冻结法原理--岳丰田

1、中国矿业大学中国矿业大学岳丰田岳丰田1360520525213605205252二一二年十月二一二年十月 主主 要要 内内 容容1 1 冻结法概述冻结法概述2 2 冻结系统种类冻结系统种类3 3 冻土低温特性冻土低温特性4 4 冻土力学性质冻土力学性质5 5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论6 6冻胀融沉及其控制冻胀融沉及其控制1.1 人工地层冻结法人工地层冻结法冻结法定义冻结法定义： 用用人工制冷人工制冷的方法，将待开挖地下空间周围的岩土中的水的方法，将待开挖地下空间周围的岩土中的水冻结为冰并与岩土胶结在一起，形成一个预定设计轮廓的冻结为冰并与岩土胶结在一起，形成一个预定设计轮廓的冻结壁冻结

2、壁或密闭的冻土体，用以或密闭的冻土体，用以抵抗水土压力、隔绝地下水抵抗水土压力、隔绝地下水，并在冻结壁的保护下，进行地下工程的施工。，并在冻结壁的保护下，进行地下工程的施工。1 概述概述冻结岩土性质的改变冻结岩土性质的改变 将含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结冰温度下冷却，将含水地层（松散土层和裂隙岩层）在结冰温度下冷却，岩石裂隙或土孔隙中的水变成冰，岩土的性质发生决定性的变岩石裂隙或土孔隙中的水变成冰，岩土的性质发生决定性的变化。这一变化具有双重意义：化。这一变化具有双重意义： 材料：材料：（1）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土的强度）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土的强度 （2）减低一

3、定范围岩土体渗透性）减低一定范围岩土体渗透性创造新工程材料创造新工程材料 结构：结构：在普通结构内部构建了新的工程结构。在普通结构内部构建了新的工程结构。冻结法冻结法 将这一性质改良后的冻结岩土将这一性质改良后的冻结岩土(冻土冻土)用于地下工程施工期内的用于地下工程施工期内的承载（结构功能）承载（结构功能）和和密封（材料功能）密封（材料功能）1 概述概述冻土的形成冻土的形成为构造高承载力和密封防水的冻结壁，在土中相应位置布置为构造高承载力和密封防水的冻结壁，在土中相应位置布置和施工冻结孔和施工冻结孔安设冻结管，通过冻结管中循环的低温冷安设冻结管，通过冻结管中循环的低温冷媒剂将土体中的热量带出，

4、使地层降温并使土中水结为冰。媒剂将土体中的热量带出，使地层降温并使土中水结为冰。 在冻结初期，冻土仅在紧靠冻结管周围形成冻土柱；随冻在冻结初期，冻土仅在紧靠冻结管周围形成冻土柱；随冻结过程的继续，冻土柱渐渐扩大并相互连接，在预计的冻结结过程的继续，冻土柱渐渐扩大并相互连接，在预计的冻结时间后，冻土体达到设计厚度时间后，冻土体达到设计厚度形成冻结壁形成冻结壁.1 概述概述1 概述概述1 概述概述1 概述概述1 概述概述1 概述概述1 概述概述环境友好的施工方法环境友好的施工方法 冻结只是临时改变岩土的承载、密封性能，为构筑新的地下空冻结只是临时改变岩土的承载、密封性能，为构筑新的地下空间服务，施

5、工完成后，根据需要可拔除冻结管，冻土将解冻融间服务，施工完成后，根据需要可拔除冻结管，冻土将解冻融化，土将逐渐恢复到未冻结状态。化，土将逐渐恢复到未冻结状态。 冻结法不污染环境，是冻结法不污染环境，是“绿色绿色”施工方法施工方法1 概述概述冻结法具备的优点冻结法具备的优点 (1) 安全性好安全性好，可有效的隔绝地下水可有效的隔绝地下水； (2) 适应面广适应面广，适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文地质适用于任何含一定水量的松散岩土层，在复杂水文地质(如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层)条条 件下冻结技术件下冻结技术有效、可

6、行有效、可行； (3) 灵活性好灵活性好，可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时可以绕可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时可以绕过地下障碍物进行冻结过地下障碍物进行冻结； (4) 可控性较好可控性较好，冻结加固土体均匀、完整冻结加固土体均匀、完整； (5) 经济上较合理经济上较合理。1 概述概述1.2 冻结法简史冻结法简史国外国外 l862年：英国，率先用冻结法成功进行深基坑开挖围护年：英国，率先用冻结法成功进行深基坑开挖围护 l872年：德国，首先应用于矿井建设。鲁尔区冻结井深超过年：德国，首先应用于矿井建设。鲁尔区冻结井深超过600m 1888年：美国，用于煤矿矿井开挖年：美

7、国，用于煤矿矿井开挖 l965年：加拿大，开挖年：加拿大，开挖l089米矿井，冻结深度米矿井，冻结深度684米米 1952至至l98l年间：北美，用冻结法凿井达年间：北美，用冻结法凿井达29个个 迄今为止，各国冻结井最大冻结深度：英国迄今为止，各国冻结井最大冻结深度：英国930m，美国美国915m，波兰波兰860m，加拿大加拿大634m，比利时比利时638m，前苏联前苏联620m，德国德国531m，法国法国550m，中国中国702m（表土（表土583.1m）、）、737m（表土（表土568.5m） 1979年：美国，地下核电站基坑、直径年：美国，地下核电站基坑、直径40m、深、深6m基础基础

8、80年代：苏联，城市地铁大厅年代：苏联，城市地铁大厅35座、隧道座、隧道35项，高项，高l38.5m、重、重27000吨大楼基坑开挖支护吨大楼基坑开挖支护 1962以来：日本，超过以来：日本，超过300个大型冻结工程，其中有通过河流、铁个大型冻结工程，其中有通过河流、铁路、公路和其它构筑物下的隧道工程、挡土墙工程、与盾构施工有路、公路和其它构筑物下的隧道工程、挡土墙工程、与盾构施工有关的工程等关的工程等 20世纪中叶起：波兰、德国、法国、瑞士、比利时、意大利、奥地世纪中叶起：波兰、德国、法国、瑞士、比利时、意大利、奥地利、挪威、西班牙、芬兰、澳大利亚、法国、荷兰、加拿大等利、挪威、西班牙、芬兰

