性质有变化等，了解冻土的特点，必须首先了解土颗粒与水的相互作用。土颗粒表面带负电荷，当水接近它时，就在这种静电的引力作用下产生极化，使靠近土颗粒表面的水分子失去自由活动的能力而整齐、紧密的排列起来，如图2-2 a、b、c所示。距土颗粒表面越近，静电引力强度就越大，对水分子的吸附能力也越大，形成一种密度很大的水膜，称为强结合水（吸附水）。离土颗粒稍远静电引力越小，水分子自由活动能力增大，这部分水称为弱结合水（薄膜水）。再远的水分子主要是受重力场作用控制，形成毛细水。更远的水则完全受重力场控制，形成重力水（自由水），也就是普通的液态水。综上所述，土中的水分可分为吸附水、薄膜水和自由水。前两者是结合水，密度增大，冰点降低。吸附水的厚度只有几十个分子厚度，比重为1.21.4，冰点最低为186，呈不流动状态，它占土层中总含水量的0.2%2%。薄膜水的比重也大于1，冰点也低于0，一般在2030时才全部冻结。人工冻结法中，大部分薄膜水被冻结，未被冻结的水称为未冻水。薄膜水的显著特点是能直接从一个土颗粒表面迁移到另一个土粒表面，这种移动是缓慢的，而且只能从厚膜向薄膜移动。自由水存在于土壤或岩石的裂隙中，它与普通水相同，服从重力定律，能传递静水压力，比重一般为1，在一个大气压的冰点为0。人工冻结法主要是冻结自由水，它的含量多少直接影响着冷量的消耗量、冻结速度和冻土强度。 图2-2 土粒和水相互作用示意图a：土粒周围静电引力强度的变化；b：薄膜水由厚膜向薄膜移动；c：水分子的双极构造；1-土粒；2-吸附水；3-薄膜水冻土中未冻水的多少对冻土强度和热物理性质有极大的影响。例如，在同样负温度和相同含水量的情况下，冻结砂的强度比冻结黏土的强度高，这是因为砂层中的水几乎全部结成冰，冰把砂砾牢牢地胶结在一起，而粘土中则存在相当多的未冻水，土粒胶结程度差。 2.5.2水质与流速对岩土冻结影响1、水质对冻结的影响水中含有一定的盐分时，水溶液的结冰温度就要降低。当地层含盐或受到盐水侵害时都会降低结冰的冰点，其程度与溶解物质的数量成正比例关系。式中：溶液冰点的降低度数（）； 冰点降低常数，它的大小取决于溶剂，而不取决于溶解的物质。水的冰点降低常数为1.86； 在1kg溶剂中所溶解物质的克数； 被溶解物质的分子量； 溶液冰点降低的修正系数。由一价金属和一元酸组成的盐类稀溶液=22.3，由二价金属和二元酸组成的盐类=3。盐水溶液溶液在一定的浓度和温度下凝结成一种均匀的物体时，这种盐水盐溶液的浓度和温度称为低融冰盐共晶点。常见的几种水溶液的低融冰盐共晶点和物理性质见表2-6、表2-7所列。表2-6常见的几种水溶液的低融冰盐共晶点及其成分可溶物质分子量可溶物质在水中的含量（g/L）低融冰盐共晶点（）低融冰盐共晶点的成分名称化学方程式氧化钙CaO56.072.70.5冰+CaOH2O硫酸钠Na2SO4142401.1冰+Na2SO410H2O硫酸铜CuSO4159.61351.35冰+CuSO45H2O碳酸钠Na2CO3106632.1冰+Na2CO310H2O硝酸钾KNO3101.11262.9冰+KNO3硫酸镁MgSO41201973.9冰+MgSO412H2O硫酸锌ZnSO4161.43726.5冰+ZnSO47H2O氯化钾KCl74.624610.6冰+KCl氯化铵NH4Cl53.524515.3冰+NH4Cl硝酸铵NO3NH48074716.7冰+NO3NH4硫酸铵（NH4）2SO413266318.3冰+（NH4）2SO4氯化钠NaCl58.529021.2冰+NaCl2H2O氢氧化钠NaOH4034427.5冰+NaOHHNO