软土隧道开挖冻结法施工原理

冻结法原理

二○一二年十月主要内容1冻结法概述2冻结系统种类3冻土低温特性4冻土力学性质5土体冻结基本理论冻胀融沉及其控制1.1人工地层冻结法

冻结法定义：

用人工制冷的方法，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壁或密闭的冻土体，用以抵抗水土压力、隔绝地下水，并在冻结壁的保护下，进行地下工程的施工。1概述——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，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：

材料：（1）土体中水分冻结，提高一定范围内岩土的强度（2）减低一定范围岩土体渗透性——创造新工程材料

结构：在普通结构内部构建了新的工程结构。——冻结法

将这一性质改良后的冻结岩土(冻土)用于地下工程施工期内的承载（结构功能）和密封（材料功能）1概述——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和施工冻结孔——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，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——形成冻结壁.1概述1概述1概述1概述1概述1概述1概述——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。

冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法1概述——冻结法具备的优点

(1)安全性好，可有效的隔绝地下水；(2)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(如软土、含水不稳定土层、流砂、高水压及高地压地层)条件下冻结技术有效、可行；(3)灵活性好，可以人为地控制冻结体的形状和扩展范围，必要时可以绕过地下障碍物进行冻结；(4)可控性较好，冻结加固土体均匀、完整；(5)经济上较合理。1概述1.2冻结法简史国外l862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600m1888年：美国，用于煤矿矿井开挖l965年：加拿大，开挖l089米矿井，冻结深度684米1952至l98l年间：北美，用冻结法凿井达29个迄今为止，各国冻结井最大冻结深度：英国930m，美国915m，波兰860m，加拿大634m，比利时638m，前苏联620m，德国531m，法国550m，中国702m（表土583.1m）、737m（表土568.5m）1979年：美国，地下核电站基坑、直径40m、深6m基础80年代：苏联，城市地铁大厅35座、隧道35项，高l38.5m、重27000吨大楼基坑开挖支护1962以来：日本，超过300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、奥地利、挪威、西班牙、芬兰、澳大利亚、法国、荷兰、加拿大等我国情况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成功；至今已经冻结近1000个井筒.70年代初，北京地铁冻结长90m，垂深28m 上世纪80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1993年，上海地铁一号线1个泵站和3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45m2000年以后,上海大量越江隧道和地铁工程使用冻结法.1概述1.3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：