9、、澳大利亚、法国、荷兰、加拿大等我国情况我国情况 1955年，我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得年，我国首次在开滦林西风井使用盐水冻结法凿井并获得成功；至今已经冻结近成功；至今已经冻结近1000个井筒个井筒. 70年代初，北京地铁冻结长年代初，北京地铁冻结长90m，垂深垂深28m 上世纪上世纪80年代，海拉尔水泥厂的上料仓基坑；年代，海拉尔水泥厂的上料仓基坑； 1988年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程年，凤台淮河大桥主桥墩基础工程 1993年，上海地铁一号线年，上海地铁一号线1个泵站和个泵站和3个隧道贯通道结合部个隧道贯通道结合部 1998年，北京地铁大北窑车站南隧道水平冻结施工，长

10、年，北京地铁大北窑车站南隧道水平冻结施工，长45m 2000年以后年以后,上海大量越江隧道和地铁工程使用冻结法上海大量越江隧道和地铁工程使用冻结法.1 概述概述1.3 工程应用简介工程应用简介目前，冻结法在地下工程中广泛应用于以下领域：目前，冻结法在地下工程中广泛应用于以下领域： 立井工程立井工程 斜井工程斜井工程 地基基础地基基础 基坑稳定基坑稳定 隧道工程隧道工程 其他岩土工程其他岩土工程 1 概述概述 可用来获得低温的方法很多，一般有以下几种p相变制冷p蒸气压缩制冷p吸收制冷p热电制冷2.1相变制冷相变制冷 相变是指物质固态、液态、气态三者之间变化过程。在相变过程中要吸收或放出热量。相变

11、制冷就是利用物质相变时的吸热效应，如固体物质在一定温度下的融化或升华，液体汽化。 干冰是固态的二氧化碳（CO2），它是一种良好的制冷剂，广泛应用于实验研究、食品工业、医疗、机械加工和焊接等方面。干冰的平均相对密度为1.56，干冰在化学上稳定，对人无害。在大气压力下升华温度为78.5，升华潜热为573.6kJ/(kgK)。2.2热电制冷热电制冷 热电制冷又称温差电效应、电子制冷等，它是建立在珀尔帖效应原理上的。 1834年珀尔贴发现当一块N型半导体（电子型）和一块P型半导体（空穴型）联成电偶时，在这个电路中接上一个直流电源，电偶上有电流通过时，就发生了能量转移，在一个接头上吸收热量，而在另一个接

12、头上放出热量。在热电制冷装置的应用中，热电装置常称为热电块，一个热电块由多个冷接头、热接头串接而成。热电块中的电流方向决定接头是吸热还是放热的。电流如果由N型半导体进入P型半导体，则连接N型、P型半导体的接头是吸热的，称为冷接头；电流方向相反时则连接N型、P型半导体的接头放热（称为热接头）。2.3蒸气压缩制冷蒸气压缩制冷 蒸气压缩制冷和气体压缩制冷同属于压缩式制冷循环，它是以消耗一定量的机械能为代价的制冷方法。压缩制冷是最常用的制冷方式。由于气体压缩制冷过程中制冷剂不发生相态变化，无潜热利用，其单位制冷量小，要提供一定制冷量，则需相对大的设备。蒸气压缩式制冷采用在常温下及普通低温下即可液化的物

13、质为制冷剂（如氨、氟利昂等）。制冷剂在循环过程中周期性地以蒸气和液体形式存在。 蒸发器中产生的低压制冷剂蒸气在压缩机中被压缩到冷凝压力，经冷却水、空气等介质冷却后变成液体，再经节流阀膨胀到蒸发压力成为汽、液两相混合物，温度降到饱和温度，在蒸发器中蒸发，吸收热量而制冷，汽化后的蒸气被压缩机吸回，完成一个循环。2.4吸收式制冷吸收式制冷 吸收式制冷是利用溶液对其低沸点组分的蒸气具有强烈的吸收作用而在加热状态下，低沸点组分挥发出来的特点达到制冷目的。 吸收式制冷采用的工质是由低沸点物质和高沸点物质组成的工质对，其中低沸点物质为制冷剂，高沸点物质为吸收剂。 吸收式制冷不同于压缩式制冷，它是用热能替代机

14、械能来完成冷冻循环的。吸收式制冷系统还可以使用天然气、液化石油气、蒸气或电加热器作为能源。 目前广泛使用的是溴化锂水溶液吸收式制冷机。水为制冷剂，溴化锂为吸收剂，用来制作0以上的冷源发生器。1个大气压下，溴化锂的沸点1265，水的沸点为100。因此，在溴化锂水溶液上方的蒸气几乎全部为水蒸气，而溴化锂对水的吸引力很强，使溶液面上方水蒸气饱和压力比相同温度下水的饱和蒸气压低得很多。在这样低的压力下，水就可以在比常温低的温度下蒸发，吸收热量，达到制冷的目的。吸收式制冷系统按使用热源的种类分为：吸收式制冷系统按使用热源的种类分为：燃油燃气蒸气电加热太阳能岩土工程冻结制冷技术常用的有：岩土工程冻结制冷技

15、术常用的有：p盐水循环氨制冷冻结p液氮冻结p干冰冻结p混合冻结2.5 氨（氟利昂）盐水冻结系统（氨（氟利昂）盐水冻结系统（Brine System）盐水循环盐水循环-盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量盐水吸收地层热量，在盐水箱内将热量传递给蒸发器中的液氨；传递给蒸发器中的液氨；氨循环氨循环-液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩液氨变为饱和蒸气氨，再被氨压缩机压缩成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经成过热蒸气进入冷凝器冷却，高压液氨从冷凝器经贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化贮氨器，经节流阀流入蒸发器液氨在蒸发器中气化吸收周围盐水的热量；吸收周围盐水的热量；冷却水循环冷却水循环

