主要內(nèi)容1凍結(jié)法概述2人工凍結(jié)制冷系統(tǒng)3凍結(jié)法設(shè)計原則4凍土物理和熱學(xué)性質(zhì)5凍土力學(xué)性質(zhì)6土體凍結(jié)基本理論立井工程凍結(jié)法實例8地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)9城市地下工程凍結(jié)法實例10凍脹、融沉控制及強制解凍技術(shù)11凍結(jié)信息化監(jiān)測技術(shù)1.1人工地層凍結(jié)法

凍結(jié)法定義：

用人工制冷的方法，將待開挖地下空間周圍的巖土中的水凍結(jié)為冰并與巖土膠結(jié)在一起，形成一個預(yù)定設(shè)計輪廓的凍結(jié)壁或密閉的凍土體，用以抵抗水土壓力、隔絕地下水，并在凍結(jié)壁的保護下，進行地下工程的施工。1概述——凍結(jié)巖土性質(zhì)的改變將含水地層（松散土層和裂隙巖層）在結(jié)冰溫度下冷卻，巖石裂隙或土孔隙中的水變成冰，巖土的性質(zhì)發(fā)生決定性的變化。這一變化具有雙重意義：

材料：（1）土體中水分凍結(jié)，提高一定范圍內(nèi)巖土的強度（2）減低一定范圍巖土體滲透性——創(chuàng)造新工程材料

結(jié)構(gòu)：在普通結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)建了新的工程結(jié)構(gòu)?！獌鼋Y(jié)法

