人工冻结法的施工技术研究_毕业论文(编辑修改稿)

人工冻结法的施工技术研究_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 9 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。 10 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。 2020 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。 11 第二章 冻土描述及其性质 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。 冻土分类 按含冰特征 Ⅰ 未冻土：处于非冻结状态的岩、土；按土的分类标准 进行定名； Ⅱ 冻土： 肉眼看不见的分凝冰的冻土（ N）： ① 胶结性差，易碎的冻土（ Nf） ； ② 无过剩冰的冻土（ Nbn）； ③ 胶结性良好的冻土（ Nb）； ④ 有过剩冰的冻土（ Nbc）； 均可命名为 少冰冻土（ S）。 肉眼可见分 凝冰，但冰层厚度小于 （ V）： ① 单个冰晶体或冰包裹体的冻土（ Vx），可定名为少冰冻土（ S）； ② 在颗粒周围有冰膜的冻土（ Vc），可定名为多冰冻土（ D）； ③ 不规则走向的冰条带冻土（ Vr），可定名为富冰冻土（ F）； ④ 层状或明显定向的冰条带冻土（ Vs），可定名为饱冰冻土（ B）。 Ⅲ 厚层冰：冰厚度大于 （ ICE）： ① 含土冰层（ ICE+土类符号），可定名为含土冰层（ H） ② 纯冰层（ ICE），定名为 ICE+土类符号 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 21 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。 12 表 21 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 T≥2 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 T1 年 最低月平均地面温度 ≤0 季节冻结 按活动层与下卧层的类别及其关系分类 我国季节性冻土主要分布在长江流域以北、东北多年冻土南 界以南和高海拔多年冻土下界以下的广大地区，面积约 514 万平方公里。 在多年冻土地区可根据活动层与下卧层的类别及其衔接关系，分为季节 冻土 层和季节融化层两种类型（见表 22）。 表 22 季节活动层的类型和分布 类型 年平均地温（ ℃ ） 最大厚度（ m） 下卧地层 分布地区 季节冻土层 0 2~3（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 0 2~3（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 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 ，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 23 数值时，称为盐渍化冻土。 表 23 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 盐渍化冻土的盐渍度（ ζ）可按下式计算： 13 %100d  gmg 式中： gm ——冻 土中含易溶盐的质量（ g）； dg ——土骨架质量（ g）。 冻土的泥炭化程度超过表 24 中数值时，称为泥炭化冻土。 表 24 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（ %） 3 5 泥炭化动土的泥炭化程度（ ζ）可按下式计算： %100d  gm 式中： m ——冻土中含植物残渣和泥炭的质量（ g）； dg ——土骨架质量（ g）。 按体积压缩系数（ vm ）或总含水量（ ω）划分为坚硬冻土、塑性冻土和松散冻土。 坚硬冻土： vm ≤；塑性冻土： vm ＞ ；松散冻土： ω≤3%。 14 冻土构造类别 冻土的构造类别如表 25 所示： 表 25 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 ① 岩性多为细颗粒土，但砂砾石土冰洁也可产生此种构造。 ② 一般分布在长草或有树的阶地和缓坡地带以及其他地带。 ③ 土壤湿度：稍湿 ω＜ωp(土壤的塑限 ) ① 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。 ② 细颗粒土冻结，呈整体状。 ③ 冻结强度一般（中等），可用锤子击碎。 ① 融化后原土结构不产生变化。 ② 无渗水现象。 ③ 融化后不产生融沉现象。 层 状 构 造 微层状（冰厚一般可达1~5mm） ① 岩性以粉砂土或黏性土为主。 ② 多分布在冲 —洪积扇及阶地其他地带，地被物较茂密。 ③ 土壤湿度：潮湿 ωp＜ ω＜ ωp+7 ① 粗颗粒土冻结，孔隙被较多冰晶充填，偶尔可见薄冰层。 ② 细颗粒土冻结，呈微层状构造，可见薄冰层或薄透镜体冰。 ③ 冻结强度很高， 不易击碎 ① 融化后原土体积缩小，现象不明显。 ② 有少量水分渗出。 ③ 融化后产生弱融沉现象。 15 层 状 构 造 层状（冰厚一般可达5~10mm） ① 岩性以粉砂土为主。 ② 一般分布在阶地或塔头沼泽地带。 ③ 有一定的水源补给条件 ④ 土壤湿度：很湿 ωp+7＜ ω＜ ωp+15 ① 粗颗粒土如砾石被冰分离，可见到较多并透镜体。 ② 细颗粒土冻结，可见到冰层状。 ③ 冻结强度高很难击碎 ① 融化后土体积缩小。 ② 有少量水分渗出。 ③ 融化后产生融沉现象。 网 状 构 造 网状（冰厚一般可达10~25mm） ① 岩性以细颗粒土为主。 ② 一般分布在塔头沼泽和低洼地带。 ③ 土壤湿度：饱和 ωp+15＜ ω＜ ωp+35 ① 粗颗粒土冻结，有大量冰层或冰透体存在。 ② 细颗粒土冻结，冻土互层。 ③ 冻结强度偏低，易击碎。 ① 融化后土体积明显缩小，水土界限分明，并可成流动状态。 ② 融化后产生融沉现象 厚层网状（冰层一般可达25mm 以上） ① 岩性以细颗粒土为主。 ② 分布在低洼积水地带，植被以塔头、苔藓、灌丛为主。 ③ 土壤湿度：超饱和 ω＞ ωp+35 ① 以中厚层状构造为主。 ② 冰体积大于土体积。 ③ 冻结强度很低，极。