工程冻土研究教学资料

1、 l特殊岩土工程技术理论特殊岩土工程技术理论 l第一章第一章 岩土工程冻结法理论岩土工程冻结法理论 l1-1 1-1 冻结法发展现状冻结法发展现状 l1 1应用条件及特点：应用条件及特点： l 冻结法是岩土工程施工中的一种辅助手段。当遇到 涌水、流沙和淤泥等复杂不稳定地质条件时，需要施 工地下工程结构，在技术、经济分析比较的基础上， 可选用冻结法施工。 l 该方法的特点是技术可靠，安全性高，特别适用于 在松散含水表土层的土木工程施工。缺点是准备时间 长，设备较多，成本较高。 l2应用与发展过程：应用与发展过程： l 德国采矿工程师F.H.Poetsch探索不稳定地层凿井技术， 于1880年提出

2、了冻结法凿井的原理，1883年首次应用 于凿井工程中并获成功。 l 在日本及欧洲各国的城市地铁等市政工程中都有广泛 应用。 l 我国1956开始采用冻结法施工立井井筒，先后建成 了尽百个井筒，至今最大冻结深度已达435m，穿过的 最大表土深度为374.5m。70年代北京地铁采用了冻结 法施工，冻结长度90m，深80m，采用明槽开挖。80年 代用于东海拉尔水泥厂上料基坑、凤台淮河大桥主桥墩 基础施工。 l 90年代至今，上海地铁、北京地铁和广州地铁 都发展采用水平冻结技术。 3冻结法基本原理：冻结法基本原理： l 冻结法是在岩土工程开挖之前，用人工制冷的方法将 开挖工程周围的岩土层冻结成封闭的冻

3、结圈（壁），以 临时加固地层，抵抗地压，隔绝地下水，然后在冻结壁 的保护下进行正常施工的一种特殊施工法。 l 首先要打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结管或冻结 器。 l 冷冻站制出的低温盐水（大约-30C）经输送干管到 各孔内冻结器，再由回路干管返回到冷冻站的盐水箱。 l 低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时，吸收 其周围岩层的热量，使周围岩层冻结，逐渐扩展形成 冻结壁。 l 随着盐水循环的进行，冻结壁厚度逐渐增大，直 到达到设计厚度和强度为止。 l图1-1 常用一级压缩冻结系统示意图 l1 氨压缩机；2油脂分离器；3冷凝器； l 4储氨器； 5关闭阀； 6调节阀； l 7氨液分离器；8蒸发器；

4、9盐水箱； l10盐水泵； 11供液干管；12配液圈； l13冻结器； 14集液圈； 15回液干管； 16集油器； 17冷却水泵； l18低压氨管路 l 积极冻结期积极冻结期：该阶段用设备的最大制冷能力工 作，使地层尽快达到冻结厚度和冻结强度。 l 消极冻结期消极冻结期：工程开挖期间称为消极冻结期。 由于消极冻结期间只需要维护冻结壁不再扩展，又 叫维护冻结期。 l 冻结制冷系统可分为三个循环系统：即氨循环系 统、盐水循环系统和冷却水循环系统。 l 实际人工冻结法的原理是：盐水吸收岩层的热， 并把这部分热量传给氨，经压缩机作功后，氨又把 这部分热量传给冷却水，冷却水把热量带到大自然 中去。 l四

5、四. .常规冻结法的施工工序常规冻结法的施工工序 l A.A.冻结孔的钻进冻结孔的钻进： l 目前立井施工、隧道施工、基坑围护等冻结施工主 要采用垂直孔；近年的北京和上海地铁施工采用了水 平孔冻结技术。冻结孔的施工和一般地质钻孔类似， 开孔直径105-200mm，采用泥浆循环并进行偏斜控制。 l B冻结管的安装：冻结管的安装： l 包括冻结管和供液管的下放和安装。 l C制冷站和供冷管道的安装：制冷站和供冷管道的安装： l 包括盐水循环系统管路和设备安装、 制冷剂（氨或氟利昂）压缩循环系统管路与设备安 装、清水循环系统管路和设备安装、供电和控制线 路的安装以及保温施工等。 lD D地层冻结和维