16、-冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路冷却水在冷却水泵，冷凝器和管路中的循环叫冷却水循环。将地热和压缩机产生的热中的循环叫冷却水循环。将地热和压缩机产生的热量传递给大气。量传递给大气。2.5氨（氟利昂）盐水冻结系统氨（氟利昂）盐水冻结系统制冷技术制冷技术（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环）（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环）制冷循环一般包括四个过程：压缩制冷循环一般包括四个过程：压缩冷凝冷凝降压降压蒸发蒸发冻结管节流阀盐水盐水泵压缩机冷凝器冷却水制冷剂冷媒剂循环冷媒剂循环冷却水循环冷却水循环制冷循环制冷循环冻结地层蒸发器冷媒剂循环：冷媒剂循环：在冻结在冻结管内循环，将地层热管内循环，将地层热量带出量

17、带出冷却水循环：冷却水循环：将制冷将制冷系统的热量释放于大系统的热量释放于大气中气中冻结法中，制冷剂一般用冻结法中，制冷剂一般用氨或氟里昂，冷媒剂通常氨或氟里昂，冷媒剂通常用氯化钙溶液（盐水）用氯化钙溶液（盐水）一个大气压下气化潜热197.6K/Kg。氮的显热为1.05K/（Kg.K）2.6 液化气体系统（液氮）液化气体系统（液氮）利用液氮的潜热实现地层冻结利用液氮的潜热实现地层冻结干冰是固态的二氧化碳（CO），它是一种良好的制冷剂，广泛应用于实验研究、食品工业、医疗、机械加工和焊接等方面。干冰的平均相对密度为1.56，干冰在化学上稳定，对人无害。在大气压力下升华温度为78.5，升华潜热为57

18、3.6kJ/(kgK)。2.72.8 混合系统混合系统,盐水液氮混合冻结较多采用盐水液氮混合冻结较多采用, ,前前 期用液氮快速冻结期用液氮快速冻结, ,后期用盐水维持。后期用盐水维持。 2.9 2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标技术指标 2.9 2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标技术指标（1 1）盐水系统）盐水系统 制冷温度：-10 -35 土层：任何含水地层 地下水流速：5710-5m/s 冷量估算 ：Q=1.3.d.H.K 制冷效率 ：30% 50% 冻土速度 ：2cm/d 2.9 2

19、.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标技术指标（2 2）液氮系统）液氮系统 制冷温度：-60 -150 土层：任何含水地层 地下水流速：不限 冷量估算 ： 460kg/ m3 制冷效率 ：50% 冻土速度 ：20cm/d 配备储气罐：大于5000升2.9 2.9 四种系统的适用范围，设备容量和主要四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标技术指标（3 3）干冰系统）干冰系统 制冷温度：-20 -70 土层：任何含水地层表面 地下水流速：不能有动水 冷量估算 ： 600kg/ m3 制冷效率 ：70% 冻土速度 ：10cm/d2.9 2.9 四种系

20、统的适用范围，设备容量和主要四种系统的适用范围，设备容量和主要 技术指标技术指标（4 4）混合系统）混合系统 制冷温度：-40 -70 土层：任何含水地层 地下水流速：少量动水 冷量估算 ： Q=1.3.d.H.K 制冷效率 ：60% 冻土速度 ：3cm/d 盐水加入乙二醇 3 冻土低温特性冻土低温特性3.1 冻土及冻土分类冻土及冻土分类 冻土：冻土： 在负温条件下，岩土中的孔隙水相变结冰并胶结土颗粒成为一在负温条件下，岩土中的孔隙水相变结冰并胶结土颗粒成为一整体形成整体形成-冻土。冻土。冻土分：冻土分：天然冻土天然冻土永冻土：高温冻土、低温冻土、富冰冻土、贫冰冻土永冻土：高温冻土、低温冻土、

21、富冰冻土、贫冰冻土季节冻土季节冻土人工冻土人工冻土差异表现：差异表现：冻结对象、温度分布、温度变化、温度作用时间和历史、冻结对象、温度分布、温度变化、温度作用时间和历史、冻土体发展、冰晶构造等冻土体发展、冰晶构造等天然冻土（永冻土）与人工冻土比较天然冻土（永冻土）与人工冻土比较项目项目天然冻土天然冻土(永冻土永冻土)人工冻土人工冻土地层地层l l 寒区的任何土、岩石寒区的任何土、岩石l l 通常为含水、不稳定软弱地层通常为含水、不稳定软弱地层温度温度l l 一般不低于一般不低于-15l l 由自然气候控制由自然气候控制l l 在时空上变化小在时空上变化小l l 一般温度一般温度-20-35或更

22、低或更低l l 人为设计、控制人为设计、控制l l 按需要，时空变化大按需要，时空变化大冻结锋面冻结锋面l l 向上或向下扩展的平面向上或向下扩展的平面l l 按冻结管布置形式，一般为人为按冻结管布置形式，一般为人为设计的曲面设计的曲面承受荷载承受荷载l l 一般为长时的恒定荷载一般为长时的恒定荷载l l 一般为短期的变化荷载一般为短期的变化荷载功用功用l l 永久结构或材料永久结构或材料l l 临时结构或材料临时结构或材料 3冻土低温特性冻土低温特性3.2 冻土的构成冻土的构成人工冻土是由固体颗粒、未冻水、冰和气体构成的混合物。人工冻土是由固体颗粒、未冻水、冰和气体构成的混合物。固相固相(

23、(土颗粒土颗粒) )： 有矿物颗粒、有机质或者两者；有矿物颗粒、有机质或者两者；粘粘- -塑相塑相 ( (冰冰) )： 冰的嵌入和胶结冰的嵌入和胶结有粘滞性；有粘滞性；液相液相( (未冻水未冻水) )： 水分子部分水分子部分/ /全部充满孔隙空间；全部充满孔隙空间；气相气相( (空气空气) )： 空气充填未被水分子占领的孔隙空间空气充填未被水分子占领的孔隙空间 3 冻土低温特性冻土低温特性3.3 土中水土中水未冻土：由矿物颗粒、孔隙气和孔隙水构成未冻土：由矿物颗粒、孔隙气和孔隙水构成饱和土：忽略孔隙气，则土由固体颗粒和水构成饱和土：忽略孔隙气，则土由固体颗粒和水构成土中水：强结合水、弱结合水、