將這一性質(zhì)改良后的凍結(jié)巖土(凍土)用于地下工程施工期內(nèi)的承載（結(jié)構(gòu)功能）和密封（材料功能）1概述——凍土的形成為構(gòu)造高承載力和密封防水的凍結(jié)壁，在土中相應(yīng)位置布置和施工凍結(jié)孔——安設(shè)凍結(jié)管，通過凍結(jié)管中循環(huán)的低溫冷媒劑將土體中的熱量帶出，使地層降溫并使土中水結(jié)為冰。在凍結(jié)初期，凍土僅在緊靠凍結(jié)管周圍形成凍土柱；隨凍結(jié)過程的繼續(xù)，凍土柱漸漸擴大并相互連接，在預(yù)計的凍結(jié)時間后，凍土體達到設(shè)計厚度——形成凍結(jié)壁.1概述1概述1概述1概述1概述1概述1概述——環(huán)境友好的的施工方法凍結(jié)只是臨時改改變巖土的承載載、密封性能，，為構(gòu)筑新的地地下空間服務(wù)，，施工完成后，，根據(jù)需要可拔拔除凍結(jié)管，凍凍土將解凍融化化，土將逐漸恢恢復(fù)到未凍結(jié)狀狀態(tài)。凍結(jié)法不污染環(huán)環(huán)境，是“綠色色”施工方法1概述——凍結(jié)法具備的優(yōu)優(yōu)點(1)安全性好，可有效的隔絕地地下水；(2)適應(yīng)面廣，適用于任何含一一定水量的松散散巖土層，在復(fù)復(fù)雜水文地質(zhì)(如軟土、含水不不穩(wěn)定土層、流流砂、高水壓及及高地壓地層)條件下凍結(jié)技技術(shù)有效、可行行；(3)靈活性好，可以人為地控制制凍結(jié)體的形狀狀和擴展范圍，，必要時可以繞繞過地下障礙物物進行凍結(jié)；(4)可控性較好，凍結(jié)加固土體均均勻、完整；(5)經(jīng)濟上較合理。1概述——凍結(jié)法設(shè)計計與施工(1)根據(jù)工工程、地質(zhì)、水水文和環(huán)境條件件進行凍結(jié)設(shè)計計：——確定凍土結(jié)結(jié)構(gòu)形式——選擇制冷方方式——布置凍結(jié)系系統(tǒng)——確定凍結(jié)溫溫度——估算凍結(jié)時時間，等。(2)待設(shè)計計凍土結(jié)構(gòu)形成成后，在其保護護下進行地下工工程的掘進、支支護和設(shè)備安裝裝等工作。1概述1.2凍結(jié)法法簡史國外l862年：英國，率先先用凍結(jié)法成功功進行深基坑開開挖圍護l872年：德國，首先先應(yīng)用于礦井建建設(shè)。魯爾區(qū)凍凍結(jié)井深超過600m1888年：美國，用于于煤礦礦井開挖挖l965年：加拿大，開開挖l089米礦井，凍結(jié)深深度684米1952至l98l年間：北美，用用凍結(jié)法鑿井達達29個迄今為止，各國國凍結(jié)井最大凍凍結(jié)深度：英國國930m，美國915m，波蘭860m，加拿大634m，比利時638m，前蘇聯(lián)620m，德國531m，法國550m，中國702m1979年：美美國，地下核電電站基坑、直徑徑40m、深6m基礎(chǔ)80年代：蘇聯(lián)聯(lián)，城市地鐵大大廳35座、隧隧道35項，高高l38.5m、重27000噸大樓基坑坑開挖支護1962以來：：日本，超過300個大型凍凍結(jié)工程，其中中有通過河流、、鐵路、公路和和其它構(gòu)筑物下下的隧道工程、、擋土墻工程、、與盾構(gòu)施工有有關(guān)的工程等20世紀中葉起起：波蘭、德國國、法國、瑞士士、比利時、意意大利、奧地利利、挪威、西班班牙、芬蘭、澳澳大利亞、法國國、荷蘭、加拿拿大等我國情況1955年，我我國首次在開灤灤林西風(fēng)井使用用鹽水凍結(jié)法鑿鑿井并獲得成成功；至今今已經(jīng)凍結(jié)近1000個井筒筒.70年代初，北北京地鐵凍結(jié)長長90m，垂深深28m上世紀80年代代，東海拉爾水水泥廠的上料倉倉基坑；1988年，鳳鳳臺淮河大橋主主橋墩基礎(chǔ)工程程1993年，上上海地鐵一號線線1個泵站和3個隧道貫通道道結(jié)合部1998年，北北京地鐵大北窯窯車站南隧道水水平凍結(jié)施工，，長45m2000年以后后,上海大量越越江隧道和地鐵鐵工程使用凍結(jié)結(jié)法.1概述1.3工程應(yīng)應(yīng)用簡介目前，凍結(jié)法在在地下工程中廣廣泛應(yīng)用于以下下領(lǐng)域：——立井工程——斜井工程——地基基礎(chǔ)——基坑穩(wěn)定——隧道工程——其他巖土工程1概述可用來獲得低溫溫的方法很多，，一般有以下幾幾種相變制冷蒸氣壓縮制冷吸收制冷熱電制冷2凍結(jié)系統(tǒng)種類2.1相變制冷冷相變是指物質(zhì)固固態(tài)、液態(tài)、氣氣態(tài)三者之間變變化過程。在相相變過程中要吸吸收或放出熱量量。相變制冷就就是利用物質(zhì)相相變時的吸熱效效應(yīng)，如固體物物質(zhì)在一定溫度度下的融化或升升華，液體汽化化。干冰是固態(tài)的二二氧化碳（CO2），它是一種良良好的制冷劑，，廣泛應(yīng)用于實實驗研究、食品品工業(yè)、醫(yī)療、、機械加工和焊焊接等方面。干干冰的平均相對對密度為1.56，干冰在化化學(xué)上穩(wěn)定，對對人無害。在大大氣壓力下升華華溫度為－78.5℃，升華華潛熱為573.6kJ/(kg·K)。。2凍結(jié)系統(tǒng)種類2.2熱電制冷冷熱電制冷又稱溫溫差電效應(yīng)、電電子制冷等，它它是建立在珀爾爾帖效應(yīng)原理上上的。1834年珀爾爾貼發(fā)現(xiàn)當一塊塊N型半導(dǎo)體（（電子型）和一一塊P型半導(dǎo)體體（空穴型）聯(lián)聯(lián)成電偶時，在在這個電路中接接上一個直流電電源，電偶上有有電流通過時，，就發(fā)生了能量量轉(zhuǎn)移，在一個個接頭上吸收熱熱量，而在另一一個接頭上放出出熱量。在熱電制冷裝置置的應(yīng)用中，熱熱電裝置常稱為為熱電塊，一個個熱電塊由多個個冷接頭、熱接接頭串接而成。。熱電塊中的電電流方向決定接接頭是吸熱還是是放熱的。電流流如果由N型半半導(dǎo)體進入P型型半導(dǎo)體，則連連接N型、P型型半導(dǎo)體的接頭頭是吸熱的，稱稱為冷接頭；電電流方向相反時時則連接N型、、P型半導(dǎo)體的的接頭放熱（稱稱為熱接頭）。。2凍結(jié)系統(tǒng)種類2.3蒸氣壓縮縮制冷蒸氣壓縮制冷和和氣體壓縮制冷冷同屬于壓縮式式制冷循環(huán)，它它是以消耗一定定量的機械能為為代價的制冷方方法。壓縮制冷冷是最常用的制制冷方式。由于于氣體壓縮制冷冷過程中制冷劑劑不發(fā)生相態(tài)變變化，無潛熱利利用，其單位制制冷量小，要提提供一定制冷量量，則需相對大大的設(shè)備。蒸氣氣壓縮式制冷采采用在常溫下及及普通低溫下即即可液化的物質(zhì)質(zhì)為制冷劑（如如氨、氟利昂等等）。制冷劑在在循環(huán)過程中周周期性地以蒸氣氣和液體形式存存在。蒸發(fā)器中中產(chǎn)生的的低壓制制冷劑蒸蒸氣在壓壓縮機中中被壓縮縮到冷凝凝壓力，，經(jīng)冷卻卻水、空空氣等介介質(zhì)冷卻卻后變成成液體，，再經(jīng)節(jié)節(jié)流閥膨膨脹到蒸蒸發(fā)壓力力成為汽汽、液兩兩相混合合物，溫溫度降到到飽和溫溫度，在在蒸發(fā)器器中蒸發(fā)發(fā)，吸收收熱量而而制冷，，汽化后后的蒸氣氣被壓縮縮機吸回回，完成成一個循循環(huán)。2凍結(jié)系統(tǒng)統(tǒng)種類2.4吸吸收式制制冷吸收式制制冷是利利用溶液液對其低低沸點組組分的蒸蒸氣具有有強烈的的吸收作作用而在在加熱狀狀態(tài)下，，低沸點點組分揮揮發(fā)出來來的特點點達到制制冷目的的。吸收式制制冷采用用的工質(zhì)質(zhì)是由低低沸點物物質(zhì)和高高沸點物物質(zhì)組成成的工質(zhì)質(zhì)對，其其中低沸沸點物質(zhì)質(zhì)為制冷冷劑，高高沸點物物質(zhì)為吸吸收劑。。吸收式制制冷不同同于壓縮縮式制冷冷，它是是用熱能能替代機機械能來來完成冷冷凍循環(huán)環(huán)的。吸吸收式制制冷系統(tǒng)統(tǒng)還可以以使用天天然氣、、液化石石油氣、、蒸氣或或電加熱熱器作為為能源。。2凍結(jié)系統(tǒng)統(tǒng)種類目前廣泛泛使用的的是溴化化鋰水溶溶液吸收收式制冷冷機。水水為制冷冷劑，溴溴化鋰為為吸收劑劑，用來來制作0℃以上上的冷源源發(fā)生器器。1個個大氣壓壓下，溴溴化鋰的的沸點1265℃，水水的沸點點為100℃。。因此，，在溴化化鋰水溶溶液上方方的蒸氣氣幾乎全全部為水水蒸氣，，而溴化化鋰對水水的吸引引力很強強，使溶溶液面上上方水蒸蒸氣飽和和壓力比比相同溫溫度下水水的飽和和蒸氣壓壓低得很很多。在在這樣低低的壓力力下，水水就可以以在比常常溫低的的溫度下下蒸發(fā)，，吸收熱熱量，達達到制冷冷的目的的。2凍結(jié)系統(tǒng)統(tǒng)種類吸收式制制冷系統(tǒng)統(tǒng)按使用用熱源的的種類分分為：燃油燃氣蒸氣電加熱太陽能巖土工程程凍結(jié)制制冷技術(shù)術(shù)常用的的有：鹽水循環(huán)環(huán)氨制冷冷凍結(jié)液氮凍結(jié)結(jié)干冰凍結(jié)結(jié)混合凍結(jié)結(jié)2凍結(jié)系統(tǒng)統(tǒng)種類2凍結(jié)系統(tǒng)統(tǒng)種類2.5氨（氟利利昂）－－鹽水凍凍結(jié)系統(tǒng)統(tǒng)（BrineSystem））鹽水循環(huán)環(huán)------鹽水吸吸收地層層熱量，，在鹽水水箱內(nèi)將將熱量傳傳遞給蒸蒸發(fā)器中中的液氨氨；氨循環(huán)------液液氨變?yōu)闉轱柡驼粽魵獍?，，再被氨氨壓縮機機壓縮成成過熱蒸蒸氣進入入冷凝器器冷卻，，高壓液液氨從冷冷凝器經(jīng)經(jīng)貯氨器器，經(jīng)節(jié)節(jié)流閥流流入蒸發(fā)發(fā)器液氨氨在蒸發(fā)發(fā)器中氣氣化吸收收周圍鹽鹽水的熱熱量；冷卻水循環(huán)--------冷卻卻水在冷卻水泵，，冷凝器和管路中中的循環(huán)叫冷卻水水循環(huán)。將地?zé)岷秃蛪嚎s機產(chǎn)生的熱熱量傳遞給大氣。。2.5氨（氟利昂）－鹽鹽水凍結(jié)系統(tǒng)制冷技術(shù)（制冷系統(tǒng)、冷媒媒劑循環(huán)、冷卻水水循環(huán)）制冷循環(huán)一般包括括四個過程：壓縮縮—冷凝—降壓——蒸發(fā)冷媒劑循環(huán)：在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)，，將地層熱量帶出出冷卻水循環(huán)：將制冷系統(tǒng)的熱量量釋放于大氣中凍結(jié)法中，制冷劑劑一般用氨或氟里里昂，冷媒劑通常常用氯化鈣溶液（（鹽水）2凍結(jié)系統(tǒng)種類一個大氣壓下氣化化潛熱197.6KＪ/Kg。氮的顯熱為1.05KＪ/（Kg.K）2.6液化氣體系統(tǒng)（液液氮）利用液氮的潛熱實實現(xiàn)地層凍結(jié)2凍結(jié)系統(tǒng)種類液氮凍結(jié)原理圖2凍結(jié)系統(tǒng)種類干冰是固態(tài)的二氧氧化碳（CO２），它是一種良好的制冷劑，廣泛應(yīng)應(yīng)用于實驗研究、、食品工業(yè)、醫(yī)療、機械加工和焊焊接等方面。干冰冰的平均相對密度為1.56ｇ／／ｃｍ３，干冰在化學(xué)上穩(wěn)穩(wěn)定，對人無害。在大氣壓力力下升華溫度為－－78.5℃，升升華潛熱為573.6kJ/(kg·K)。2.7二氧化碳（干冰，，CO2）制冷2凍結(jié)系統(tǒng)種類2.8混合系統(tǒng),鹽水液氮混合凍結(jié)結(jié)較多采用,前期用液氮快速凍結(jié)結(jié),后期用鹽水維持。。2.9四種系統(tǒng)的適用范范圍，設(shè)備容量和和主要技術(shù)指標2.9四種系系統(tǒng)的適用范圍，，設(shè)備容量和主要要技術(shù)指標（1）鹽水系統(tǒng)制冷溫度：-10℃～-35℃土層：任何何含水地層地下水流速：υ≤5．7﹡10-5m/s冷量估算：Q=1.3.π.d.H.K制冷效率：30%~50%凍土速度：2cm/d2.9四種系統(tǒng)的適用范范圍，設(shè)備容量和和主要技術(shù)指標（2）液氮系統(tǒng)制冷溫度：-60℃～-150℃土層：任何何含水地層地下水流速：不限限冷量估算：460kg/m3制冷效率：50%凍土速度：20cm/d配備儲氣罐：大于于5000升2.9四種系統(tǒng)統(tǒng)的適用范圍，設(shè)設(shè)備容量和主要技術(shù)指標（3）干冰系統(tǒng)制冷溫度：-20℃～-70℃土層：任何何含水地層表面地下水流速：不能能有動水冷量估算：600kg/m3制冷效率：70%凍土速度：10cm/d2.9四種系統(tǒng)統(tǒng)的適用范圍，設(shè)設(shè)備容量和主要技術(shù)指標（4）混合系統(tǒng)制冷溫度：-40℃～-70℃土層：任何何含水地層地下水流速：少量量動水冷量估算：Q=1.3.π.d.H.K制冷效率：60%凍土速度：3cm/d鹽水加入乙二醇3.1凍結(jié)法設(shè)設(shè)計先期準備工作在進行凍結(jié)設(shè)計之之前，有必要評價價有關(guān)施工環(huán)境的的要求以及凍結(jié)方方法的適應(yīng)性等，，這是凍結(jié)設(shè)計的的基礎(chǔ)。（1）在施工環(huán)境境方面l允許沉降和水平位移的量值值l允許震動的可能性、噪聲的的大小l控制凍脹的范圍和量值l凍結(jié)鉆進的可能位置l施工場地條件l施工工期和時間3凍結(jié)法設(shè)計原原則（2）在工程條件件方面l凍結(jié)壁功能，密封、承載或密密封和承載l凍結(jié)壁形狀與尺寸l地層特征、分層l地層初始溫度及變化l土性，粒徑、密度、塑塑限與液限、含水水量、飽和度l土的熱參數(shù)的獲取，經(jīng)驗或試試驗l可能產(chǎn)生凍脹的土層，實驗室試試驗3凍結(jié)法設(shè)計原原則l地下水，水位、變化波動動范圍、流速、方方向l地下水的含鹽量l凍土的強度和變形性質(zhì)（3）在技術(shù)方法方面凍結(jié)制冷方式，制制冷機、液氮或其其它凍結(jié)方式3凍結(jié)法設(shè)計原原則