——立井工程

——斜井工程

——地基基础

——基坑稳定

——隧道工程

——其他岩土工程1概述

可用来获得低温的方法很多，一般有以下几种相变制冷蒸气压缩制冷吸收制冷热电制冷2冻结系统种类2.1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/(kg·K)。2冻结系统种类2.2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冻结系统种类2.3蒸气压疯缩制冷蒸气压缩斥制冷和气捧体压缩制泛冷同属于晃压缩式制负冷循环，贡它是以消嗽耗一定量商的机械能拔为代价的虑制冷方法悟。压缩制瓶冷是最常慕用的制冷后方式。由梯于气体压仪缩制冷过讽程中制冷告剂不发生柄相态变化读，无潜热荒利用，其骗单位制冷聚量小，要眼提供一定倦制冷量，仆则需相对棋大的设备骡。蒸气压扯缩式制冷仪采用在常仇温下及普童通低温下跃即可液化律的物质为蛋制冷剂（及如氨、氟伸利昂等）择。制冷剂拘在循环过电程中周期伐性地以蒸润气和液体休形式存在宅。蒸发器膀中产生皱的低压屯制冷剂劳蒸气在愤压缩机森中被压妻缩到冷洗凝压力窄，经冷冤却水、狠空气等院介质冷词却后变误成液体仁，再经章节流阀差膨胀到刺蒸发压慨力成为打汽、液能两相混容合物，边温度降签到饱和沟温度，于在蒸发像器中蒸挠发，吸竹收热量奖而制冷盖，汽化悉后的蒸拦气被压请缩机吸维回，完斥成一个筐循环。2冻结系统运种类2.4吸收式卫制冷吸收式气制冷是雷利用溶习液对其承低沸点沉组分的凭蒸气具乱有强烈广的吸收角作用而幼在加热溉状态下妹，低沸小点组分促挥发出剩来的特抵点达到浅制冷目猛的。吸收式制袍冷采用的信工质是由球低沸点物路质和高沸始点物质组祝成的工质园对，其中械低沸点物潜质为制冷良剂，高沸造点物质为脱吸收剂。吸收式稍制冷不甚同于压钢缩式制笨冷，它立是用热讨能替代借机械能菠来完成补冷冻循蛙环的。万吸收式那制冷系乏统还可隶以使用渗天然气虑、液化誉石油气钞、蒸气见或电加电热器作虽为能源鲜。2冻结系街统种类目前广粱泛使用鸭的是溴壮化锂水学溶液吸核收式制冈冷机。扮水为制里冷剂，庸溴化锂隶为吸收动剂，用测来制作0℃以上的男冷源发牌生器。1个大气亮压下，暂溴化锂将的沸点1265蕉℃，水的快沸点为100℃。因此棍，在溴型化锂水还溶液上胆方的蒸氏气几乎扮全部为螺水蒸气做，而溴搏化锂对帮水的吸粗引力很配强，使稳溶液面采上方水注蒸气饱猪和压力还比相同橡温度下抵水的饱滋和蒸气苦压低得回很多。集在这样傻低的压耍力下，你水就可梅以在比疑常温低浸的温度馅下蒸发减，吸收中热量，咱达到制烘冷的目滴的。2冻结系统橡种类吸收式制守冷系统按典使用热源恼的种类分网为：燃油燃气蒸气电加热太阳能岩土工有程冻结比制冷技叙术常用霸的有：盐水循乱环氨制估冷冻结液氮冻结干冰冻结混合冻结2冻结系弱统种类2冻结系统帖种类2.5氨（氟利劫昂）－盐落水冻结系馆统（Bri爷ne存Sys茎tem驼）盐水循环地----脱--盐水诱吸收地层汽热量，在酷盐水箱内陶将热量传殃递给蒸发插器中的液泄氨；氨循环号---惧---辉液氨变界为饱和古蒸气氨励，再被线氨压缩券机压缩询成过热袄蒸气进趟入冷凝呜器冷却树，高压碍液氨从宴冷凝器嫁经贮氨粱器，经晴节流阀分流入蒸讲发器液仇氨在蒸奔发器中艘气化吸驼收周围沸盐水的闻热量；冷却水循防环---奔----洒-冷却水姥在冷却水录泵，冷凝济器和管路击中的循环咬叫冷却水唐循环。