3溴化钠NaBr10367628.0冰+NaBr5H2O硝酸锌Zn（NO3）2189.465028.8冰+Zn（NO3）29H2O氯化镁MgCl29525933.6冰+MgCl212H2O氯化铜CuCl2134.659239.6冰+CuCl22H2O硝酸HNO363.0248343.2冰+HNO33H2O氯化钙CaCl211142755.0冰+CaCl26H2O三氯化二铁Fe2Cl316249555.0冰+Fe2Cl36H2O硫酸H2SO498.0961275.0冰+H2SO44H2O氨NH317.0346998.3冰+NH3H2O表2-7低融溶液的主要物理性质低融水溶液的化学方程式溶液的成分（%）温度（）密度（103kg/m3）溶液的比热（J/kg）低融冰盐共晶的比热（J/kg）潜热（J/kg）结冰时低融冰盐共晶的体积膨胀百分比（%）盐水K2SO4+KNO34.5/8.087.53.81.0933935.91833.8319871.58.1ZnSO427.272.86.51.2493127.51574.2213108.16.8BaCl222.577.87.81.2933345.31637.0246602.57.9Na2S2O33070.011.01.3123182.01536.6186312.65.2KCl19.2580.7511.11.1983307.61729.2311030.98.1KCl+KNO319/3.577.511.81.153782.01666.4265861.87.7NH4Cl18.684.415.71.0573349.41779.4329919.87.6NO3NH441.258.817.351.1882972.61557.5286377.15.8NaNO33763.018.51.293056.41565.9215620.25.6NaNO3+KNO3 35.9/6.257.919.41.343014.5217922.96.1NaCl22.477.621.21.1753336.92005.5236135.57.92、水的动态对冻结的影响土中水流速对土的冻结速度有较大影响，所有的地下水都是在流动着的，然而在绝大多数的情况下，地下水的流速是非常小的，一般不超过510m/d，所以在进行人工冻结工程的计算时可不考虑。但是，在实际冻结工程中也经常遇到地下水流速较大的情况。地下水的运动类型可分为两类：一是自然条件所引起的流动；二是人为原因所引起的流动。 （1）地下水的自然流速当地下水水位在两点之间发生水位差时，地下水就会在重力的作用下发生流动。如图2-3所示，A和B两点间的高度差（）造成了水压，在水压作用之下，水就从AA1点流向BB1点。图2-3地下水流动示意图地下水的自然流速就和水压h成正比，按下式计算：式中：地下水流动速度（m/d）； 产生最大水头的水平距离（m）； 水压头（m）； 岩石的渗透系数，对于一定的岩石它是一个常数，它决定了该种岩石的透水性；渗透系数可以视为当水力坡度等于1时，地下水在单位时间内经过岩层时的流速，即时等于通过岩层的流速（m/d）； 水力坡度或称压力梯度，。土中水的性态与土质结构有关，土体有原状土和非原状土之分，原状土中砂层、砾卵石土层中水的渗透速度较大，非原状土如回填土主要看回填土质和固结状况，较为复杂。岩层渗透系数的变化很大，根据具体情况用实验室方法或钻孔抽水试验来测定。（2）渗透系数各种岩石渗透系数见表2-8所示。