6、护：地层冻结和维护： l 通过调试，使得各设备达到正常运转指标，便可 进入积极冻结期。该阶段要按设计最大制冷量运转， 注重冻结壁形成的观测工作，及时预报冻结壁形成 情况。冻结壁达到设计要求，进入岩土工程开挖施 工阶段，即维护冻结期；此时适当减少供冷，控制 冻结壁的发展即可。 lE E土木开挖工程施工：土木开挖工程施工： l1-2 1-2 冻结法设计理论冻结法设计理论 l一一. 冻结壁结构形式冻结壁结构形式 l首先应根据施工需要选择冻结壁的形式。 l（1）圆形和椭圆形帷幕。选用圆形和椭圆形帷幕，能 充分利用冻土墙的抗压承载能力，具有最好的受力性能， 经济也较合理。 l（2）直墙和重力坝连续墙。直

7、墙结构受力性能较差， 冻土会出现拉应力，一般需要内支撑。重力坝墙在受力 方面有改善，承载能力有所提高，但工程量相应较大， 需要布置倾斜冻结孔。直墙结构要进行稳定性计算。 l（3）连拱型冻土连续墙。 l 为了克服冻土墙的不利受力条件，将多个圆拱或扁 拱排列起来组成冻土连续墙。这样可使墙体中主要出现 压应力，同时还可利用未冻土体的自身拱形作用来改善 受力情况。 l二冻结壁设计参数二冻结壁设计参数 l 设计参数有冻土壁厚度，平均温度，布孔参数，冻 结时间。上述参数的计算与整个费用优化，工期优化有 关。 l（1）根据冻结壁结构和打钻技术水平选取开孔距离， 钻孔控制偏斜率； l（2）根据施工计划和制冷技

8、术和装备水平，初选盐水 温度和积极冻结时间； l（3）根据布孔参数，盐水温度，冻结时间进行温度计 算，得出冻结壁厚度和平均温度； l（4）根据土压力和冻结壁结构验算冻结壁厚度； l（5）若冻结壁厚度达不到技术要求，则要调整上述冻 结参数，反复计算直到技术可靠、费用和工期目标最优。 l三冻结方案设计冻结方案设计 l冻结方案大致分以下几种： l 1一次冻全深一次冻全深：适应性强，能通过多层含水砂层。 其不足是深部冻结壁和浅部冻结壁厚度相差大，要求制 冷能力大。 l 2差异冻结法差异冻结法： l 如果表土上部为含水丰富的不稳定地层而下部为厚度 很大的风化岩层或厚度不大但裂隙发育、涌水量大的基 岩时，

9、可以采用差异冻结方案。该方法也称为长短管冻 结。 l3分期冻结方案：分期冻结方案：当一次冻结深度很大时，如立井冻 结，为了避免使用更多的制冷设备，可将全深分为数段， 从上而下依次冻结，叫分期冻结。一般分为上下两段， 先冻上段后冻下段，待上段转入消极冻结期时，再冻下 段，上段掘砌完后，下段转入消极冻结期，开始掘砌施 工。 l 4局部冻结方案：局部冻结方案：当施工区域仅某区段有淤泥或富水 流沙层时，可考虑采用局部冻结方案。拟采用液氮冻结。 设备简单，适用局部处理事故。 l四四. 冻结壁及支护结构设计冻结壁及支护结构设计 l 1. 作用在冻结壁上的荷载：冻结壁的自重、地层 土压力和水压力。 l 作用

10、在支护结构上的荷载: 支护结构的自重及其 上的设备自重，地层的水、土压力，施工时的冻结 压力和吊挂力等。 l 2. 荷载的确定：仍是研究课题，目前应用的地压 计算公式有以下几种： l （1）挡土墙理论分层计算公式： l p=（1h1+ 2h2 + + nhn ）Kn l式中 1、 2 n -各不同土层的容重； l h1、h2 hn -各不同土层的厚度； lKn -某一计算深度的土层水平侧压力系数。 经验值为：流砂 0.757, 松散土层 0.526, 软地层 0.387, 弱岩层(f=1) 0.164, 中硬岩层(f=14) 0.017 , 坚硬岩层(f=416) 0.004, 最硬岩层(f=