将识地热和压孙缩机产生瓦的热量传榆递给大气河。2.5氨（氟利斥昂）－盐献水冻结系粗统制冷技术（制冷系渡统、冷媒法剂循环、爪冷却水循姻环）制冷循追环一般篇包括四他个过程或：压缩龄—冷凝韵—降压搭—蒸发冷媒剂循逼环：在冻结去管内循社环，将沿地层热使量带出冷却水滋循环：将制冷系元统的热量础释放于大俗气中冻结法中锣，制冷剂早一般用氨社或氟里昂乡丰，冷媒剂亦通常用氯室化钙溶液呼（盐水）2冻结系分统种类一个大预气压下宰气化潜尘热197忧.6KＪ/Kg。氮的上显热为1.0掏5KＪ/（Kg.旋K）2.6液化气体错系统（液蚁氮）利用液非氮的潜凳热实现见地层冻焰结2冻结系附统种类液氮冻结孔原理图2冻结系统碑种类干冰是固五态的二氧槐化碳（CO２），它是一种思良好的制冷臣剂，广贯泛应用伴于实验池研究、抓食品工倾业、医疗、机械私加工和焊狡接等方面门。干冰的夸平均相对届密度为1.康56ｇ／跟ｃｍ３，干冰胜在化学睡上稳定蜻，对人无害。在执大气压力孩下升华温鞋度为－7帝8.5℃狮，升华潜热为洒573廉.6kJ/涌(kg·K)。2.7二氧化碳柔（干冰，CO2盏）制冷2冻结系统谎种类2.8混合系贱统,盐水液临氮混合术冻结较识多采用,前期用液卧氮快速垄冻结,后期用丈盐水维砖持。2.9四种系批统的适陈用范围间，设备包容量和责主要技术指碰标2.9四种系码统的适铁用范围桃，设备斥容量和撒主要技术指极标（1）盐除水系统制冷温度富：-1框0℃便～-35浓℃土颈层：止任何含搬水地层地下水流天速：υ≤5．7﹡10-5m/s冷量估钩算坏：Q=1动.3.粉π.d刻.H.浆K制冷效率爪：3球0%~50拌%冻土速度悟：2cm/捡d2.9四种系章统的适步用范围盘，设备洒容量和育主要技术指葱标（2）骡液氮系活统制冷温税度：芝-60攀℃台～-1爱50尤℃土译层：减任何含脖水地层地下水流随速：不限冷量估算弯：享460kg/m3制冷效率继：5嫌0%冻土速度御：2帜0cm/爷d配备储气睡罐：大于须5000睬升2.9四种系统矿的适用范帽围，设备洁容量和主族要技术指积标（3）亏干冰系业统制冷温度渴：-2倘0℃散～-70膝℃土层额：任何瓣含水地层掩表面地下水紧流速：预不能有椅动水冷量估幸算亡：6选00kg/m3制冷效柱率者：70铁%冻土速度表：1惑0cm/d2.9四种系艺统的适遭用范围信，设备夜容量和域主要技术指晃标（4）混名合系统制冷温恰度：站-40户℃间～-7占0℃土袄层：家任何含仇水地层地下水看流速：彩少量动川水冷量估揉算损：Q=1.无3.π.坝d.H.盈K制冷效率凤：6拼0%冻土速度差：3cm/d盐水加借入乙二锈醇3冻土低温幕特性3.1冻土及冻慕土分类冻土：在负温条允件下，岩厉土中的孔延隙水相变姿结冰并胶泻结土颗粒多成为一整旱体形成---冻土。冻土分：天然冻鄙土永冻土：籍高温冻土衰、低温冻渐土、富冰马冻土、贫睬冰冻土季节冻土人工冻友土差异表现炎：冻结对象耻、温度分挡布、温度纠变化、温狱度作用时青间和历史表、冻土体枯发展、冰硬晶构造等天然冻土旅（永冻土破）与人工利冻土比较项目天然冻土(永冻土)人工冻土地层 l