24、毛细水和自由水土中水：强结合水、弱结合水、毛细水和自由水 3 冻土低温特性冻土低温特性 静电引力静电引力距离距离固体颗粒表面固体颗粒表面负电荷负电荷分子力（对水的引力达分子力（对水的引力达1万大气压）万大气压）极性水分子自动排列极性水分子自动排列强结合水（吸着水、固态水强结合水（吸着水、固态水）：）：受静电吸力最大受静电吸力最大密度密度1.21.4g/m3冰点冰点-186，105 可排除可排除厚度十几个水分子厚度十几个水分子占总量占总量0.22%厚度厚度0.003 m。 弱结合水：弱结合水：密度大于自由水密度大于自由水冰点冰点-20-30厚度厚度0.5 m结合水不受重力影响，但可从水膜结合水不

25、受重力影响，但可从水膜厚处向薄处转移厚处向薄处转移毛细水、自由水：毛细水、自由水：毛细水不受重力影响，但其具有与毛细水不受重力影响，但其具有与自由水相近的结冰温度自由水相近的结冰温度水的粘滞系数随距离的变化水的粘滞系数随距离的变化3.4 冻土的形成冻土的形成形成过程：形成过程：土中水在冻结温度以下相变为冰并将土颗粒胶结成整体土中水在冻结温度以下相变为冰并将土颗粒胶结成整体土体的土体的“冻结温度冻结温度”（冰点）：（冰点）： 土中水稳定冻结的温度。土中水稳定冻结的温度。影响冻结温度的主要因素：影响冻结温度的主要因素：土质：土质：含水量：含水量：含盐量：含盐量：随含盐量增加冻结温度降低随含盐量增加

26、冻结温度降低 压力：压力：变化率变化率 -0.07/MPa -0.08/MPa 3 冻土低温特性冻土低温特性冻结温度适用叠加原理冻结温度适用叠加原理T0=T0w+ T0y+ T0P -1-0.8-0.6-0.4-0.2001020304050含水量/%冻结温度/CNaCL浓度浓度/mol/L0.10.20.30.51.0冻结温度冻结温度/C-0.37-0.74-1.11-1.86-3.72含水量与冻结温度的关系含水量与冻结温度的关系含盐量与冻结温度的关系含盐量与冻结温度的关系冻土形成的五阶段冻土形成的五阶段(1)(1)冷却段：冷却段：温度从初态减低到水的冰点，此时尚无冰；温度从初态减低到水的冰

27、点，此时尚无冰；(2)(2)过冷段：过冷段：温度续降至冰点下，自由水仍不结冰，呈过冷现象。主要与热温度续降至冰点下，自由水仍不结冰，呈过冷现象。主要与热平衡有关平衡有关；但若在水达到冰点且全部水未结冰前，有结冰冰晶生长或有振动但若在水达到冰点且全部水未结冰前，有结冰冰晶生长或有振动的影响，土中水将立即进入稳定冻结阶段，而无明显过冷现象产生的影响，土中水将立即进入稳定冻结阶段，而无明显过冷现象产生(3) (3) 温度突升段：温度突升段：部分孔隙水冻部分孔隙水冻结，释放潜热，温度突升；结，释放潜热，温度突升；(4) (4) 稳定冻结段：稳定冻结段：温度升至冰点温度升至冰点并稳定，孔隙水开始冻结成冰

28、，并稳定，孔隙水开始冻结成冰，冻土逐渐形成；冻土逐渐形成；(5) (5) 冻土降温段：冻土降温段：温度继续降低温度继续降低，冻结范围扩大、冻土强度增加，冻结范围扩大、冻土强度增加，吸收冷量，温度进一步减低。，吸收冷量，温度进一步减低。3.5 冻土的热物理性质冻土的热物理性质对于人工冻结工程的设计、理论计算和数值分析十分重要对于人工冻结工程的设计、理论计算和数值分析十分重要 基本指标：比热、导热系数、导温系数、潜热、热容基本指标：比热、导热系数、导温系数、潜热、热容影响因素：土温、矿物、含水量、饱和度、干密度、有机质含量等影响因素：土温、矿物、含水量、饱和度、干密度、有机质含量等 q 有冻融相变

29、的土有冻融相变的土相变与否对土的热物理性质至关重要：原因是土相变与否对土的热物理性质至关重要：原因是土中水分重分布以及液态水变成了冰。中水分重分布以及液态水变成了冰。q 若单位质量的液态水结为冰，导热系数增大近若单位质量的液态水结为冰，导热系数增大近4倍，容积热容减小倍，容积热容减小1倍倍，释放出的相变热可使等体积的土温度升高，释放出的相变热可使等体积的土温度升高150 C 3 冻土低温特性冻土低温特性 3.5 冻土热物理指标1 比热容比热容 在不发生化学反应和物质相态变化的条件下，单位质量的物单位质量的物质的温度升高或降低质的温度升高或降低1K，所吸收或放出的热量，称为该物质，所吸收或放出的

30、热量，称为该物质的比热容的比热容。不同的物质的比热容不同，同一物质在不同温度和相态下，比热容也不相同。 物质的比热容与温度有关，物质在某个温度时的比热容称为真实比热容。物质在某一温度范围内的比热容的平均值称为平均比热容。 水的比热容1.0千卡/千克.度，冰的比热容0.5千卡/千克.度， 冻土的比热容0.2千卡/千克.度左右。 在工程计算中，为简化计算，通常采用物质的平均比热容。 3.5 冻土热物理指标 2 导热系数导热系数 热导系数是物质导热能力的标志，在数值上等于单位温度梯单位温度梯度时单位面积上的热流量度时单位面积上的热流量。 热导系数是物质的物理性质之一，与其组成、内部结构、密度、压强和