11、1620) 0.0012. l (2) 悬浮体理论公式: l p=（nhn + n hn ）Kn + H l式中 1、 2 n -地下水位以上各土层的容重； l h1、h2 hn -地下水位以上各土层的厚度； l 1 、 2 n -位于地下水中各土层的悬浮容 重； =(-1)/(1+ ) l 为土层颗粒干比重; 为土层孔隙比; l h1 、h2 hn -地下水中各土层的厚度； lKn -计算深度的土层水平侧压力系数； lH-计算深处静水位高度。 l （3）重液公式：当地下结构穿过不稳定冲积层含 水丰富、砂层较多，则侧压力可按重液公式计算， 即： p= H l-水土混合物的重液比重，一般取1.3

12、。 lH-计算深处静水位高度。 l （4）冻结压力计算：冻结压力与冻土温度、土层 性质和施工工艺等因素有关，目前还不能给出较为 精确的荷载数值；岩土开挖后，冻土壁蠕变和支护 结构施工时被融化的冻土再度冻结膨胀都会产生冻 结压力。 l 根据实测资料，砂层和砂砾土层的冻结压力可达 到0.51.0MPa, 粘土和砂质粘土可达1.51.8MPa, 钙质粘土可达1.82.0MPa。 l （5）吊挂力计算：仅在冻结法凿井施工中计算。 由于浇灌井壁时壁后冻土融化，在一定段高内井壁 处于吊挂状态，这时井壁与融土间的摩擦力较小， 可略去不计，吊挂力计算如下： l G = AH lA-井壁的横截面积； lH-吊挂

13、段高度，根据经验和施工条件变化，一般 为1525m； l-井壁材料的容重。 l 3. 冻结壁和支护结构验算 l 确定荷载后, 根据冻结壁结构形式确定验算方法， 直立围挡结构按冻土墙理论验算；圆形封闭结构按薄 壁筒或厚壁筒理论进行验算。 l 一般h/r01/10按厚壁 圆环计算。 l1-3 1-3 冻结技术理论研究现状冻结技术理论研究现状 l一、冻土形成机理研究一、冻土形成机理研究 l 土体是一个多相和多成分混合体系，由水、各种矿物 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。 l 当降到负温时，土体中的自由水结冰并将土体颗粒胶 结在一起形成整体。冻结施工中主要就

14、是冻结自由水， 它在地层中含量的多少，直接影响着冷量的消耗、冻结 速度和冻土的强度。 l 一般粘土的颗粒小且成片状，其结合水的含量最多， 而砂土则次之，至于粗砂、砾石层或裂隙岩层则绝大部 分为自由水。因此，粘土的冻结效果最差，冻土强度较 低。 l 实验研究表明冻土的形成是一个物理力学过程，土 中水结冰的过程可划分为五个过程。 l（1）冷却段，向土体供冷初期，土体逐渐降温到冰点。 l（2）过冷段，土体降温到0C以下时，自由水尚不结 冰，呈现过冷现象。 l（3）突变段，水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜 热出现升温过程。 l（4）冻结段，温度升到接近零度时稳定下来，土体中 的水便产生结冰过程，矿物

15、颗粒胶结在一体形成冻土。 l（5）冻土继续冷却，冻土的强度逐渐增大。 l二二. 地下水性质对冻结的影响研究地下水性质对冻结的影响研究 l1水中含有一定的盐分时，水溶液的结冰温度就要 降低；冻结不太容易。 l2土中水的形态与土质结构有关，土体分原状和非 原状，原状土中的砂层、砾卵石土层中的水，渗透速 度较大；非原状土如回填土质和固结情况较为复杂。 l3土中水流速度对土的冻结速度有较大影响，常规 的土层冻结的水流速度一般应小于6m/day，水流速度 与地层的渗透系数和压差成正比。地下水流速度的准 确测量仍存在问题，目前主要通过钻孔抽水试验测定， 并按下式估算： l u=k*h/L=k*i l um

16、ax =k*imax（k）1/2/15 （1-2） l式中 u-地下水流速度（m/day）； l u m a x -进入钻孔 的 地 下 水 最 大 流 速 （m/day）； l L-产生最大水头的水平距离（m）； l h-水压头，（m）； l k-岩层的渗透系数，i=1时等于通过岩层 的流速（m/day）； l i-水力坡度；imax-最大水力坡度。 l三冻土特性的研究冻土特性的研究 l 国内外都进行了大量实验研究，冻土是由矿物颗粒、 冰、未冻水和气体组成的四相体四相体。在外载荷作用下，冻 土是一种非弹性材料，其应力应变关系有明显的流变 特性： l （1）蠕变；）蠕变；2）松弛；（）松弛；（