寒区的任何土、岩石 l通常为含水、不稳定软弱地层温度

l

一般不低于-15℃ l

由自然气候控制 l

在时空上变化小 l

一般温度-20℃~-35℃或更低 l

人为设计、控制 l

按需要，时空变化大冻结锋面

l

向上或向下扩展的平面 l

按冻结管布置形式，一般为人为设计的曲面承受荷载

l

一般为长时的恒定荷载 l

一般为短期的变化荷载功用 l

永久结构或材料 l

临时结构或材料3冻土低温城特性3.2冻土的构字成人工冻土交是由固体躺颗粒、未勇冻水、冰拖和气体构痛成的混合化物。固相(土贞颗粒)：有矿物混颗粒、饰有机质富或者两捷者；粘-塑雷相(伟冰)：冰的嵌入青和胶结——有粘滞性贼；液相(峰未冻水岁)：水分子厨部分/让全部充谣满孔隙踢空间；气相(惕空气)插：空气充填胃未被水分境子占领的泼孔隙空间3冻土低努温特性3.3土中水未冻土籍：由矿阳物颗粒菊、孔隙艳气和孔防隙水构储成饱和土串：忽略衬孔隙气耻，则土熊由固体政颗粒和守水构成土中水：桐强结合水跟、弱结合戒水、毛细通水和自由梦水3冻土低温委特性固体颗粒唇表面—负做电荷——依分子力（减对水的引莫力达1万血大气压）快——极性极水分子自费动排列强结合它水（吸彼着水、书固态水）：受静电疼吸力最认大密度1栋.2~米1.4g/m3冰点-显186助℃，1幻玉05功℃可排淹除厚度十渠几个水何分子占总量服0.2灰~2%厚度<喇0.0抛03m。弱结合全水：密度大菠于自由肉水冰点-2辞0~-3哭0℃厚度<0舟.5m结合水弃不受重为力影响玻，但可牌从水膜哪厚处向弯薄处转声移毛细水卫、自由很水：毛细水不兔受重力影耻响，但其秃具有与自伏由水相近旗的结冰温弓度水的粘滞询系数随距玩离的变化3.4冻土的形哄成形成过绸程：土中水爱在冻结愤温度以务下相变域为冰并漏将土颗梨粒胶结无成整体土体的“鞭冻结温度门”（冰点霜）：土中水朝稳定冻棍结的温器度。影响冻结软温度的主必要因素：土质：含水量功：含盐量：随含盐瞒量增加弯冻结温猴度降低压力：变化率手-0泛.07破℃/MPa弹~转-0.窗08℃步/MP惭a3冻土低题温特性冻结温决度适用云叠加原第理T0=T0w+T0y+T0PNaCL浓度/mol/L0.10.20.30.51.0冻结温度/C-0.37-0.74-1.11-1.86-3.72含水量与岸冻结温度厅的关系含盐量与强冻结温度由的关系冻土形叨成的五弄阶段冷却段：温度从炮初态减刷低到水奥的冰点握，此时培尚无冰炊；过冷段规：温度续茂降至冰恐点下，袋自由水借仍不结湾冰，呈匪过冷现莲象。主偏要与热贱平衡有纷关；但若在水谈达到冰点除且全部水胀未结冰前躬，有结冰淋冰晶生长菜或有振动老的影响，间土中水将知立即进入汪稳定冻结款阶段，而卡无明显过糖冷现象产豆生(3)光温度突升发段：部分孔泡隙水冻鲁结，释膛放潜热撇，温度趣突升；(4)育稳定冻结万段：温度升介至冰点血并稳定饲，孔隙劳水开始乎冻结成孝冰，冻洞土逐渐萌形成；(5)验冻土下降温段扎：温度继续唯降低，冻灶结范围扩托大、冻土亦强度增加肠，吸收冷峡量，温度卧进一步减靠低。3.5冻土的燥热物理牢性质对于人工毒冻结工程冰的设计、彻理论计算钉和数值分危析十分重柴要基本指标抄：比热、坏导热系数杏、导温系默数、潜热杨、热容影响因冲素：土咱温、矿简物、含谣水量、否饱和度耗、干密台度、有哄机质含宿量等有冻融相暴变的土—祝—相变与点否对土的之热物理性胜质至关重庸要：原因严是土中水票分重分布锄以及液态择水变成了钓冰。若单位质述量的液态旷水结为冰妖，导热系任数增大近舞4倍，容弟积热容减夏小1倍，揪释放出的咸相变热可俘使等体积仅的土温度肉升高15廉0C3冻土低温蠢特性3.5冻土热疮物理指桃标1比热容在不发丛生化学闸反应和帮物质相咽态变化衔的条件蚕下，单位质量专的物质的港温度升高贱或降低1K，所吸滚收或放呼出的热眉量，称变为该物蚁质的比摊热容。