表2-8各种岩石渗透系数岩石名称渗透系数kcm/sm/d略呈黏土质的细砂和粉砂0.0050.0014.328.64略呈黏土质的中粒砂和粉砂0.010.18.6486.4小砾石粗砂0.10.586.4432中粒和粗粒的砾石0.51432864渗透系数与土层的成分和孔隙率的关系为土的渗透系数随着黏土含量，特别是活动性黏土矿物（如蒙脱石）含量的增加而减小，随着孔隙率和空隙直径的增大而增大。根据土的成分与孔隙率计算渗透系数公式为：式中：当温度为10时的渗透系数（m/d）； 经验系数，范围在4001200，随着粒径组成而定，一般黏土质砂 为500700，纯砂为7001000； 有效粒径，小于这种直径的颗粒在土中占10%（mm）； 渗透水的温度（）。 建井工程手册（第四版）给出了土的渗透系数参考值，见表2-9所示。表2-9土的渗透系数参考值土的名称渗透系数（m/d）工程地质手册工程地质学黏土0.005亚黏土0.0050.010.05轻亚黏土0.10.50.15（亚砂土）黄土0.250.50.050.5粉砂0.51.00.51.0细砂1.05.01.05.0中砂5.0205.020均质中砂3550粗砂20502050均质粗砂6075圆砾5010050100（砾石）卵石100500100500无充填物卵石50010005001000稍有裂隙岩石2050注：中国建筑工业出版社出版；杰尼索夫著。在一个水利发电站建筑施工中，在试验水道中层进行了岩石冻结试验，试验证明了小于30m/d时，处于动态地下水可以顺利的被冻结住。因此除砾石层外，在自然条件下的粒状岩层中的地下水，对于人工冻结岩石来说，是不会发生困难的。如果在这些岩层中，在某些条件下可能形成很大的水力坡度，则在砾石层的渗透系数很大时，地下水的流速就能大于上述的冻结限度。同时在较短时间内压力梯度仍然可能提高。因此，为了避免在这些岩层中冻结法生困难，就必须等待地下水水位降低到该地区正常水位后才能进行冻结；如果在粗粒石内含有细砂或黏土，那么这些细砂或黏土就会降低砾石层的渗透系数，也就成为阻碍地下水自然流速的因素。在河床或水池中冻结岩石时地下水可能产生较大的流速。在这种情况下冻结岩石，就必须在河床中作一个人造的木排挡水墙或堆积一个人工岛，在此范围内进行岩层的冻结工作。3、 冻结法施工中地下水流动对冻结的影响 地下水的自然流速一般都比较小，一般小于5m/d，不会对冻结壁的正常形成构成威胁。当地地下水流速超过一定限度时就会对冻结壁的形成产生不利的影响。有些井筒在冻结过程中盲目设置水井，抽水时认为的加大地下水流速，人为抽水引起的地下水流速往往要比自然流速大几倍甚至大几十倍，冻结壁迟迟不能交圈。被迫停用部分水井或减少抽水量，使抽水对冻结的影响降至最低限度，然而已经大大推迟冻结壁交圈时间，造成不应有的损失。当井筒穿过的各含水层之间产生纵向流动，如水位观测孔穿过的各个含水层之间“串水”或产生“暗流”延长了冻结壁的交圈时间。 第三章 人工冻结法原理及其力学参数和特性3.1人工冻结法原理3.1.1制冷技术 制冷技术是由三大循环系统构成，即氨循环、盐水循环和冷却水循环系统。1、氨循环 氨循环的制冷过程实际上是热工转换过程。氨循环在制冷过程中起主导作用，为了使地热传递给冷却水再释放给大气，必须将蒸发器中的饱和蒸汽氨压缩成为高温高压的过热蒸汽，使其与冷却水产生温差，在冷凝器中将热量传递给冷却水，同时过热蒸汽氨冷凝成液态氨，实现气态到液态的转化。液态氨经过流阀降压流入蒸发器中蒸发，再吸收其周围盐水中的热量变为饱和蒸汽氨，周而复始，构成氨循环。2、盐水循环 盐水循环以泵为动力驱动盐水进行循环，其作用为冷量传递。氨循环系统由盐水箱、盐水泵、去路盐水干管、配液圈、冻结器、集液圈及回路盐水干管组成。冻结器是低温盐水与地层进行热交换的换热器，盐水流速越快，换热强度就越大。