（1）

地質(zhì)、水文地質(zhì)及土性研究 ——土礦物種類 ——土密度 ——含水量 ——滲透性 ——孔隙體積→凍結(jié)法的適用性→凍結(jié)工作的可能性→凍結(jié)管的處理

（2）凍土性質(zhì) ——單軸、三軸試驗 ——蠕變試驗 ——凍脹試驗、結(jié)冰溫度試驗→與時間、溫度和荷載有關(guān)的強度和變形性質(zhì)（設(shè)計基礎(chǔ)）

（3）周圍建筑物的評價 ——上部建筑 ——工場管線 ——交通道路→凍結(jié)工作的處理→變形，尤其是凍脹（4）凍結(jié)壁設(shè)計 ——凍結(jié)壁中的力和應(yīng)力→凍結(jié)壁的理論尺寸（5）施工監(jiān)測（信息化施工） ——變形、溫度、壓力等監(jiān)測→特殊內(nèi)容的觀測與控制（采用特殊措施的判定基礎(chǔ)）必要的預(yù)研究項目目設(shè)計工作內(nèi)容進行一項技術(shù)可行行、經(jīng)濟合理的巖巖土凍結(jié)工程的前前提是在凍結(jié)施工工前進行凍結(jié)設(shè)計計。工程意義上的凍結(jié)結(jié)項目的設(shè)計工作作包括：凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)形式、、支護方法、凍結(jié)結(jié)方案、凍結(jié)壁尺尺寸、凍結(jié)管布置置、凍結(jié)過程、凍凍結(jié)時間、凍結(jié)系系統(tǒng)、凍結(jié)設(shè)備、、監(jiān)測等3凍結(jié)法設(shè)計原原則凍結(jié)項目的設(shè)計工工作l設(shè)計凍結(jié)壁結(jié)構(gòu)形形式，需考慮如下下因素—地質(zhì)、水文地地質(zhì)條件—滿足工程強度度和（或）密封需需求—方便施工—節(jié)省投資l臨時支護方法—純凍結(jié)—與其它加固方方法組合3凍結(jié)法設(shè)計原原則l優(yōu)選凍結(jié)方案—一次凍結(jié)—分期凍結(jié)—局部凍結(jié)l確定凍結(jié)壁尺寸—確定外載荷—確定平均溫度—試驗凍土強度—計算凍土結(jié)構(gòu)強度度與穩(wěn)定性3凍結(jié)法設(shè)計原原則3凍結(jié)法設(shè)計原原則3凍結(jié)法設(shè)計原原則3凍結(jié)法設(shè)計原原則l合理布置凍結(jié)管—確定布置方式：垂垂直、傾斜、水平平、混合—確定凍結(jié)管深度—確定凍結(jié)管間距l(xiāng)選擇凍結(jié)階段的凍凍結(jié)過程—連續(xù)凍結(jié)、凍結(jié)溫溫度—間歇凍結(jié)、凍結(jié)溫溫度l凍結(jié)時間確定—凍結(jié)速率—積極凍結(jié)時間—維護凍結(jié)時間—與巖土工程施工的的銜接3凍結(jié)法設(shè)計原原則l凍結(jié)系統(tǒng)設(shè)計—選擇制冷劑、、冷媒劑—計算制冷量—制冷系統(tǒng)設(shè)計計l凍結(jié)設(shè)備選型—選擇制冷機組組—布置凍結(jié)管路路l監(jiān)測設(shè)計—監(jiān)測目的與內(nèi)內(nèi)容（溫度、變形形、壓力等）—監(jiān)測傳感器—監(jiān)測系統(tǒng)3凍結(jié)法設(shè)計原原則3.2凍結(jié)施工步步驟一般講，用氨———鹽水循環(huán)制冷系系統(tǒng)進行凍結(jié)工程程施工主要有三大大部分組成，即——凍結(jié)站安裝——凍結(jié)孔施工——地層凍結(jié)3凍結(jié)法設(shè)計計原則凍結(jié)站安裝—凍結(jié)站位置選擇擇。以供冷、電、、水及排水方便為為原則，考慮對環(huán)環(huán)境的影響以及消消防、通風(fēng)等安全全要求，靠近工地地—凍結(jié)站設(shè)備布置置。一般站內(nèi)布置置氨循環(huán)系統(tǒng)和鹽鹽水循環(huán)系統(tǒng)，站站外布置冷卻水循循環(huán)系統(tǒng)—凍結(jié)站安裝程序序。凍結(jié)站安裝可可與凍結(jié)孔鉆進同同時進行—管路耐壓密封試試驗。安裝完畢，，進行耐壓、密封封試驗—管路隔熱保溫。。低壓、低溫部分分隔熱、保溫，減減少損失—管路灌注制冷劑劑和冷媒劑若設(shè)計用液氮凍結(jié)結(jié)凍結(jié)，則凍結(jié)站站安裝工作要簡化化得多3凍結(jié)法設(shè)計計原則凍結(jié)孔施工—鉆孔布置—凍結(jié)孔鉆進—凍結(jié)孔測斜—凍結(jié)管安裝土體凍結(jié)—鹽水流量觀測—管路溫差觀測—土體溫度觀測—確定凍結(jié)時間4凍土低溫特特性4.1凍土及凍凍土分類凍土：在負溫條件下，巖巖土中的孔隙水相相變結(jié)冰并膠結(jié)土土顆粒成為一整體體形成---凍土。凍土分：天然凍土永凍土：高溫凍土土、低溫凍土、富富冰凍土、貧冰凍凍土季節(jié)凍土人工凍土差異表現(xiàn)：凍結(jié)對象、溫度分分布、溫度變化、、溫度作用時間和和歷史、凍土體發(fā)發(fā)展、冰晶構(gòu)造等等天然凍土（永凍土土）與人工凍土比比較項目天然凍土(永凍土)人工凍土地層 l