17、3）随作用时间增加，抗破）随作用时间增加，抗破 坏强度降低。坏强度降低。 l1冻胀和融沉问题研究：冻胀和融沉问题研究： l 土体冻结时有时会出现冻胀现象；土体融化时会出 现融沉现象。其原因是水结冰时体积要增大9%，并有 水迁移现象。 l 当土体变形受到约束时就要显现冻胀压力冻胀压力。 l 目前人们把土体冻结膨胀的体积与冻结前体积之比 称为冻胀率冻胀率；显然冻胀力和冻胀率与约束条件有关，把 无约束情况下冻土的膨胀称为自由膨胀率自由膨胀率，把不使冻土 产生体积变形时的冻胀力称为最大冻胀力最大冻胀力。 l 土的冻胀和土质、含水量及土质结构有密切的关系。 不同土质的结合水含量结合水含量不同，宏观上表现

18、出来的起始冻 胀含水量就不同。像砂土、砾石这样的动水地层，一般 不会出现冻胀现象，冻胀现象主要出现在粘土质的冻结 过程中。 l2研究冻土的应力应变关系：研究冻土的应力应变关系： l实验表明冻土不同时刻的应力应变曲线可以用幂函数方 程表示： =Aim （1-3） Ai 称为冻土的可变模量可变模量（Mpa），是随时间和温度变 化的参数；m为应变强化系数强化系数，基本也随时间和温度变 化。 l 冻土受力后的变形情况如图1-4所示，首先发生瞬时 的弹性和塑性变形（OA段）；随后变形速率逐渐减小， 进入非稳定的第一蠕变阶段（AB段）。 l 在衰减的蠕变过程中，变形速率逐渐降到最小值，变 成一常数而进入第

19、二蠕变阶段，即稳定的蠕变阶段（BC 段）；随着变形的发展，变形速率增加进入第三蠕变阶 段，即渐进流变段（CD）；最后以土体的破坏而告终。 l当载荷较小时，变形的发展只出现到第二阶段，即变形 的速率逐渐趋于零。当载荷较大时，变形的发展将很快 进入到第三阶段，并随即发生材料破坏。 l3 3冻土的强度研究：冻土的强度研究： l 冻土的强度是指导致破坏和稳定性丧失的某一应力 标准。冻土的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种，其 影响因素主要有： l（1）颗粒成分：一般粗颗粒的多呈脆性破坏，粘性冻 土多呈塑性破坏。 l（2）冻土温度：冻土温度高多呈塑性破坏，冻土温度 低多呈脆性破坏。 l（3）含水量：对于典

20、型冻土，随着含水量的增加 通常由脆性破坏过渡到塑性破坏，但含水量进一步 增加时，则由塑性破坏过渡到脆性破坏，含土的冰 块多呈脆性破坏。 l（4）应变速率：应变速率低多呈塑性破坏，应变 速率高多呈脆性破坏。 l 评价冻土蠕变强度一般有两个有意义的强度指 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。二是冻土的长期强度极限（或 称持久强度），即超过它才能发生蠕变破坏的最小 的应力。两种指标差别较大，设计冻土壁时应特别 注意。 lA A冻土单轴抗压强度研究冻土单轴抗压强度研究 l（1）温度是控制冻土强度的主要因素。）温度是控制冻土强度的主要因素。 l 冻土极限抗压强度c（MPa）

21、，按下列方程式确定： l中砂 c =C1 + C2（t）1/2 （1-4） l粉砂和粘土 c =C1 + C2t （1-5） l式中：C1和C2根据土壤的孔隙率和温度选取的系数； lt冻结土壤的温度（C）。 l（2）土质是影响冻土蠕变强度的重要因素之一。）土质是影响冻土蠕变强度的重要因素之一。 l（3）密度增大，冻土蠕变强度也增大，冻土的干容重 增大，抗压强度增大。 l（4）冻土在较小含水量区间内，其抗压强度随含水量 的增加而增加，当含水量继续增加，而土的密度明显减 小时强度不再增加，甚至会降低。 l（5）冻土持久抗压强度约为瞬时抗压强度的1/2-1/2.5。 lB冻土的单轴抗拉强度：冻土的单