不同绳的物质蛮的比热络容不同宫，同一将物质在惩不同温装度和相届态下，妖比热容警也不相曲同。物质的比封热容与温侄度有关，浴物质在某限个温度时吐的比热容跳称为真实债比热容。朋物质在某恢一温度范船围内的比薯热容的平旨均值称为榆平均比热静容。水的比啊热容1.0千卡/千克.度，冰靠的比热罩容0.5千卡/千克.度，冻土的圣比热容0.2千卡/千克.度左右。在工程踪蝶计算中惩，为简弃化计算权，通常钥采用物圆质的平茧均比热晒容。3.5冻土热物搞理指标2导热系匙数热导系数恐是物质导景热能力的步标志，在悟数值上等银于单位温崇度梯度抚时单位羞面积上扑的热流绕量。热导系腊数是物厨质的物疫理性质崇之一，汉与其组场成、内依部结构樱、密度胜、压强星和温度要有关，衔可由实帝验测定得。一般镜而言，伙金属的闲导热系笋数最大梅，非金得属次之怠，液体顶较小，俱气体的艳导热系嗓数最小愈。对于颠大多数置匀质的炎固体，遣导热系闪数主要努受温度惯的影响粥，且大时致成线搜性关系孤。冻土框的导热归系数在1.0～3.0之间。3.5冻土热进物理指搬标3热量是热能发生观转移时的被物理量，用Q表示。肥它不是酒状态参欣数，它督与过程军有关。卸从分子族运动论底来看，须物质分轰子的运艰动强度类越大，怜物质的员温度就斑越高，锅当两个驼温度不吹同的物晨体相接刻触时，祸热量总钥是从高怖温物体不传给低既温物体稻，直到截两个物渐体的温旋度相等衡为止。浇热量又齿有显热和潜胜热之分。4.1概述力学性肉质意义冻结法工护程目的：封闭地仿层——隔绝地选下水强度、脾稳定性——保护开燃挖冻土的仍力学性介质：受土性、静含冰量、隙应变率和慕温度等控剧制确定冻寻土强度瘦和变形视性质参勺数方法脂：实验室试矮验4冻土力学办性质试验条滑件冻土强度疾性质描述祥一般都是违通过在-8C今°～-15C°温度条件丢下的单轴、三园轴试验以喉及单轴蠕浑变试验得到堪。采用液佳氮冻结时巾，则需要粉在更低的性温度下进袍行试验4冻土力学虹性质冻土工程团设计和施息工中最重大要的冻土绒力学性质农：抗压强压度抗拉强度剪切强瞎度流变性贪质和长漫时强度冻胀与伐融沉4冻土力学芽性质影响冻汪土强度耻的因素冻土属档于流变狱体。冻土强元度主要产受土-佩冰骨架振系统的锐粘滞性费和内摩扩擦所支哲配，并错与冻土严的形成傅环境、栗荷载、洒温度及姥变化、酬土性、稳含水量倒、含盐肉量等因射素有关掀。土性一定凝时，冻土赢强度主要宫取决于温度和千时间4冻土力学据性质4.2冻土抗压备强度冻土组构乱、形成及滤构造的复岸杂性冻土强度胁性质将取首决于诸多瞧因素：——含怪冰量——密挖度——粒径释级配——预加本荷载——扰众动——棵非均质——含横盐量，等4冻土力羡学性质（1）温度、含吊冰量和加备载应变速淡率是关键因敢素；（2）在细粒冻棋土中，孔宜隙冰与蹦土颗粒欧相互联及结，冰强度成为决定箱冻土强度瓜的一个重稳要因素；（3）蜜环绕土狼颗粒存风在着的未冻水对冻土强捐度和破坏烟形态有相皂当重要的拨影响。4冻土力学挽性质强度—应树变速率—健冻土温度增加应变织速率和降少低冻土温族度提高冰淡骨架强艘度提高冻土杂的抗压强址度：当冰骨贱架占5追8%时旋，温度旱每降低测1℃，员强度大贞约增加吧1.3倚62MPa。——在高应变榨速率（1史.0s-1）和低温（θ<-4再0℃）条件下，羽冻土通常逆可视为弹鸟性介质4冻土力学堆性质冻土抗茫压强度额主要取军决于冻罪土温度4.2冻土的抗掉压强度(1)温度对药冻土强恢度的影株响试验表饭明，冻贵土强度舰随着冻泛结温度评的降低曲而增大足。随着吊负温的誓继续增名加，强掩度的增辟长逐渐醒变慢，遵所以强彩度与温质度的关侦系虽然痒密切，钥但却不嘉是线性斜的。可以用下乳列两个简注单的经验在公式之一膏来计算饱扎和砂的极兆限抗压强粉度(2)含水率跪对冻土晴强度的塑影响试验表明腰，含水率御是影响冻沉土强度的保主要因素胃之一。在设土中含水参量未达到晌饱和时，指冻土强度赚随着含水渴率的增加斩而提高，财但当达到铁饱和后，具含水量继拴续增加时碰冻土强度颤反而会降身低。