寒區(qū)的任何土、巖石 l通常為含水、不穩(wěn)定軟弱地層溫度

l

一般不低于-15℃ l

由天然氣候控制 l

在時空上變化小 l

一般溫度-20℃~-35℃或更低 l

人為設(shè)計、控制 l

按需要，時空變化大凍結(jié)鋒面

l

向上或向下擴展的平面 l

按凍結(jié)管布置形式，一般為人為設(shè)計的曲面承受荷載

l

一般為長時的恒定荷載 l

一般為短期的變化荷載功用 l

永久結(jié)構(gòu)或材料 l

臨時結(jié)構(gòu)或材料4凍土低溫特性4.2凍土的構(gòu)構(gòu)成人工凍土是由固體體顆粒、未凍水、、冰和氣體構(gòu)成的的混合物。固相(土顆粒)：：有礦物顆粒、有機機質(zhì)或者兩者；塑-粘相(冰)：：冰的嵌入和膠結(jié)——有粘滯性；液相(未凍水)：：水分子部分/全部部充滿孔隙空間；；氣相(空氣)：空氣充填未被水分分子占領(lǐng)的孔隙空空間4凍土低溫特特性4.3土中水未凍土：由礦物顆顆粒、孔隙氣和孔孔隙水構(gòu)成飽和土：忽略孔隙隙氣，則土由固體體顆粒和水構(gòu)成土中水：強結(jié)合水水、弱結(jié)合水、毛毛細水和自由水4凍土低溫特特性固體顆粒表面—負負電荷——分子力力（對水的引力達達1萬大氣壓）———極性水分子自自動排列強結(jié)合水（吸著水水、固態(tài)水）：受靜電吸力最大密度1.2~1.4g/m3冰點-186℃，，105℃可排排除厚度十幾個水分子子占總量0.2~2%厚度<0.003m。弱結(jié)合水：密度大于自由水冰點-20~-30℃厚度<0.5m結(jié)合水不受重力影影響，但可從水膜膜厚處向薄處轉(zhuǎn)移移毛細水、自由水：：毛細水不受重力影影響，但其具有與與自由水相近的結(jié)結(jié)冰溫度水的粘滯系數(shù)隨距距離的變化4.4凍土的形形成形成過程：土中水在凍結(jié)溫度度以下相變?yōu)楸⒉⑼令w粒膠結(jié)成成整體土體的“凍結(jié)溫度度”（冰點）：土中水穩(wěn)定凍結(jié)的的溫度。影響凍結(jié)溫度的主主要因素：土質(zhì)：含水量：含鹽量：隨含鹽量增加凍結(jié)結(jié)溫度降低壓力：變化率-0.07℃/MPa~-0.08℃/MPa4凍土低溫特性性凍結(jié)溫度適用疊加加原理T0=T0w+T0y+T0PNaCL濃度/mol/L0.10.20.30.51.0凍結(jié)溫度/C-0.37-0.74-1.11-1.86-3.72含水量與凍凍結(jié)溫度的的關(guān)系含鹽量與凍凍結(jié)溫度的的關(guān)系凍土形成的的五階段冷卻段：溫度從初態(tài)態(tài)減低到水水的冰點，，此時尚無無冰；過冷段：溫度續(xù)降至至冰點下，，自由水仍仍不結(jié)冰，，呈過冷現(xiàn)現(xiàn)象。主要要與熱平衡衡有關(guān)；但若在水達達到冰點且且全部水未未結(jié)冰前，，有結(jié)冰冰冰晶生長或或有振動的的影響，土土中水將立立即進入穩(wěn)穩(wěn)定凍結(jié)階階段，而無無明顯過冷冷現(xiàn)象產(chǎn)生生(3)溫溫度突升段段：部分孔隙水水凍結(jié)，釋釋放潛熱，，溫度突升升；(4)穩(wěn)穩(wěn)定凍結(jié)段段：溫度升至冰冰點并穩(wěn)定定，孔隙水水開始凍結(jié)結(jié)成冰，凍凍土逐漸形形成；(5)凍凍土降溫段段：溫度繼續(xù)降降低，凍結(jié)結(jié)范圍擴大大、凍土強強度增加，，吸收冷量量，溫度進進一步減低低。4.5凍凍土的熱物物理性質(zhì)對于人工凍凍結(jié)工程的的設(shè)計、理理論計算和和數(shù)值分析析十分重要要基本指標：：比熱、導(dǎo)導(dǎo)熱系數(shù)、、導(dǎo)溫系數(shù)數(shù)、潛熱、、熱容影響因素：：土溫、礦礦物、含水水量、飽和和度、干密密度、有機機質(zhì)含量等等有凍融相變變的土———相變與否否對土的熱熱物理性質(zhì)質(zhì)至關(guān)重要要：原因是是土中水分分重分布以以及液態(tài)水水變成了冰冰。若單位質(zhì)量量的液態(tài)水水結(jié)為冰，，導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)增大近4倍，容積積熱容減小小1倍，釋釋放出的相相變熱可使使等體積的的土溫度升升高150C4凍土土低溫特性性4.5凍凍土熱熱物理指標標1比熱容在不發(fā)生化化學(xué)反應(yīng)和和物質(zhì)相態(tài)態(tài)變化的條條件下，單位質(zhì)量的的物質(zhì)的溫溫度升高或或降低1K，所吸收收或放出的的熱量，稱稱為該物質(zhì)質(zhì)的比熱容容。不同的物物質(zhì)的比熱熱容不同，，同一物質(zhì)質(zhì)在不同溫溫度和相態(tài)態(tài)下，比熱熱容也不相相同。物質(zhì)的比熱熱容與溫度度有關(guān)，物物質(zhì)在某個個溫度時的的比熱容稱稱為真實比比熱容。物物質(zhì)在某一一溫度范圍圍內(nèi)的比熱熱容的平均均值稱為平平均比熱容容。在工程計算算中，為簡簡化計算，，通常采用用物質(zhì)的平平均比熱容容。4.5凍凍土熱物物理指標2導(dǎo)熱系系數(shù)熱導(dǎo)系數(shù)是是物質(zhì)導(dǎo)熱熱能力的標標志，在數(shù)數(shù)值上等于于單位溫度梯梯度時單位位面積上的的熱流量。熱導(dǎo)系數(shù)是是物質(zhì)的物物理性質(zhì)之之一，與其其組成、內(nèi)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、、密度、壓壓強和溫度度有關(guān)，可可由實驗測測定。一般般而言，金金屬的熱導(dǎo)導(dǎo)率最大，，非金屬次次之，液體體較小，氣氣體的熱導(dǎo)導(dǎo)率最小。。對于大多多數(shù)勻質(zhì)的的固體，熱熱導(dǎo)率入主主要受溫度度的影響，，且大致成成線性關(guān)系系。凍土的的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)在1.0～3.0之間。4.5凍土土熱物理指指標3熱量是熱能發(fā)生轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移時的物物理量，用Q表示示。它不是是狀態(tài)參數(shù)數(shù)，它與過過程有關(guān)。。從分子運運動論來看看，物質(zhì)分分子的運動動強度越大大，物質(zhì)的的溫度就越越高，當兩兩個溫度不不同的物體體相接觸時時，熱量總總是從高溫溫物體傳給給低溫物體體，直到兩兩個物體的的溫度相等等為止。熱熱量又有顯熱和潛熱熱之分。5.1概概述力學(xué)性質(zhì)意義凍結(jié)法工程程目的：封閉地層——隔絕地下水水強度、穩(wěn)定定性——保護開挖凍土的力學(xué)學(xué)性質(zhì)：受土性、含含冰量、應(yīng)應(yīng)變率和溫溫度等控制制確定凍土強強度和變形形性質(zhì)參數(shù)數(shù)方法：實驗室試驗驗5凍土力力學(xué)性質(zhì)試驗條件凍土強度性性質(zhì)描述一一般都是通通過在-8C°～-15C°溫度條件下下的單軸、三軸軸試驗以及單軸蠕變試驗得到。。采用液氮氮凍結(jié)時，，則需要在在更低的溫溫度下進行行試驗5凍土土力學(xué)性質(zhì)質(zhì)凍土工程設(shè)設(shè)計和施工工中最重要要的凍土力力學(xué)性質(zhì)：：抗壓強度抗拉強度剪切強度流變性質(zhì)和和長時強度度凍脹與融沉沉5凍土力力學(xué)性質(zhì)影響凍土強強度的因素素凍土屬于流流變體。凍土強度主主要受土-冰骨架系系統(tǒng)的粘滯滯性和內(nèi)摩摩擦所支配配，并與凍凍土的形成成環(huán)境、荷荷載、溫度度及變化、、土性、含含水量、含含鹽量等因因素有關(guān)。。土性一定時時，凍土強強度主要取取決于溫度和時間間5凍土土力學(xué)性質(zhì)質(zhì)5.2凍凍土抗壓強強度凍土組構(gòu)、、形成及構(gòu)構(gòu)造的復(fù)雜雜性凍土強度性性質(zhì)將取決決于諸多因因素：——含冰量量——密度——粒徑級級配——預(yù)加荷荷載——擾動——非均均質(zhì)——含鹽鹽量，等5凍土力力學(xué)性質(zhì)（1）溫度、含冰冰量和加載載應(yīng)變速率率是關(guān)鍵因素素；（2）在細粒凍土中，孔隙冰冰與土顆粒粒相互聯(lián)結(jié)結(jié)，冰強度成為決定凍凍土強度的的一個重要要因素；（3）環(huán)繞繞土顆粒存存在著的未凍水對凍土強度度和破壞形形態(tài)有相當當重要的影影響。5凍土土力學(xué)性質(zhì)質(zhì)強度—應(yīng)變變速率—凍凍土溫度增加應(yīng)變速速率和降低低凍土溫度度提高冰骨架架強度提高凍土的的抗壓強度度：當冰骨架占占58%時時，溫度每每降低1℃℃，強度大大約增加1.362MPa?！