31、温度有关，可由实验测定。一般而言，金属的导热系数最大，非金属次之，液体较小，气体的导热系数最小。对于大多数匀质的固体，导热系数主要受温度的影响，且大致成线性关系。冻土的导热系数在1.03.0之间。 3.5冻土热物理指标 3 热量热量 是热能发生转移时的物理量热能发生转移时的物理量，用Q表示。它不是状态参数，它与过程有关。从分子运动论来看，物质分子的运动强度越大，物质的温度就越高，当两个温度不同的物体相接触时，热量总是从高温物体传给低温物体，直到两个物体的温度相等为止。热量又有显热和潜热显热和潜热之分。4.1 概述概述力学性质力学性质意义意义冻结法工程目的：冻结法工程目的： 封闭地层封闭地层隔绝

32、地下水隔绝地下水强度、稳定性强度、稳定性保护开挖保护开挖冻土的力学性质：冻土的力学性质：受土性、含冰量、应变率和温度等控制受土性、含冰量、应变率和温度等控制确定冻土强度和变形性质参数方法：确定冻土强度和变形性质参数方法：实验室试验实验室试验 4 冻土力学性质冻土力学性质试验条件试验条件冻土强度性质描述一般都是通过在冻土强度性质描述一般都是通过在-8C -15C温度条件温度条件下的下的单轴、三轴单轴、三轴试验以及试验以及单轴蠕变单轴蠕变试验得到。采用液氮冻结试验得到。采用液氮冻结时，则需要在更低的温度下进行试验时，则需要在更低的温度下进行试验 4 冻土力学性质冻土力学性质冻土工程设计和施工中最重

33、要的冻土力学性质：冻土工程设计和施工中最重要的冻土力学性质：q 抗压强度抗压强度q 抗拉强度抗拉强度q 剪切强度剪切强度q 流变性质和长时强度流变性质和长时强度q冻胀与融沉冻胀与融沉 4 冻土力学性质冻土力学性质影响冻土强度的因素影响冻土强度的因素冻土属于流变体。冻土属于流变体。冻土强度主要受土冻土强度主要受土- -冰骨架系统的粘滞性和内摩擦所支配冰骨架系统的粘滞性和内摩擦所支配，并与冻土的形成环境、荷载、温度及变化、土性、含水，并与冻土的形成环境、荷载、温度及变化、土性、含水量、含盐量等因素有关。量、含盐量等因素有关。土性一定时，冻土强度主要取决于土性一定时，冻土强度主要取决于温度和时间温度

34、和时间 4 冻土力学性质冻土力学性质4.2 冻土抗压强度冻土抗压强度冻土组构、形成及构造的复杂性冻土组构、形成及构造的复杂性 冻土强度性质将取决于诸多因素：冻土强度性质将取决于诸多因素：含冰量含冰量密度密度粒径级配粒径级配预加荷载预加荷载扰动扰动 非均质非均质 含盐量，等含盐量，等 4 冻土力学性质冻土力学性质（1）温度、含冰量和加载应变速率温度、含冰量和加载应变速率是关键因素；是关键因素；（2）在）在细粒冻土细粒冻土中，孔隙冰与土颗粒相互联结，中，孔隙冰与土颗粒相互联结，冰强度冰强度成为决定冻成为决定冻土强度的一个重要因素；土强度的一个重要因素；（3）环绕土颗粒存在着的）环绕土颗粒存在着的未

35、冻水未冻水对冻土强度和破坏形态有相当重要对冻土强度和破坏形态有相当重要的影响。的影响。 4 冻土力学性质冻土力学性质强度强度应变速率应变速率冻土温度冻土温度增加应变速率和降低冻土温度增加应变速率和降低冻土温度提高冰骨架强度提高冰骨架强度提高冻土的抗压强度：提高冻土的抗压强度：当冰骨架占当冰骨架占58%时，温度每降低时，温度每降低1，强度大约增加，强度大约增加1.362MPa。在高应变速率（在高应变速率（1.0s-1）和低温（和低温（-40）条件下，冻土通常可视为弹条件下，冻土通常可视为弹性介质性介质 4 冻土力学性质冻土力学性质冻土抗压强度主要取决于冻土温度冻土抗压强度主要取决于冻土温度051

36、0152025303540-40-35-30-25-20-15-10-50温度 ()抗压强度 (MPa)Phukan,1980线性+ 二次 多项式形式特鲁巴克, 1 9 5 8线 性 形 式特鲁巴克, 1 9 5 8二 次 地 下 水形式吴紫旺等, 1 9 9 4线 性 形 式 , 粘土吴紫旺等, 1 9 9 4线 性 形 式 , 细中砂Baker,1978应变速率的指数形式4.2 冻土的抗压强度(1)温度对冻土强度的影响试验表明，冻土强度随着冻结温度的降低而增大。随着负温的继续增加，强度的增长逐渐变慢，所以强度与温度的关系虽然密切，但却不是线性的 。可以用下列两个简单的经验公式之一来计算饱和

37、砂的极限抗压强度 (2)含水率对冻土强度的影响 试验表明，含水率是影响冻土强度的主要因素之一。在土中含水量未达到饱和时，冻土强度随着含水率的增加而提高，但当达到饱和后，含水量继续增加时冻土强度反而会降低。当含水量比饱和含水率大的很多时，冻土强度就降低到和冰的强度差不多了。 (3)土的颗粒组成对冻土强度的影响土颗粒成分和大小是影响冻土强度的一个重要因素。试验表明，在其他相同的条件下，土颗粒愈粗，冻土强度愈高，反之就低。这主要是由于不同的颗粒成分造成土中所含结合水的差异所引起的。例如，粗砂、砂砾和砾石的颗粒粗，其中几乎没有结合水，冻土中不存在未冻水，所以冻土强度高。相反，粘土类土颗粒很细，总的表面

38、积很大，因而其表面能也大，在其中含有较多的吸附水和薄膜水，吸附水一般是完全不冻结的，薄膜水也只是部分冻结，因而在冻土中保存了较多的未冻水，使冻土的活动性和粘滞性增加，强度降低。另外，土颗粒的矿物成分和级配对强度也有一定的影响。 (4)荷载作用时间对冻土强度的影响试验表明，由于冻土的流变性，其强度随着荷载作用时间的延长而降低。在实验室条件下，荷载作用时间少于l h时的冻土强度称为瞬时强度，大于1h的强度称为长时强度。一般荷载作用200h时的破坏应力称长时强度。所以冻土的瞬时强度比长时强度要大的多，而且冻结温度愈高，两者相差愈大。当冻结温度在-4-15时，冻土长时强度与瞬时强度的比值为：（1）长时