当含责水量比饱倾和含水率精大的很多亭时，冻土速强度就降嗽低到和冰肿的强度差润不多了。(3)土的颗愿粒组成贤对冻土医强度的丝式影响土颗粒成饮分和大小竟是影响冻肠土强度的池一个重要盖因素。试纹验表明，神在其他相箭同的条件架下，土颗拦粒愈粗，搁冻土强度栽愈高，反唉之就低。汗这主要是保由于不同蚂的颗粒成业分造成土贪中所含结斩合水的差枕异所引起薄的。例如湖，粗砂、闯砂砾和砾眼石的颗粒政粗，其中篇几乎没有烛结合水，挑冻土中不谦存在未冻至水，所以含冻土强度膝高。相反嫂，粘土类吴土颗粒很冲细，总的言表面积很族大，因而萌其表面能充也大，在仆其中含有勒较多的吸乔附水和薄吃膜水，吸户附水一般幕是完全不楚冻结的，没薄膜水也仗只是部分阴冻结，因糖而在冻土衣中保存了盆较多的未宣冻水，使乳冻土的活咐动性和粘赴滞性增加姻，强度降艳低。另外渔，土颗粒联的矿物成宴分和级配闪对强度也母有一定的宗影响。(4)荷载作用标时间对冻联土强度的张影响试验表明须，由于冻鸡土的流变陪性，其强绳度随着荷跌载作用时局间的延长而降低修。在实烤验室条择件下，攀荷载作验用时间弦少于lh时的冻悟土强度称为瞬黄时强度巾，大于1h的强度称贡为长时强恶度。一般俯荷载作用200h时的破坏崭应力称长果时强度。响所以冻土狭的瞬时强凝度比长时后强度要大的多，棍而且冻谷结温度汽愈高，昌两者相演差愈大生。当冻结婶温度在-4～-15℃时，冻醋土长时强朽度与瞬时张强度的比锅值为：（1）长时伍抗压强历度约为宣瞬时抗沫压强度划的1/2～1/2.赚5；（2）长时集粘结力绪约为瞬巷时粘结巷力的1/3；（3）长时帆抗剪强桂度约为什瞬时抗县剪强度沫的1/1睡.8～1/2.铅5；（4）长时抗雕拉强度约驾为瞬时抗崭拉强度的1/12～1/1兆6。(5)冻结速度忌对冻土强徒度的影响冻土形成肿的快慢速屑度直接影橡响到冰的忧结构．若么冻结速度踪蝶快，冻土皇中的细粒无冰就多，量冻土强度拒就高。相债反，若冻红结速度慢原，冻土中敬的粗粒冰吼含量增多德，冻土强加度相应降感低。所以征，积极冻亦结期的冻戏结状况对子冻结壁的所形成有重络要意义。杆为此必须知尽量降低驱盐水的温寻度，这样磁不仅使冻咽土由于温旁度低而强能度高，同碎时也因冻滥结速度快框而进一步裤增加其强振度。采用款的液氮低忧温快速冻袜结新工艺传便具有这幸方面的优踢点。4.3冻土的井流变性由于冻粪土内存皮在固相钢水(冰)和少量液究相水(未冻水)，所以逃使其具有显济著的流变王性，即冻继土在荷载危作用下应电力和应变勾将随时间而滤变化的酒特性。壁当外力曲恒定时凡，冻土范的变形预随着时兴间的延长而驱增大，烈且没有仔明显的枝破坏特韵征。国内外许坝多学者对稿冻土的本陷构关系做弓了大量的域试验研究腔。在实验的基捐础上，获闯得较公认锤的本构关严系为：式中σ－应力，MPa；ε－应变争，无量奇纲；Ai－随时间洲变化的变窗形模量，MPa；m－强化系材数，无量少纲。—般m＜1。应力作用厕下，冻土陶呈现与时镰间有关的架变形性状——“蠕变”即使在低浩应力水平醉，冻土也矮呈现出蠕蚕变特性蠕变率材取决于含冰量、温度和加荷速率冻土蠕变邻源于与时世间有关的亭物理过程烈：在土颗粒卧接触点，龄压力导致荡冰的局部坑融化；未冻水乎向低应晨力区域缓迁移；孔隙冰哗的塑性藏变形；颗粒重铸分布；笨等。4冻土力跑学性质蠕变变咐形曲线遣形状受趴温度、渡应力大谁小、持烤续时间耽和冰饱眉和度等厅多种因载素的影塔响，富冰冻垫土：受首第二蠕染变阶段蹦支配，茧仅具短匆时第一健蠕变阶非段贫冰冻道土：受款第一蠕王变支配乖。高应力畅水平：举可能没透有明显好第一和允第二蠕桑变阶段碰达到第笋三蠕变离阶段，距在短时葬内破坏跨。冻土基本蠕变性质4.4冻土抗剪强度试验研究势表明，当隙正应力较烟小时（9.8丢MPa），可用Mohr宽-Cou架lomb强度理论臭确定冻土驰的剪切强惧度（Vya见lov映，19在62）剪切强度良=粘聚强杯度+摩擦仆阻抗。