诟邞?yīng)變速速率（1.0s-1）和低溫（θ<-40℃）條件下，凍凍土通常可可視為彈性性介質(zhì)5凍土土力學(xué)性質(zhì)質(zhì)凍土抗壓強度主要取決于于凍土溫度5.2凍土的抗壓壓強度(1)溫度對凍土土強度的影影響試驗表明，，凍土強度度隨著凍結(jié)結(jié)溫度的降降低而增大大。隨著負負溫的繼續(xù)續(xù)增加，強強度的增長長逐漸變慢慢，所以強強度與溫度度的關(guān)系雖雖然密切，，但卻不是是線性的。?？梢杂孟孪铝袃蓚€個簡單的的經(jīng)驗公公式之一一來計算算飽和砂砂的極限限抗壓強強度(2)含水率對對凍土強強度的影影響試驗表明明，含水水率是影影響凍土土強度的的主要因因素之一一。在土土中含水水量未達達到飽和和時，凍凍土強度度隨著含含水率的的增加而而提高，，但當達達到飽和和后，含含水量繼繼續(xù)增加加時凍土土強度反反而會降降低。當當含水量量比飽和和含水率率大的很很多時，，凍土強強度就降降低到和和冰的強強度差不不多了。(3)土的顆粒粒組成對對凍土強強度的影影響土顆粒成成分和大大小是影影響凍土土強度的的一個重重要因素素。試驗驗表明，，在其他他相同的的條件下下，土顆顆粒愈粗粗，凍土土強度愈愈高，反反之就低低。這主主要是由由于不同同的顆粒粒成分造造成土中中所含結(jié)結(jié)合水的的差異所所引起的的。例如如，粗砂砂、砂礫礫和礫石石的顆粒粒粗，其其中幾乎乎沒有結(jié)結(jié)合水，，凍土中中不存在在未凍水水，所以以凍土強強度高。。相反，，粘土類類土顆粒粒很細，，總的表表面積很很大，因因而其表表面能也也大，在在其中含含有較多多的吸附附水和薄薄膜水，，吸附水水一般是是完全不不凍結(jié)的的，薄膜膜水也只只是部分分凍結(jié)，，因而在在凍土中中保存了了較多的的未凍水水，使凍凍土的活活動性和和粘滯性性增加，，強度降降低。另另外，土土顆粒的的礦物成成分和級級配對強強度也有有一定的的影響。。(4)荷載作用用時間對對凍土強強度的影影響試驗表明明，由于于凍土的的流變性性，其強強度隨著著荷載作作用時間間的延長長而降低。。在實驗驗室條件件下，荷荷載作用用時間少少于lh時的凍土土強度稱為瞬時時強度，，大于1h的強度稱稱為長時時強度。。一般荷荷載作用用200h時的破壞壞應(yīng)力稱稱長時強強度。所所以凍土土的瞬時時強度比比長時強強度要大大的多，而而且凍結(jié)結(jié)溫度愈愈高，兩兩者相差差愈大。。當凍結(jié)溫溫度在-4～-15℃時，凍凍土長時時強度與與瞬時強強度的比比值為：：（1）長時抗抗壓強度度約為瞬瞬時抗壓壓強度的的1/2～1/2.5；（2）長時粘粘結(jié)力約約為瞬時時粘結(jié)力力的1/3；（3）長時抗抗剪強度度約為瞬瞬時抗剪剪強度的的1/1.8～1/2.5；（4）長時抗抗拉強度度約為瞬瞬時抗拉拉強度的的1/12～1/16。(5)凍結(jié)速度度對凍土土強度的的影響凍土形成成的快慢慢速度直直接影響響到冰的的結(jié)構(gòu)．．若凍結(jié)結(jié)速度快快，凍土土中的細細粒冰就就多，凍凍土強度度就高。。相反，，若凍結(jié)結(jié)速度慢慢，凍土土中的粗粗粒冰含含量增多多，凍土土強度相相應(yīng)降低低。所以以，積極極凍結(jié)期期的凍結(jié)結(jié)狀況對對凍結(jié)壁壁的形成成有重要要意義。。為此必必須盡量量降低鹽鹽水的溫溫度，這這樣不僅僅使凍土土由于溫溫度低而而強度高高，同時時也因凍凍結(jié)速度度快而進進一步增增加其強強度。采采用的液液氮低溫溫快速凍凍結(jié)新工工藝便具具有這方方面的優(yōu)優(yōu)點。5.3凍土的流流變性由于凍土土內(nèi)存在在固相水水(冰)和少量液液相水(未凍水)，所以使使其具有顯顯著的流流變性，，即凍土土在荷載載作用下下應(yīng)力和和應(yīng)變將將隨時間而變變化的特特性。當當外力恒恒定時，，凍土的的變形隨隨著時間間的延長而增增大，且且沒有明明顯的破破壞特征征。國內(nèi)外許許多學(xué)者者對凍土土的本構(gòu)構(gòu)關(guān)系做做了大量量的試驗驗研究。。在實驗的基基礎(chǔ)上，，獲得較較公認的的本構(gòu)關(guān)關(guān)系為：：式中σ－應(yīng)力，，MPa；ε－應(yīng)變，，無量綱綱；τ－隨時間間變化的的變形模模量，MPa；m－強化系系數(shù)，無無量綱。?！鉳＜1。應(yīng)力作用用下，凍凍土呈現(xiàn)現(xiàn)與時間間有關(guān)的的變形性性狀——“蠕變”即使在低低應(yīng)力水水平，凍凍土也呈呈現(xiàn)出蠕蠕變特性性蠕變率取取決于含冰量、溫度和加荷速率率凍土蠕變變源于與與時間有有關(guān)的物物理過程程：在土顆粒粒接觸點點，壓力力導(dǎo)致冰冰的局部部融化；；未凍水向向低應(yīng)力力區(qū)域遷遷移；孔隙冰的的塑性變變形；顆粒重分分布；等等。5凍凍土力學(xué)學(xué)性質(zhì)蠕變變形形曲線形形狀受溫溫度、應(yīng)應(yīng)力大小小、持續(xù)續(xù)時間和和冰飽和和度等多多種因素素的影響響，富冰凍土土：受第第二蠕變變支配，，僅具短短時第一一蠕變階階段貧冰凍土土：受第第一蠕變變支配。。高應(yīng)力水水平：可可能沒有有明顯第第一和第第二蠕變變階段達達到第三三蠕變階階段，在在短時內(nèi)內(nèi)破壞。。凍土基本蠕變性質(zhì)質(zhì)5.4凍土抗剪強度度試驗研究究表明，，當正應(yīng)應(yīng)力較小小時，可可用Mohr-Coulomb強度理論論確定凍凍土的剪剪切強度度（Vyalov，，1962）剪切強度度=粘聚聚強度+摩擦阻阻抗。近期研究究表明，，當正應(yīng)應(yīng)力較大大時，Mohr-Coulomb強度理論論也基本本適用5凍凍土力學(xué)學(xué)性質(zhì)5.5凍凍土的的凍脹凍脹脹：在低溫(負溫)條件下下，由于于土中的的原位水水以及未未凍區(qū)的的水分遷遷移到凍凍結(jié)區(qū)的的水結(jié)冰冰造成體體積膨脹脹，引起起土體膨膨脹的現(xiàn)現(xiàn)象原位凍脹脹：土中孔隙隙水原位位凍結(jié)引引起的凍凍脹(孔孔隙體積積9%)分凝凍脹：未凍區(qū)域水分分向凍土區(qū)遷遷移、凍結(jié)所所引起的凍脹脹凍脹危害：破壞地下管線線、建筑物基基礎(chǔ)，惡化環(huán)環(huán)境，而且伴伴隨凍土的凍凍脹一般均有有相當可觀的的融化下沉。。凍脹理論：真空抽吸、毛毛細水遷移以以及薄膜水遷遷移等5凍土力力學(xué)性質(zhì)凍脹的基本原原理土體凍脹示意意圖凍土融土凍結(jié)過程水分遷移水分補給冰分凝凍脹凍脹估算評價指標：凍脹率、凍脹脹量和凍脹力力凍脹量：凍土表面凍脹脹位移的絕對對值，mm，h凍脹率：地層凍脹量與與凍結(jié)地層厚厚度（H）的比值，%，，凍脹力：凍脹受到約束束時土體對約約束體作用力力，MPa凍脹速率：單位時間內(nèi)土土體的凍脹量量的增加值，，凍結(jié)速率：單位時間土體體的凍結(jié)深度度增加值，5凍土力力學(xué)性質(zhì)地面凍脹量計計算5凍土力力學(xué)性質(zhì)減少凍脹的措措施——減少人工凍土土凍脹：人工地層凍結(jié)結(jié)工程研究的的重要課題土中孔隙冰和和土體凍脹的的產(chǎn)生和發(fā)展展取決于土性、外荷載載、水和溫度度。工程條件一一定，唯一可控因素素——溫度邊界溫度：控控制凍結(jié)速度度、溫度梯度度；水分遷移移方向、速度度和遷移量，，從而影響土土中水相變速速度、成冰位位置和數(shù)量。。5凍土力學(xué)學(xué)性質(zhì)5.6凍土土的融沉定義：凍土融化時，，由于冰變成成水體積減小小產(chǎn)生土的融融化沉降，若若同時在融化化區(qū)域發(fā)生排排水固結(jié)，則則將引起土層層的壓密沉降降影響因素：溫度、溫度梯梯度、荷載以以及土層的物物理、力學(xué)及及熱性質(zhì)融化沉降量與與外壓力無關(guān)關(guān)，壓密沉降降與正壓力成成正比。融沉系數(shù)描述述凍土的融化化沉降，壓縮縮系數(shù)來描述述融土的壓密密沉降。通常融沉要大大于凍脹，有有時融沉?xí)冏優(yōu)橥幌?。融沉的不均勻勻性及突陷往往往會?dǎo)致結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞。。5凍土力力學(xué)性質(zhì)融化下沉的基基本原理沉降變形融化土凍結(jié)土融化融化過程固結(jié)過程孔隙比應(yīng)力融化下沉系數(shù)數(shù)（%）=下沉變形量融化的土層厚厚度通常融沉要大大于凍脹，有有時候融沉?xí)優(yōu)橥幌?。。融沉的不均均勻性及突陷陷往往會?dǎo)致致結(jié)構(gòu)的破壞壞。象凍脹一樣，，融沉也是與與溫度、溫度度梯度、上覆覆荷載以及土土層的物理、、力學(xué)及熱學(xué)學(xué)性質(zhì)相關(guān)的的。