39、抗压强度约为瞬时抗压强度的1/21/2.5；（2）长时粘结力约为瞬时粘结力的1/3；（3）长时抗剪强度约为瞬时抗剪强度的1/1.81/2.5；（4）长时抗拉强度约为瞬时抗拉强度的1/121/16。(5)冻结速度对冻土强度的影响 冻土形成的快慢速度直接影响到冰的结构若冻结速度快，冻土中的细粒冰就多，冻土强度就高。相反，若冻结速度慢，冻土中的粗粒冰含量增多，冻土强度相应降低。所以，积极冻结期的冻结状况对冻结壁的形成有重要意义。为此必须尽量降低盐水的温度，这样不仅使冻土由于温度低而强度高，同时也因冻结速度快而进一步增加其强度。采用的液氮低温快速冻结新工艺便具有这方面的优点。4.3 冻土的流变性 由于

40、冻土内存在固相水(冰)和少量液相水(未冻水)，所以使其具有显著的流变性，即冻土在荷载作用下应力和应变将随时间而变化的特性。当外力恒定时，冻土的变形随着时间的延长而增大，且没有明显的破坏特征。 国内外许多学者对冻土的本构关系做了大量的试验研究。在 实验的基础上，获得较公认的本构关系为：式中 应力，MPa； 应变，无量纲； Ai随时间变化的变形模量，MPa； m强化系数，无量纲。般m1。 应力作用下，冻土呈现与时间有关的变形性状应力作用下，冻土呈现与时间有关的变形性状“蠕变蠕变”即使在低应力水平，冻土也呈现出蠕变特性即使在低应力水平，冻土也呈现出蠕变特性蠕变率取决于蠕变率取决于含冰量含冰量、温度温

41、度和和加荷速率加荷速率冻土蠕变源于与时间有关的物理过程：冻土蠕变源于与时间有关的物理过程：q在土颗粒接触点，压力导致冰的局部融化；在土颗粒接触点，压力导致冰的局部融化；q 未冻水向低应力区域迁移；未冻水向低应力区域迁移；q孔隙冰的塑性变形；孔隙冰的塑性变形；q颗粒重分布；等。颗粒重分布；等。 4 冻土力学性质冻土力学性质蠕变变形曲线形状受温度、应力大小蠕变变形曲线形状受温度、应力大小、持续时间和冰饱和度等多种因素的、持续时间和冰饱和度等多种因素的影响，影响，富冰冻土：受第二蠕变阶段支配，仅富冰冻土：受第二蠕变阶段支配，仅具短时第一蠕变阶段具短时第一蠕变阶段贫冰冻土：受第一蠕变支配。贫冰冻土：受

42、第一蠕变支配。高应力水平：可能没有明显第一和第高应力水平：可能没有明显第一和第二蠕变阶段达到第三蠕变阶段，在短二蠕变阶段达到第三蠕变阶段，在短时内破坏。时内破坏。 冻冻土土基基本本蠕蠕变变性性质质I. 初始 阶段II.第二阶段II.第三阶段恒载荷(I.)(II.)(III.)减应变速率恒应变速率增应变速率时间 t时间 t轴向应变应 变 速 率4.4 冻土冻土抗剪强度抗剪强度试验研究表明，当正应力较小时（试验研究表明，当正应力较小时（9.8MPa），可用），可用Mohr-Coulomb强度理论确定冻土的剪切强度（强度理论确定冻土的剪切强度（Vyalov，1962） 剪切强度剪切强度= =粘聚强度

43、粘聚强度+ +摩擦阻抗。摩擦阻抗。tgCn4 冻土力学性质冻土力学性质4.5 冻土的冻胀冻土的冻胀冻冻 胀：胀：在低温在低温(负温负温)条件下，由于土中的原位水以及未冻区的水分迁条件下，由于土中的原位水以及未冻区的水分迁移到冻结区的水结冰造成体积膨胀，引起土体膨胀的现象移到冻结区的水结冰造成体积膨胀，引起土体膨胀的现象原位冻胀：原位冻胀：土中孔隙水原位冻结引起的冻胀土中孔隙水原位冻结引起的冻胀(孔隙体积孔隙体积9%)分凝冻胀：分凝冻胀：未冻区域水分向冻土区迁移、冻结所引起的冻胀未冻区域水分向冻土区迁移、冻结所引起的冻胀冻胀危害：冻胀危害：破坏地下管线、建筑物基础，恶化环境，而且伴随冻土的冻胀破

44、坏地下管线、建筑物基础，恶化环境，而且伴随冻土的冻胀一般均有相当可观的融化下沉。一般均有相当可观的融化下沉。冻胀理论：冻胀理论：真空抽吸、毛细水迁移以及薄膜水迁移等真空抽吸、毛细水迁移以及薄膜水迁移等 4 冻土力学性质冻土力学性质冻 胀 过 程 线(hpdg-3)01234020406080时 间 /h位移/mm冻深过程线(hpdg-3)012345678010203040506070时间/h冻深/cm冻胀的基本原理冻胀的基本原理土体冻胀示意图土体冻胀示意图冻土冻土 融土融土冻胀估算冻胀估算评价指标：评价指标：冻胀率、冻胀量和冻胀力冻胀率、冻胀量和冻胀力冻胀量：冻胀量：冻土表面冻胀位移的绝对值

45、，冻土表面冻胀位移的绝对值，mm，h冻胀率：冻胀率：地层冻胀量与冻结地层厚度（地层冻胀量与冻结地层厚度（H）的比值，的比值，%，冻胀力：冻胀力：冻胀受到约束时土体对约束体作用力，冻胀受到约束时土体对约束体作用力，MPa冻胀速率：冻胀速率：单位时间内土体的冻胀量的增加值，单位时间内土体的冻胀量的增加值，冻结速率：冻结速率：单位时间土体的冻结深度增加值，单位时间土体的冻结深度增加值， 4 冻土力学性质冻土力学性质100HhfUfV 地面冻胀量计算地面冻胀量计算 4 冻土力学性质冻土力学性质减少冻胀的措施减少冻胀的措施 减少人工冻土冻胀：减少人工冻土冻胀：人工地层冻结工程研究的重要课题人工地层冻结工