冻结器由冻结管、供液管和回液管组成。根据工程需要可采用正反两种盐水循环系统，正常情况下用正循环供液。积极冻结期间，冻结器进出口温差一般为3到7，消极冻结期间，其进出口温差一般为1到3。蒸发器中的氨的蒸发温度与其周围的盐水温度相差5到7。上述盐水循环系统称为闭路盐水循环系统（集中回液）。国外还有一种开路回液盐水循环，其主要特点是无集液圈，每根回液管单独回液，便于观察每根冻结管盐水是否漏失。这种开放式盐水循环用管量大，较闭路就循环复杂。盐水管路应严格进行保温处理。3、冷却水循环 冷却水循环由水泵驱动。通过冷凝器进行热交换，然后流入冷却塔再进入冷却水池，冷却后的循环水应随时由地下水补充。冷却水循环在制冷过程中的作用是将压缩机排出的过热蒸汽冷却成液态氨，以便进入蒸发器重新蒸发。冷却水温越低，制冷系数就越高，冷却水温一般较氨的冷凝温度低5到10。3.1.2地下水对冻结的影响 土体是一个多相和多成分混合体系，由水、各种矿物质和化合物颗粒、气体等组成，而土中的水又可有自由水、结合水、结晶水三种形态。当降到负温时，土中的自由水结冰并将土体颗粒胶结在一起形成冻结整体。冻土的形成是一个物理力学过程，随着温度的降低，冻土的强度逐渐增大。 人工土冻结法施工原理：在人工制冷作用下，形成低温盐水，通过低温盐水在埋设在地层管道内的循环，在冻结孔内完成与地层的热交换，带走地层热量，使地温逐渐下降并达结冰。随着制冷的继续，结冰区逐渐发展，形成设计要求的冻土结构，且满足安全掘砌施工要求。 常规的土层冻结对地下水水流速度和水中的盐分有一定的要求，因为水中盐分过高，会降低水溶液的结冰温度，而土中水流速度过大，除了增加冻结难度，而且也会影响冻结壁的稳定性。3.1.3温度场和冻结速度1、冻结地层的温度场 地层冻结是通过一个个的冻结管向地层输送冷量的结果。每个冻结管四周形成多个单独的圆柱状冻结地基体，相邻的冻结圆柱体相交，形成冻土墙帷幕结构，冻土墙向两侧扩展，向内的扩展速度比向外的扩展速度要快，通常向内的扩展范围要到达开挖边界。 土体冻结先是在每个冻结管的周围形成以冻结管为中心的降温区，分为冻土区、融土降温区、常温土层区。在靠近冻结管的周围，温度呈同心圆状分布的特征，但越向远处，该特征越不明显，由于土体中水-冰间的相变作用，土体中的温度分布曲线在相变温度点（0.54）出现平台，据此可划分出冻结区和未冻区。地层中温度曲线呈对数曲线分布。2、土的冻结速度 冻结管间距是影响冻土圆柱交圈和冻结壁扩展速度的主要因素。土的冻结速度越快，冻土强度越高。它还与冻结管内的盐水温度、盐水流量和流动状态、土层性质、冻结管直径、地层原始地温等有关，影响因素较多，解析理论分析很复杂，一般按冻结过程中测温孔观测到的数据和经验公式推算。3.1.4冻胀和融沉效应 土的冷却使土体中产生一定的温度梯度，使土中的水流向土的冷却部分。当温度低于孔隙水的冻结点时，土孔隙中的水冻结、膨胀，要增大9%，土体会出现冻胀现象，尤其是在粘土和细砂等冻结敏感的土层中，由此诱发的负压力使其他部分的水迁移，进入冻结区。冻结中被移动的水形成冰凌，造成与冻结锋面垂直方向的体积膨胀。当土中的冰融化时，其体积缩小，在土体中产生沉降或固结，大小取决于融化体四周的压力，冻土融化时的沉降量还与融层厚度、融层土的特性有关。土中的冰融化还意味着土中含水量的增加，并可能重新导致过饱和土中孔隙压力的显著增加。3.2人工冻土的力学参数冻土是一种非弹性材料，在外荷载作用下，应力-应变关系随时间发生变化，其变化有明显的流变特性蠕变：即在外荷载不变的情况下，冻土材料的变形随时间而发展；松弛：即维持一定的变形量所需要的应力随时间增加而减小；强度降低：即随着载荷的作用时间的增加，材料抵抗破坏的能力降低。