凍結(jié)地層溫度度上升，凍土土發(fā)生融化，，冰晶和冰膜膜融化成水只只要條件適宜宜，在重力和和上覆荷載的的作用下將發(fā)發(fā)生排水，土土層重新固結(jié)結(jié)。土層發(fā)生生固結(jié)造成的的沉降與凍結(jié)結(jié)過程中形成成的土粒結(jié)構(gòu)構(gòu)的穩(wěn)定性、、冰融化成水水釋放的自由由孔隙空間以以及上覆荷載載的重量有關(guān)關(guān)。5.6凍土的融沉在外荷載及融融土的自重作作用下，凍土土融化產(chǎn)生沉沉降。根據(jù)滲滲透固結(jié)理論論，認為從已已融土層的單單位面積上滲滲出的水的體體積Q（不計計冰轉(zhuǎn)變?yōu)樗畷r的高度的的少許降低））等于土的沉沉降，即是：：公式的左側(cè)從從已融土層的的單位面積上上滲出的水的的體積。公式的右側(cè)是是凍土沉降量量。右側(cè)的第第一項是融化化沉降，第二二項是壓密沉沉降。5.6凍土的融沉5.7凍結(jié)壁自然解解凍5.7凍結(jié)壁自然解解凍5.7凍結(jié)壁自然解解凍5.7凍結(jié)壁自然解解凍6土體凍結(jié)結(jié)基本理論6.1凍結(jié)壁的形成成凍結(jié)鋒面——巖土凍結(jié)過程程中，孔隙水水開始發(fā)生結(jié)結(jié)冰相變的面面稱為，是凍凍土與未凍土土的分界面。。凍結(jié)前地層有有均一的初始始溫度。凍結(jié)結(jié)初期，低溫溫鹽水與凍結(jié)管周圍圍的地層產(chǎn)生生劇烈的熱交交換，在每個個凍結(jié)管周圍圍很快形成圓圓柱形的凍結(jié)結(jié)巖土柱由于相鄰凍結(jié)結(jié)管間的影響響，軸面比主主面凍結(jié)更快快，凍土柱由由圓柱形變?yōu)闉闄E圓形，再再進一步擴展展，直至相交交圈，在井筒筒周圍形成封封閉的凍土墻墻—凍結(jié)壁。。交圈后，原凍凍結(jié)管的凍結(jié)結(jié)鋒面連成向向井內(nèi)擴展的的內(nèi)凍結(jié)鋒面面和向井外擴擴展的外凍結(jié)結(jié)鋒面，且內(nèi)內(nèi)、外凍結(jié)鋒鋒面很快地趨趨于平滑，當當界面上的凍凍結(jié)壁厚度等等于凍結(jié)管的的間距時，內(nèi)內(nèi)、外凍結(jié)鋒鋒面就基本上上變成以井筒筒為中心的圓圓柱面。凍結(jié)管測溫點凍結(jié)鋒面的擴擴展凍結(jié)孔存在偏偏斜——凍結(jié)結(jié)鋒面形狀不不是規(guī)則園柱柱面在交圈初期：：凍結(jié)鋒面向向內(nèi)發(fā)展速度度較交圈前慢慢，但隨內(nèi)側(cè)側(cè)未凍土范圍圍熱量減小，，鋒面向井心心推進速度加加快，而凍結(jié)結(jié)鋒面向井外外的擴展速度度較慢，擴展展至距凍結(jié)管管布置圈2~3rn處，擴展速度度十分緩慢，，來自未凍土土區(qū)熱量與來來自凍結(jié)管的的冷量趨于平平衡，溫度場場趨于穩(wěn)定，，凍結(jié)壁漸成成以井筒為中中心的園筒體體。一般凍結(jié)壁內(nèi)內(nèi)側(cè)厚度占凍凍結(jié)壁總厚的的.55~0.6倍6.2立井凍結(jié)溫度度場研究凍結(jié)過程程中土體溫度度隨時間變化化的規(guī)律。在凍結(jié)鑿井中中，常以主面面、界面和軸軸面這三個特特征面上的溫溫度分布作為為判斷凍土形形成過程、控控制溫度揚的的依據(jù)。“主面”：過井筒中心心與凍結(jié)管中中心的豎直平平面“界面”：過井心和相相鄰管中心連連線中點的豎豎直平面“軸面”：過兩個相鄰鄰凍結(jié)管中心心的豎直平面面6土體凍結(jié)結(jié)基本理論三個特征面溫溫度狀況表征征凍結(jié)溫度場場基本特點，，是測溫的主主要對象，尤尤其是界面與與軸面交點上上的溫度值直直接關(guān)系到凍凍結(jié)園柱是否否交圈。凍結(jié)過程凍結(jié)結(jié)擴展1主面2軸軸面3界界面4凍結(jié)管5井筒中中心6土體凍凍結(jié)基本理論論凍結(jié)溫度場求求解求解溫度場是是進行熱力計計算的重要工工作、是進行行凍結(jié)壁計算算的重要前提提，目的:l求凍結(jié)壁的平平均溫度，確確定凍土強度度；l確定凍結(jié)鋒面面的位置，計計算凍結(jié)壁的的厚度；l計算熱量，確確定凍結(jié)站的的制冷能力；；確定凍結(jié)壁的的擴展速度，，估算積極凍凍結(jié)時間。6土體凍凍結(jié)基本理論論由于凍結(jié)壁在在豎直方向的的尺寸較水平平方向大得多多，且在凍結(jié)結(jié)過程中土層層在豎直方向向的熱傳導(dǎo)相相對弱得多，，故立井凍結(jié)結(jié)溫度場可簡簡化為平面軸軸對稱間題凍結(jié)溫度場的的求解間題是是一個有相變變、移動邊界界、內(nèi)熱源、、邊界條件復(fù)復(fù)雜的不穩(wěn)定定導(dǎo)熱問題。。立井凍結(jié)溫度度場6土體凍凍結(jié)基本理論論立井凍結(jié)主面面、界面溫度度試驗研究：：當凍結(jié)壁厚厚度與凍結(jié)管管間距相同時時，凍結(jié)壁的的兩個凍結(jié)鋒鋒面就成了與與井筒同心的的圓柱面；凍凍結(jié)壁向內(nèi)側(cè)側(cè)發(fā)展得快，，約占總厚度度的55%~60%，主、界面溫度度分布試驗結(jié)果果6土體凍凍結(jié)基本理論論為能估算凍結(jié)結(jié)壁體內(nèi)的平平均溫度、凍凍結(jié)壁交圈時時間、確定凍凍結(jié)壁的強度度，須研究軸軸面溫度分布布軸面溫度分布布試驗研究結(jié)果果6土體凍凍結(jié)基本理論論在測溫點溫度度為負值時，，適用凍結(jié)區(qū)區(qū)埋論（對數(shù)數(shù)曲線），此此時式中，t――測溫點處處的凍土溫度度，℃ts――鹽水溫度度，℃；rf――凍土半徑徑，m；r――凍土溫度度為t處的凍土半徑徑，m；rρ――凍結(jié)管半半徑，m；冰凍區(qū)的溫度度分布自冷源源（凍結(jié)管））至凍土邊緣緣０℃等溫線線呈對數(shù)曲線線變化。6土體凍結(jié)基本本理論在測溫點溫度度為正值時，，運用降溫區(qū)區(qū)理論（高斯斯誤差函數(shù)）），此時：：式中，x――測溫點與與凍土連緣的的最小距離，，m；t――測溫點的的土層溫度，，℃；t0――土層的原原始溫度，℃℃；π――圓周率率；τ――凍結(jié)時時間，h；a――凍結(jié)土土層的導(dǎo)溫系系數(shù)，m2／h；6土體凍結(jié)基本本理論6土體凍結(jié)基本本理論凍結(jié)壁平均溫溫度計算：6.3凍結(jié)壁厚度計計算凍結(jié)壁厚度的的確定是凍結(jié)結(jié)設(shè)計中的一一項重要工作作，無內(nèi)襯支支護設(shè)計主要要基于經(jīng)驗公公式。最早、、最簡單的公公式是Lame公式，其中如如凍結(jié)壁溫度度梯度、強度度隨溫度變化化、凍土蠕變變等許多凍土土性質(zhì)未能得得以反映，凍凍結(jié)深度超過過100米后，計算所所得凍結(jié)壁厚厚度比實際需需要的厚度大大得多，因此此很多學(xué)者陸陸續(xù)推出了多多種計算公式式。6土體凍凍結(jié)基本理論論隨著凍結(jié)壁厚厚度設(shè)計計算算方法的發(fā)展展，凍結(jié)壁材材料經(jīng)歷了多多種假設(shè)，如如完全彈性、、部分彈性、、部分塑性、、完全塑性和和完全粘性材材料等凍結(jié)壁材料模模式(a)完全彈性(b)部分彈性、部部分塑性(c)完全塑性6土體凍凍結(jié)基本理論論6土體凍凍結(jié)基本理論論6土體凍凍結(jié)基本理論論6土體凍凍結(jié)基本理論論6土體凍凍結(jié)基本理論論凍結(jié)壁的變形形在時間和空空間上是非線線性的，變形形對于凍結(jié)管管和井壁的安安全至關(guān)重要要凍結(jié)壁變形與與多種因素有有關(guān)，除上述述計算分析方方法外，目前前國內(nèi)外大量量應(yīng)用有限元元分析和物理理模擬試驗的的方法進行計計算。而物理理模擬試驗成成為凍結(jié)壁問問題研究的主主要手段。6土體凍凍結(jié)基本理論論7.1工程實例簡介介——山東龍龍固副井7立井凍結(jié)工程程實例1礦井概況況龍固礦井位于于山東省巨野野縣境內(nèi)設(shè)計生產(chǎn)能力力為600萬萬噸/年，立立井開拓，設(shè)設(shè)兩主一副一一風(fēng)四個井筒筒，在同一工工業(yè)廣場內(nèi)，，主井、風(fēng)井井采用鉆井法法施工；副井井井筒的表土土段及基巖上上部含水層段段采用凍結(jié)法法施工。副井凍結(jié)深650米，是當時國國內(nèi)表土最深深的礦井，在在世界上也屬屬少見的，采采用凍結(jié)法施施工，無論在在設(shè)計還是施施工中，都沒沒有先例可以以借鑒。7.1工程實例簡介介——山東龍龍固副井7.1工程實例簡介介——山東龍龍固副井7立井凍結(jié)工程程實例序號項目單位副井1井口標高m+44.82井底車場標高m-8003井筒深度m874.64井筒凈直徑mφ7.05井筒凈斷面積m238.4656最大井壁厚度m2.27最大掘砌荒徑m11.4