46、程研究的重要课题土中孔隙冰和土体冻胀的产生和发展取决于土中孔隙冰和土体冻胀的产生和发展取决于土性、外荷载、土性、外荷载、水和温度水和温度。工程条件一定，。工程条件一定，唯一可控因素唯一可控因素温度温度边界温度：控制冻结速度、温度梯度；水分迁移方向、速度边界温度：控制冻结速度、温度梯度；水分迁移方向、速度和迁移量，从而影响土中水相变速度、成冰位置和数量。和迁移量，从而影响土中水相变速度、成冰位置和数量。 4 冻土力学性质冻土力学性质4.6 冻土的融沉冻土的融沉定义：定义：冻土融化时，由于冰变成水体积减小产生土的融化沉降，若同时在冻土融化时，由于冰变成水体积减小产生土的融化沉降，若同时在融化区域发

47、生排水固结，则将引起土层的压密沉降融化区域发生排水固结，则将引起土层的压密沉降影响因素：影响因素：温度、温度梯度、荷载以及土层的物理、力学及热性质温度、温度梯度、荷载以及土层的物理、力学及热性质融化沉降量与外压力无关，压密沉降与正压力成正比。融化沉降量与外压力无关，压密沉降与正压力成正比。融沉系数描述冻土的融化沉降，压缩系数来描述融土的压密沉降。融沉系数描述冻土的融化沉降，压缩系数来描述融土的压密沉降。通常融沉要大于冻胀，有时融沉会变为突陷。通常融沉要大于冻胀，有时融沉会变为突陷。融沉的不均匀性及突陷往往会导致结构的破坏。融沉的不均匀性及突陷往往会导致结构的破坏。 4 冻土力学性质冻土力学性质

48、融化下沉的基本原理融化下沉的基本原理孔孔隙隙比比应力应力融化下沉系数（融化下沉系数（%）=下沉变形量下沉变形量融化的土层厚度融化的土层厚度q 通常融沉要大于冻胀，有时候融沉会变为突陷。融沉的不均匀性及突陷往往会导致结构的破坏。 象冻胀一样，融沉也是与温度、温度梯度、上覆荷载以及土层的物理、力学及热学性质相关的。 冻结地层温度上升，冻土发生融化，冰晶和冰膜融化成水只要条件适宜，在重力和上覆荷载的作用下将发生排水，土层重新固结。土层发生固结造成的沉降与冻结过程中形成的土粒结构的稳定性、冰融化成水释放的自由孔隙空间以及上覆荷载的重量有关。 4.6 冻土冻土的融沉的融沉 q在外荷载及融土的自重作用下，

49、冻土融化产生沉降。根据渗透固结理论，认为从已融土层的单位面积上渗出的水的体积Q（不计冰转变为水时的高度的少许降低）等于土的沉降，即是： 公式的左侧从已融土层的单位面积上渗出的水的体积。 公式的右侧是冻土沉降量。右侧的第一项是融化沉降，第二项是压密沉降。hpmhAQv 4.6 冻土的融沉冻土的融沉 4.7 4.7 冻结壁自然解冻冻结壁自然解冻 4.7 4.7 冻结壁自然解冻冻结壁自然解冻 4.7 4.7 冻结壁自然解冻冻结壁自然解冻 4.7 4.7 冻结壁自然解冻冻结壁自然解冻 5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论5.1 冻结壁的形成冻结壁的形成冻结锋面冻结锋面岩土冻结过程中，孔隙水开始发生结冰

50、相变的面岩土冻结过程中，孔隙水开始发生结冰相变的面称为，是冻土与未冻土的分界面。称为，是冻土与未冻土的分界面。冻结前地层有均一的初始温度。冻结初期，低温盐水冻结前地层有均一的初始温度。冻结初期，低温盐水冻结时间 (d )18365050272736189329与冻结管周围的地层产生剧烈与冻结管周围的地层产生剧烈的热交换，在每个冻结管周围的热交换，在每个冻结管周围很快形成圆柱形的冻结岩土柱很快形成圆柱形的冻结岩土柱 由于相邻冻结管间的影响，轴面比主面冻结更快，冻土柱由于相邻冻结管间的影响，轴面比主面冻结更快，冻土柱由圆柱形变为椭圆形，再进一步扩展，直至相交圈，在井筒周由圆柱形变为椭圆形，再进一步

51、扩展，直至相交圈，在井筒周围形成封闭的冻土墙围形成封闭的冻土墙冻结壁。冻结壁。 交圈后，原冻结管的冻结锋面连成向内扩展的内冻结锋面交圈后，原冻结管的冻结锋面连成向内扩展的内冻结锋面和向外扩展的外冻结锋面，且内、外冻结锋面很快地趋于平滑和向外扩展的外冻结锋面，且内、外冻结锋面很快地趋于平滑，当界面上的冻结壁厚度等于冻结管的间距时，内、外冻结锋，当界面上的冻结壁厚度等于冻结管的间距时，内、外冻结锋面就基本上变成以开挖通道为中心的圆柱面。面就基本上变成以开挖通道为中心的圆柱面。冻结管冻结管测温点测温点冻结锋面的扩展冻结锋面的扩展冻结时间 (d )18365050272736189329冻结孔存在偏斜

52、冻结孔存在偏斜冻结锋面形状不是规则园柱面冻结锋面形状不是规则园柱面在交圈初期：冻结锋面向内发展速度较交圈前慢，但随内侧未在交圈初期：冻结锋面向内发展速度较交圈前慢，但随内侧未冻土范围热量减小，锋面向井心推进速度加快，而冻结锋面向冻土范围热量减小，锋面向井心推进速度加快，而冻结锋面向井外的扩展速度较慢，扩展至距冻结管布置圈井外的扩展速度较慢，扩展至距冻结管布置圈23rn处，扩展处，扩展速度十分缓慢，来自未冻土区热量与来自冻结管的冷量趋于平速度十分缓慢，来自未冻土区热量与来自冻结管的冷量趋于平衡，温度场趋于稳定，冻结壁渐成以井筒为中心的园筒体。衡，温度场趋于稳定，冻结壁渐成以井筒为中心的园筒体。一