实验表明冻土的应力应变曲线是一系列随时间变化而彼此相似的曲线，不同时刻的应力应变曲可以用幂函数方程表示，如图3-1所示。图3-1冻土的应力应变曲线（t=10）式中：应力（MPa）； 应变（%）； 称为可变模量（MPa），为随时间和温度变化的参数； 为强化系数。基本上是随时间及温度变化。3.3冻土强度 冻土的强度是指导致破坏和稳定性丧失的某一应力标准。在工程应用中根据冻土结构设计目的有相应的设计方法和标准。冻土是一种非均质、各向异性的非弹性材料，有其特殊的受力特征。 冻土有两个强度指标，一是冻土的瞬时强度，即接近于最大值的强度，通常采用极限强度。它是表征土体抵抗破坏的能力，它有三个指标，即瞬时抗压强度、瞬时抗拉强度、瞬时剪切强度。二是冻土的持久强度（或称长期强度极限），即超过它才能发生蠕变破坏的最小的应力，它也有三个指标，即持久抗压强度，持久抗拉强度，持久剪切强度。由于在冻土内存在冰和未冻水，故其具有流变性即冻土强度随着载荷作用时间的延长而降低。瞬时强度比持久强度要大许多，负温值越高，两者相差越大。当冻土温度在415时，冻土持久强度与瞬时强度的关系如下： 1、持久抗压强度约为瞬时抗压强度的1/21/2.5； 2、持久抗剪强度约为瞬时抗剪强度的1/1.81/2.5； 3、持久抗拉强度约为瞬时抗拉强度的1/121/16。冻土的这种特性要求在掘土施工时尽量缩短冻土帮的暴露时间，及早施工初衬支护。冻结壁的形成是在外力作用下，达到一定强度的，因而比实验室内的冻土试样强度大，而且冻结壁是三向受力状态，这些在设计时都应考虑到。3.3.1单轴抗压强度冻土极限抗压强度，按下列方程式确定（在一定的负温范围内）：中砂 粉砂和粗砂 式中C1和C2根据土的空隙率和温度选取的系数；1、 t冻结土的温度（） 温度是控制冻土强度的主要因素。无论是砂土、砂砾石土、还是粘性土，其抗压强度都随温度的降低而增大，主要是因为温度降低导致冻土中未冻水含量减少，相对含冰量增加，使岩土颗粒间的胶结力增加。当负温度值不太大时，温度对强度的影响较明显。然而，随着负温的增加，强度的增长逐渐变缓，所以，强度并非随温度下降呈线性增长。2、土质是影响冻土抗压强度的重要因素之一实验表明，在其它条件相同时，土颗粒越粗，冻土强度越高，反之，越低。这是因为结合水的含量与土的颗粒大小有关。在粗砂、砂粒和砾石中颗粒大，几乎没有结合水。负温值刚超过0，空隙水便全部冻结，所以强度高。相反，粘土类土的颗粒很细，总表面积大，表面能也大，其中有较多的吸附水和薄膜水。吸附水完全不冻结，薄膜水只有部分冻结，所以，在同一负温下小颗粒土中保存有较多的未冻水，从而使强度降低。3、含水量对冻土强度的影响 实验表明，岩土中的含水量对冻土抗压强度影响甚大。土中含水量未达到饱和时，冻土强度随着含水率增加而增高；一旦达到饱和后，含水量再增加时，冻土强度反而会降低。当含水量大大超过饱和含水率时，冻土强度就降低到接近冰的强度，此时含水量增加时，冻土抗压强度反而降低。4、冻结速度对冻土强度的影响冻结速度快，冻土中的细粒冰就多，呈六面晶体结构，冻土强度就高。反之，冻结速度慢，冻土中的粗粒冰含量增多，呈片状晶体结构，冻土强度相应降低。为了加快积极冻结速度可尽量降低盐水温度或缩小冻结孔间距，以加速冻结壁形成。近年来随着科学的发展，国内外也有许多新的方法来计算饱和冻砂土的极限抗压强度。例如我国中国科学院兰州冻土工程国家重点实验室，对安徽两淮矿区表土层的各类岩土作了大量研究，建议采用如下公式：式中：试验