22、轴抗拉强度： l表1-1 冻土瞬时抗拉强度 l岩 性含水量（%）瞬时抗拉强度（Mpa） l 冻土 温度-10 -15 -20 -25 l砂土 2225 2.803.43 4.2 4.57 l粘土3335 1.852.23 2.54 3.03 C冻土的抗剪强度：冻土的抗剪强度： l 试验表明，对于砂土和粘性土，无论是原状土还是非 原状土，只要当应力小于9.8Mpa，其冻结后的抗剪强 度均可用库仑公式表示： l =C+P*tg （1-6） l为瞬时剪切强度；P为正压力；C为粘聚力；为内摩 擦角。温度是控制冻土抗剪强度的主要因素。无论是砂 土、砂砾石土，还是粘性土，一般可用下式表示： l C=C0

23、sign() (=-0.2C) （1-7） l =+ksign() (=0.3C ) （1-8） l式中 C0，k为实验参数。 l土质是影响冻土抗剪强度的重要因素之一，颗粒粗的冻 土的抗剪强度要比粘性土高。冻土持久抗剪强度一般为 瞬时抗剪强度的1/3-1/6。 lD复杂条件的冻土蠕变强度研究复杂条件的冻土蠕变强度研究 l工程实践和科学试验都表明，冻土是拉压异性材料，而 且围压是冻土蠕变强度和蠕变规律的重要影响因素。 试验用土为兰州细砂，试验温度范围为-10；围压范 围是1.5MPa；试样含水量为20%；干容重为。由试验 得出的三轴蠕变曲线如图1-5所示。 (1)冻土的三轴蠕变过程和单轴蠕变过程

24、一致；（2）冻 土蠕变强度随围压的增加逐渐增大到某一最大值，而后 随围压的继续增加出现下降趋势。 l（3）单轴应力状态下蠕变参数不能直接推算到复杂应 力状态下的蠕变参数，必须对各种实验结果数据进行分 析确定其参数。 l图1-5 冻土三轴蠕变曲线 lT=-10C 3=1.5Mpa, l1. 1-3=9.0MPa, 2.1-3=8MPa, l3.1-3=7.5MPa, 4.1-3=7.0MPa, l5.1-3=6.5MPa, 6.1-3=5.0MPa l4. 冻结温度场研究冻结温度场研究: l 仍是很好的研究课题, 由于土层的多样性,其导热性能 具有非均匀各向异性, 准确计算温度场的变化十分困难,

25、 目前主要采用经验方法估算. l施工中常用以下经验公式估算冻结时间： l t=E（0.550.6）/V (天) （1-10） lE-冻结圈厚度； lV-冻结速度； l 在砾石层，35-45mm/day；在砂石层，20-25 mm/day；在粘土层，10-15 mm/day。 l5. 制冷剂和冷媒剂研究制冷剂和冷媒剂研究 l 氨是最广泛应用的中温制冷剂，具有强烈刺激性臭味， 对人体有害。氨适用于蒸发温度在-65C以上的大中型 活塞式制冷压缩机中。 l 氟利昂在1930年首次制造出来，蒸发温度在-40与- 80C之间，其特点是无毒、无臭，对人体危害最小； 无爆炸危险，适用于离心式压缩机。缺点是易于

26、泄露且 不易发现。 l 液氮是一种比较理想的制冷剂，无色透明，稍轻于水， 无腐蚀；一个大气压下液氮的汽化温度为-195.81C， 蒸发潜热为47.9千卡/公斤；属于深冷制冷剂。主要用于 局部冻结，抢险工程。 冷媒剂冷媒剂: : l 在制冷技术中，传送冷效应的物质叫冷媒剂。如盐 水、空气、氨和各种卤化物均可作为冷媒剂。要求冰点 低、热容量大、不腐蚀设备，价格低廉。 l 制冷设备制冷设备 l 压缩机 是把饱和蒸汽氨压缩成为过热蒸汽氨并达到 冷凝压力，从而形成氨的循环。 l 冷凝器是制冷系统中的主要热交换设备之一。在冷凝 器中进行着制冷剂的冷却及冷凝过程。 l 蒸发器是制冷系统中的另一种热交换器。 l 节流阀的功用是使高压液氨减压到蒸发压力，给液氨 创造蒸发条件。因而节流阀又叫减压阀。 l四液氮及其冻结原理四液氮及其冻结原理 l 上世纪60年代液氮制冷剂直接气化制冷修筑地下建筑 工程，已成为一种新的局部土层冻结方法，为提高地层 冻结速