53、般冻结壁内侧厚度占一般冻结壁内侧厚度占冻结壁总厚的冻结壁总厚的.550.6倍倍5.2 冻结温度场冻结温度场研究冻结过程中土体温度随时间变化的规律。研究冻结过程中土体温度随时间变化的规律。在冻结工程中，常以主面、界面和轴面这三个特征面上的温在冻结工程中，常以主面、界面和轴面这三个特征面上的温度分布作为判断冻土形成过程、控制温度扬的依据。度分布作为判断冻土形成过程、控制温度扬的依据。“主面主面”：过冻结管布置中心与冻结管中心的竖直平面：过冻结管布置中心与冻结管中心的竖直平面“界面界面”：过井心和相邻管中心连线中点的竖直平面：过井心和相邻管中心连线中点的竖直平面“轴面轴面”：过两个相邻冻结管中心的竖

54、直平面：过两个相邻冻结管中心的竖直平面5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论三个特征面温度状况表征冻结温度场基本特点，是测温的主三个特征面温度状况表征冻结温度场基本特点，是测温的主要对象，尤其是界面与轴面交点上的温度值直接关系到冻结要对象，尤其是界面与轴面交点上的温度值直接关系到冻结园柱是否交圈。园柱是否交圈。 冻结时间 (d )18365050272736189329冻结过程冻结扩展冻结过程冻结扩展1主面主面 2 轴面轴面 3 界面界面 4 冻结管冻结管 5 冻结管布置冻结管布置圈径中心圈径中心 5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论冻结温度场求解冻结温度场求解求解温度场是进行热力计算的重要工作

55、、是进行冻结壁计算求解温度场是进行热力计算的重要工作、是进行冻结壁计算的重要前提，目的的重要前提，目的:l l 求冻结壁的平均温度，确定冻土强度；求冻结壁的平均温度，确定冻土强度；l l 确定冻结锋面的位置，计算冻结壁的厚度；确定冻结锋面的位置，计算冻结壁的厚度；l l 计算热量，确定冻结站的制冷能力；计算热量，确定冻结站的制冷能力；确定冻结壁的扩展速度，估算积极冻结时间。确定冻结壁的扩展速度，估算积极冻结时间。 5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论由于冻结壁在冻结管轴向方向由于冻结壁在冻结管轴向方向的尺寸较径向方向大得多，且的尺寸较径向方向大得多，且在冻结过程中土层在冻结管轴在冻结过程中土层

56、在冻结管轴向方向的热传导相对弱得多，向方向的热传导相对弱得多，故水平冻结温度场可简化为平故水平冻结温度场可简化为平面轴对称间题面轴对称间题 冻结温度场的求解间题是一个有相变、移动边界、内热源、边冻结温度场的求解间题是一个有相变、移动边界、内热源、边界条件复杂的不稳定导热问题。界条件复杂的不稳定导热问题。冻结温度场冻结温度场 5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论冻结主面、界面温度试验研究：当冻结壁厚度与冻结管间距相冻结主面、界面温度试验研究：当冻结壁厚度与冻结管间距相同时，冻结壁的两个冻结锋面就成了与开挖通道同心的圆柱面同时，冻结壁的两个冻结锋面就成了与开挖通道同心的圆柱面；冻结壁向内侧发展得快

57、，约占总厚度的；冻结壁向内侧发展得快，约占总厚度的55%60%， 主、界面温度主、界面温度分布试验结果分布试验结果 5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论为能估算冻结壁体内的平均温度、冻结壁交圈时间、确定冻结壁为能估算冻结壁体内的平均温度、冻结壁交圈时间、确定冻结壁的强度，须研究轴面温度分布的强度，须研究轴面温度分布轴面温度分布轴面温度分布试验研究结果试验研究结果 5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论q 在测温点温度为负值时，适用冻结区埋论（对数曲线），此时 式中，t测温点处的冻土温度， ts盐水温度，； rf冻土半径，m； r冻土温度为t处的冻土半径，m； r冻结管半径，m；冰冻区的温度分布自

58、冷源（冻结管）至冻土边缘等温线呈对数曲线变化。 rrn1rrn1ttffe 5 5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论 q 在测温点温度为正值时，运用降温区理论（高斯误差函数），此时 ：q 式中，x测温点与冻土连缘的最小距离，m； t测温点的土层温度，； t0土层的原始温度，； 圆周率； 冻结时间，h； a冻结土层的导温系数，m2h； )a4/x(det2ta4/2xa4/x00 5 5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论 5 5 土体冻结基本理论土体冻结基本理论 冻结壁平均温度计算：冻结壁平均温度计算：6 6 冻胀融沉及其控制冻胀融沉及其控制6.1 冻胀、融沉控制冻胀、融沉控制土之所以形成冻胀必

59、需具备三个条件：土之所以形成冻胀必需具备三个条件：（1）冻胀敏感性土；）冻胀敏感性土；（2）边界温度低于孔隙水起始冻结温度；）边界温度低于孔隙水起始冻结温度；（3）具有补给水源或较高的地下水位。）具有补给水源或较高的地下水位。冻胀的机理冻胀的机理条件（条件（1）（）（2）分别提供了未冻水向冻区迁移）分别提供了未冻水向冻区迁移的可能通道和驱动力，的可能通道和驱动力，条件（条件（3）则保证了水源的补给。）则保证了水源的补给。 6.26.2冻胀、融沉控制冻胀、融沉控制 序序号号减小冻胀措施减小冻胀措施说明说明应用工程及效果应用工程及效果1 1冻土帷幕体积冻土帷幕体积减小至需要的减小至需要的最低限最低限冻结帷幕设计在保证一定冻结帷幕设计在保证一定安全系数下取最小冻土厚安全系数下取最小冻土厚度度东京地铁东京地铁1010号线和号线和1111号号线冻结工程线冻结工程2 2合理冻结顺序合理冻结顺序必要时可以让冻结壁留有必要时可以让冻结壁留有缺口