8表土厚度m567.7第四系表土厚度m160.7第三系表土厚度m4079凍結(jié)深度m6502設(shè)計要點①以砂層滿足足強度要求，，粘土層滿足足變形要求為為條件，設(shè)計計凍結(jié)壁厚度度與強度，控控制凍結(jié)壁變變形，防止凍凍結(jié)管斷裂；；②采用降低鹽鹽水溫度、加加大鹽水流量量、降低井幫幫溫度使井內(nèi)內(nèi)基本凍實、、縮小掘砌段段高及井幫暴暴露時間、分分次套壁等措措施，保證施施工安全。③縮短開挖時時間，減少上上部塌幫，保保證安全前提提下，盡可能能創(chuàng)造好的掘掘進條件；④滿足設(shè)計要要求前提下，，減少工程量量，縮短工期期。7.1工程實例簡介介——山東龍龍固副井3方案比比較設(shè)計提出五種種凍結(jié)方案：：雙排孔加輔輔助孔凍結(jié)；；主圈孔加內(nèi)內(nèi)側(cè)雙圈輔助助孔凍結(jié)；主主圈孔加輔助助孔凍結(jié)；主主圈加內(nèi)外輔輔助孔凍結(jié)；；（定向鉆孔孔）雙排孔凍凍結(jié)。7.1工程實例簡介———山東龍固副井控制層最大孔間距井筒需冷量控制層凍結(jié)壁厚度凍結(jié)管規(guī)格預(yù)測控制層凍土發(fā)展速度凍結(jié)孔布置圈徑孔深凍結(jié)壁達到設(shè)計厚度時間凍結(jié)方式及供液測溫孔控制層掘砌段高孔數(shù)水文孔控制層暴露時間開孔間距鉆孔工程量預(yù)計開挖時間凍結(jié)孔偏斜控制層鹽水溫度開挖至停機凍結(jié)總工期綜合比較7.1工程實例簡介———山東龍固副井4凍結(jié)壁有限元計算算計算模型⑴凍結(jié)方案：主主圈加雙圈輔助孔孔方案⑵凍結(jié)孔布置圈圈徑：內(nèi)16.5m/中18m/外23.5m；⑶凍結(jié)孔數(shù)：內(nèi)24個/中24個/外48個；⑷凍結(jié)孔深度：：內(nèi)568m/中650m/外588m；⑸凍結(jié)方式：開挖時時間：120天；；⑺預(yù)計控制層凍凍土發(fā)展速度：向向內(nèi)22mm/d、向外10mm/d；⑻計算掘砌段高：2.0m。7.1工程實例簡介———山東龍固副井4凍結(jié)壁有限元計算算計算模型7.1工程實例簡介———山東龍固副井4凍結(jié)壁溫度場有限限元計算7.1工程實例簡介———山東龍固副井凍結(jié)壁溫度場分析析結(jié)果開挖深度開挖時間凍結(jié)壁平均溫度凍結(jié)壁面溫度凍結(jié)壁厚度（m）（天）（℃）（℃）（m）294270-16.57-15.379.17392320-16.07-16.249.75441345-16.93-17.029.85490370-17.71-17.799.67530390-16.59-18.010.14567409-15.14-17.219.767.1工程實例簡介———山東龍固副井5凍結(jié)壁受力與變形形分析7.1工程實例簡介———山東龍固副井凍結(jié)壁受力與變形形分析凍結(jié)壁變形應(yīng)力計計算結(jié)果開挖深度（m）凍結(jié)壁面徑向位移（mm）凍結(jié)壁中徑向應(yīng)力（MPa）凍結(jié)壁中環(huán)向應(yīng)力（MPa）內(nèi)圈凍結(jié)管處位移（mm）中圈凍結(jié)管處位移（mm）外圈凍結(jié)管處位移（mm）40047.25.84.711.48.52.845062.45.55.314.2310.65.550071.556.055.915.711.76.0555076.276.36.215.8126.3567.718.433.03.32.51.50.47.1工程實例簡介———山東龍固副井6凍結(jié)技術(shù)方案設(shè)計計7.1工程實例簡介———山東龍固副井國內(nèi)第一個凍結(jié)深深度超過600米米(650m)表土最厚(567.7米)的龍固固凍結(jié)機房1礦井概況巨野礦區(qū)郭屯礦井井位于山東省鄆城城縣城以南10公公里處，礦井設(shè)計計生產(chǎn)能力為240萬噸/年，采采用立井開拓。副井的基本技術(shù)參參數(shù)井口標高m+45最大掘砌荒徑m11.65井筒深度m883.000表土厚度m583.1水平標高m-808.000第四系表土厚度m137.4井筒凈直徑mφ6.5第三系表土厚度m445.7井筒凈斷面積m234.212凍結(jié)深度m702最大井壁厚度m2.507.2工程實例簡介———山東郭屯副井2地層特點（1）表土層深郭屯副井表土深度度583.1m，是目前國內(nèi)凍結(jié)表表土深度最深的凍凍結(jié)井。凍結(jié)深度度702m也是國內(nèi)目前最深深的。（2）其它特性脆性、含水量、膨膨脹性、蠕變、凍凍結(jié)溫度3設(shè)計原則⑴設(shè)計的凍結(jié)壁壁厚度和強度滿足足井筒安全掘砌施施工的要求。⑵設(shè)計應(yīng)確保基基巖段封水及凍結(jié)結(jié)巖帽的形成⑶以滿足凍結(jié)壁壁強度，防止凍結(jié)結(jié)壁變形及凍結(jié)管管斷裂為目的選擇擇合理的施工方案案及施工參數(shù)。⑷以施工安全為為前提，減少工程程量、提高工程效效率、降低工程造造價，達到安全、、快速、高效的施施工目的。根據(jù)目前國內(nèi)同類類型礦井凍結(jié)方式式并結(jié)合郭屯礦井井副井實際情況，，確定副井采用三三圈孔加防片孔凍凍結(jié)方案。4凍結(jié)壁設(shè)計（1）凍結(jié)壁設(shè)計計原則按兩種極限狀態(tài)設(shè)設(shè)計:一是凍結(jié)壁的極限限承載能力；二是凍結(jié)壁極限允允許變形狀態(tài)。根據(jù)郭屯副井表土土層賦存特點，凍凍結(jié)壁設(shè)計分別以以332m細砂層、583.1m粗砂層二個層位作作為控制層，以575.2～579.7m粘土層為凍結(jié)壁變變形校核層。7.2工程實例簡介———山東郭屯副井（2）基本設(shè)計計計算參數(shù)①凍結(jié)壁內(nèi)半徑徑Ra=5.825m；②地壓值（采用水土土懸浮公式）：P=0.013H（MPa）；③凍結(jié)壁平均溫度（（控制層）；④凍土抗壓強度；⑤凍土發(fā)展速度度：⑥井幫溫度（控制層層）：⑦鹽水溫度：Tb=-30～-34℃；⑧粘土層最大孔間距距：L≤2.8m。⑨強度安全系數(shù)，k=2～2.5；；⑩掘砌段高，⑾工作面凍結(jié)狀態(tài)系系數(shù)；7.2工程實例簡介———山東郭屯副井5凍結(jié)孔深度①外圈孔深度外圈孔采用局部凍凍結(jié)，凍結(jié)范圍330～605m②中圈孔深度中圈孔采用差異凍凍結(jié)，長腿深度702m，短腿深度605m③內(nèi)圈孔深度內(nèi)圈孔采用差異凍凍結(jié)，長腿702m、短度590m。④防片孔深度設(shè)防片孔，深度235m7.2工程實例簡介———山東郭屯副井6凍結(jié)孔布置圖7.2工程實例簡介———山東郭屯副井郭屯副井現(xiàn)場照片片1概述寧夏王洼煤礦位于于固原市、彭陽縣縣、王洼鎮(zhèn)境內(nèi)，，隸屬寧夏發(fā)電集集團。西距固原市市80KM，南距彭陽縣45KM，東距甘肅省平?jīng)鰶鍪?50KM，S203從礦區(qū)經(jīng)過，并在在向南約10KM處與G309交匯，該礦區(qū)交通通便利，地表標高高＋1724.77M，工業(yè)廣場地形平平坦，基本達到施施工條件。王洼煤礦副斜井由由寧夏煤礦設(shè)計院院設(shè)計，第四系擬擬采用凍結(jié)法施工工，據(jù)勘測資料揭揭露，副斜井初見見水位為36.50～38.30M，單位涌水量0.004～0.091/s.m，單孔出水量最大大為0.1221/s(9.67m3/d)最大滲透系數(shù)為0.052m/d。垂直凍結(jié)局部凍結(jié)結(jié)7.3工程實例簡介———寧夏王洼斜井凍凍結(jié)工程垂直凍結(jié)局部凍結(jié)結(jié)序號項目名稱單位副斜井備注1沖積層埋深m60.08

2井筒凈直徑mφ3.6

3井筒傾角。25。

4表土井壁厚度m0.6

5井筒掘砌荒徑m4.8

6凍結(jié)深度m39.4～79.27

7.3工程實例簡介———寧夏王洼斜井凍凍結(jié)工程·項目名稱單位副斜井1最大地壓Mpa0.782掘砌荒半徑m2.43凍結(jié)壁平均溫度℃-84安全系數(shù)

砂層2.55許用抗壓強度Mpa5.06邊墻凍結(jié)壁計算厚度m2.57拱圈凍結(jié)壁計算厚度m3.58底板凍結(jié)壁計算厚度m3.59設(shè)計選定邊墻凍結(jié)壁厚度m2.510設(shè)計選定拱圈凍結(jié)壁厚度m5.011設(shè)計選定底板凍結(jié)壁厚度m3.57.3工程實例簡介———寧夏王洼斜井凍凍結(jié)工程凍結(jié)布置圖7.3工程實例簡介———寧夏王洼斜井凍凍結(jié)工程局部凍結(jié)器結(jié)構(gòu)圖圖7.3工程實例簡介———寧夏王洼斜井凍凍結(jié)工程7.3工程實例簡介———寧夏王洼斜井凍凍結(jié)工程8.地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)結(jié)法施工技術(shù)8.1聯(lián)絡(luò)通道的典型結(jié)結(jié)構(gòu)形式單圓隧道聯(lián)絡(luò)通道道（有泵房）結(jié)構(gòu)構(gòu)型式單圓隧道聯(lián)絡(luò)通道道（無泵房）結(jié)構(gòu)構(gòu)型式8.1聯(lián)絡(luò)通道的典型結(jié)結(jié)構(gòu)形式雙圓隧道泵房結(jié)構(gòu)構(gòu)型式8.1聯(lián)絡(luò)通道的典型結(jié)結(jié)構(gòu)形式雙圓隧道結(jié)構(gòu)型式式8.2聯(lián)絡(luò)通道的常用施施工方法（1）類礦山法施工聯(lián)絡(luò)通道一般所處處地層地質(zhì)條件較較差，施工開挖前前一般需對開挖斷斷面周圍的軟土層層進行預(yù)加固處理理，然后拆除洞門門處鋼管片，以邊邊開挖邊實施臨時時支護層的方法建建造聯(lián)絡(luò)通道及泵泵站。該方法主要要有兩種：A.從地面對通道所處處地層進行加固，，加固工法主要為為攪拌、旋噴和注注漿加固。該加固固工法主要針對地地面條件較好，施施工時無須進行管管線、房屋搬遷，，對路面交通無影影響的環(huán)境。但對對埋深超過30米或透水性高地層層需慎重使用。8.2聯(lián)絡(luò)通道的常用施施工方法B.從隧道內(nèi)對開挖斷斷面周圍土體進行行水平旋噴或凍結(jié)結(jié)加固。該工法主主要針對地面無加加固條件，或通道道所處地層為透水水性高的地層。2）頂管法施工對通道所處地層較較理想（粘土層）），無須建造區(qū)間間泵房的，可以采采用隧道內(nèi)頂管頂頂進施工。該工法法施工速度快、周周期短，通道結(jié)構(gòu)構(gòu)為預(yù)制結(jié)構(gòu)，施施工質(zhì)量較有保證證，但對高透水性性地層，應(yīng)慎重使使用。8.2聯(lián)絡(luò)通道的常用施施工方法8.3聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕幕設(shè)計凍土帷幕設(shè)計方法法是采用常規(guī)結(jié)構(gòu)構(gòu)力學(xué)方法進行結(jié)結(jié)構(gòu)計算（如有必要利用有限元元分析進行驗算））。將應(yīng)力結(jié)果和和凍土的強度相比較,得出安全系數(shù),結(jié)果列于下表:厚度(m)1.61.82.0應(yīng)力類型壓拉壓拉壓拉應(yīng)力值(Mpa)0.8670.4790.7060.3930.5870.328安全系數(shù)k3.924.384.825.345.796.40表中的安全系數(shù)K是由凍土強度與其其相應(yīng)的應(yīng)力比值值。凍土強度，一一般-10℃時的粘土強度為，，σ壓=3.4Mpa,σ拉=2.1Mpa。8.4凍結(jié)孔孔布置根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計計及聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)結(jié)構(gòu)，凍結(jié)孔一般般按上仰、近水平平、下俯三種角度度布置在聯(lián)絡(luò)通道道和泵站的周圍。。凍結(jié)孔施工前，根根據(jù)管片配筋情況況和鋼管片加強肋肋的位置，適當調(diào)調(diào)整凍結(jié)孔的布置置位置，以避開管管片的主筋和加強強肋8.5制冷設(shè)計8.5.1凍結(jié)參數(shù)確定設(shè)計鹽水溫度為-25℃～-30℃。凍結(jié)孔單孔流量不不小于4～5m3/h。凍結(jié)孔終孔間距Lmax≤1200mm，凍土發(fā)展速度取取25mm/T，凍結(jié)帷幕交圈時時間為20～25天，達到設(shè)計厚度時間為35～～40天。積極凍結(jié)時間35～40天，維護凍結(jié)時間間為30天。一般測溫孔6～10個（4個兼作測壓孔），，分別布置在通道內(nèi)外和兩側(cè)側(cè)隧道內(nèi)，卸壓孔孔布置4個，布置在凍結(jié)帷幕中間。8.5制冷設(shè)計8.5.2冷量和冷凍機選型型凍結(jié)需冷量由下式式計算：Qs=1.3.ππ.d.H.K式中:H—凍結(jié)管總長度；d—凍結(jié)管直徑；K—凍結(jié)管散熱系數(shù)；；根據(jù)冷量計算選用用冷凍機凍結(jié)需冷量也可以以直接從凍土體積積估算。8.6凍結(jié)系統(tǒng)輔助設(shè)設(shè)備(1)鹽水循環(huán)泵的選選用(2)冷卻水循環(huán)設(shè)備備的選用(3)凍結(jié)管的選用(4)測溫孔管的選用用(5)供液管的選用(6)鹽水干管和集配配液圈的選(7)冷卻水管的選用用8.7聯(lián)絡(luò)絡(luò)通道凍結(jié)法施施工要點8.7.1凍結(jié)孔施工.施工方法一般有有鉆孔法、夯管管錘法以及頂管管法。常用的為為鉆機法，使用用鉆機進行凍結(jié)結(jié)孔施工工序為為：定位→開孔孔→孔口管安裝裝→孔口裝置安安裝→鉆孔→測測量→封閉孔底底部→打壓試驗驗。施工工序:8.7.1凍結(jié)孔施工施工工序孔口密封裝置示示意圖8.7.1凍結(jié)孔施工鉆孔偏斜和終孔孔間距:鉆孔的偏斜應(yīng)控控制在1%以內(nèi)，在確保凍凍土帷幕厚度的的情況下，一般般終孔間距不得得大于1.2m，否則應(yīng)補孔。。鉆進過程中嚴格格監(jiān)測孔斜情況況，發(fā)現(xiàn)偏斜要要及時糾偏。下下好凍結(jié)管后，，進行凍結(jié)管長長度的復(fù)測，然然后再用經(jīng)緯儀儀進行測斜并繪繪制鉆孔偏斜圖圖。凍結(jié)管長度度和偏斜合格后后再進行打壓試試漏，試驗壓力力≥0.8MPa，30分鐘內(nèi)壓力無變變化為合格。8.7.2積極凍結(jié)與維護護凍結(jié)設(shè)備安裝完畢后后進行調(diào)試和試試運轉(zhuǎn)。凍結(jié)系系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常后后進入積極凍結(jié)結(jié)。在積極凍結(jié)過程程中，要根據(jù)實實測溫度數(shù)據(jù)判判斷凍土帷幕是是否交圈和達到到設(shè)計厚度，測測溫判斷凍土帷帷幕交圈并達到到設(shè)計厚度后進進行正式開挖。。再根據(jù)凍土帷帷幕的穩(wěn)定性，，可適當提高鹽鹽水溫度，進入入維護凍結(jié)，但但鹽水溫度不應(yīng)應(yīng)高于-20℃。8.7.3開挖判定條件1、制冷機運轉(zhuǎn)正正常，供冷量充充分。凍結(jié)站從從正式凍結(jié)穩(wěn)定定運行至開挖時時，沒有一次超超過30小時的停機。2、凍結(jié)時間達到到設(shè)計凍結(jié)時間間。3、鹽水系統(tǒng)運行行正常連續(xù)，去去路溫度保持在在-25℃以下，時間達28天以上。4、各凍結(jié)孔的去去、回鹽水溫差差為1.0℃以內(nèi)，個別凍結(jié)結(jié)孔（總數(shù)在20%以內(nèi)）溫差可以以大于1℃但要小于2.0℃。5、布置在距凍結(jié)結(jié)孔1.0米范圍內(nèi)的測溫溫點實測溫度在在0℃及以下。凍土的的平均溫度等于于或小于設(shè)計值值（一般取-8℃～-10℃）。6、積極凍結(jié)時間間達到設(shè)計值，，并要求鹽水溫溫度達到設(shè)計最最低鹽水溫度。。8.7.3開挖判定