4冻土力丘学性质4.5冻土的冻苹胀冻弦胀：在低温瞎(负温约)条件米下，由琴于土中蔬的原位西水以及后未冻区裂的水分果迁移到除冻结区调的水结牧冰造成压体积膨启胀，引狂起土体环膨胀的遥现象原位冻胀研：土中孔蚁隙水原仔位冻结今引起的笨冻胀(园孔隙体云积9%台)分凝冻旺胀：未冻区称域水分燥向冻土乏区迁移猜、冻结脑所引起贫的冻胀冻胀危巷害：破坏地下盈管线、建歌筑物基础触，恶化环缸境，而且圆伴随冻土贿的冻胀一赶般均有相破当可观的遭融化下沉肥。冻胀理哪论：真空抽买吸、毛旧细水迁深移以及持薄膜水越迁移等4冻土力酸学性质冻胀的诱基本原规理土体冻阔胀示意艺图冻土融土冻结过程水分迁移水分补埋给冰分凝冻胀冻胀估算评价指标吉：冻胀率、胶冻胀量和烟冻胀力冻胀量品：冻土表黑面冻胀该位移的但绝对值押，mm，稼h冻胀率键：地层冻通胀量与古冻结地额层厚度练（H）的比值嗽，%，冻胀力永：冻胀受痕到约束洒时土体庭对约束肤体作用闪力，MPa冻胀速恋率：单位时间例内土体的悟冻胀量的昼增加值，冻结速茂率：单位时间腐土体的冻壁结深度增痛加值，4冻土力形学性质地面冻惑胀量计恶算4冻土力学穗性质减少冻胀协的措施——减少人工欺冻土冻胀道：人工地慰层冻结逝工程研拢究的重林要课题土中孔午隙冰和肚土体冻博胀的产冻生和发犯展取决条于土性、外性荷载、水拨和温度。工程条鞠件一定，唯一可讯控因素——温度边界温度棵：控制冻颠结速度、索温度梯度释；水分迁假移方向、才速度和迁没移量，从已而影响土俗中水相变介速度、成醉冰位置和哄数量。4冻土力收学性质4.6冻土的廊融沉定义：冻土融化夕时，由于耕冰变成水挑体积减小耍产生土的伴融化沉降常，若同时修在融化区挣域发生排拖水固结，楚则将引起惨土层的压须密沉降影响因榆素：温度、温糊度梯度、厘荷载以及撕土层的物猴理、力学册及热性质融化沉降背量与外压鞋力无关，股压密沉降断与正压力睛成正比。融沉系数哗描述冻土己的融化沉汇降，压缩孤系数来描浆述融土的铅压密沉降唤。通常融沉劣要大于冻店胀，有时蛮融沉会变挤为突陷。融沉的不邻均匀性及崖突陷往往新会导致结惜构的破坏爆。4冻土力翅学性质融化下沉衬的基本原定理沉降变形融化土冻结土融化融化过程固结过却程孔隙比应力融化下桥沉系数咏（%）行=下沉变皮形量融化的紧土层厚径度通常融局沉要大剂于冻胀炊，有时怖候融沉瓜会变为稿突陷。胃融沉的重不均匀怠性及突三陷往往精会导致愈结构的鄙破坏。象冻胀蜓一样，龄融沉也立是与温厦度、温缩慧度梯度释、上覆它荷载以片及土层彼的物理境、力学拐及热学疏性质相宗关的。冻结地层本温度上升潜，冻土发黄生融化，玩冰晶和冰糖膜融化成刃水只要条槐件适宜，培在重力和响上覆荷载惑的作用下缠将发生排绿水，土层荡重新固结生。土层发百生固结造雷成的沉降漂与冻结过杆程中形成映的土粒结搜构的稳定省性、冰融楼化成水释最放的自由荣孔隙空间自以及上覆萍荷载的重蹄量有关。4.6冻土的融沉在外荷载薯及融土的绑自重作用姑下，冻土亏融化产生牢沉降。根艇据渗透固爆结理论，爬认为从已宾融土层的第单位面积踢上渗出的房诚水的体积Q（不计冰堪转变为唉水时的晃高度的蜂少许降迫低）等瞧于土的喊沉降，汗即是：公式的左旦侧从已融弊土层的单吩位面积上氏渗出的水闷的体积。公式的怪右侧是季冻土沉浮降量。严右侧的隙第一项妻是融化淋沉降，燃第二项凭是压密铸沉降。4.6冻土的融刺沉4.7冻结壁时自然解狼冻4.7冻结壁自厅然解冻4.7冻结壁自厉然解冻4.7冻结壁松自然解动冻5土体冻结此基本理论5.1冻结壁的青形成冻结锋面——岩土冻问结过程穗中，孔耍隙水开秤始发生辉结冰相勾变的面地称为，陡是冻土近与未冻使土的分池界面。冻结前岭地层有叼均一的誉初始温在度。冻笋结初期执，低温肿盐水与冻结曲管周围讯的地层僵产生剧馒烈的热南交换，搞在每个绿冻结管捷周围很舱快形成止圆柱形谋的冻结释岩土柱由于相藏邻冻结隐管间的专影响，消轴面比安主面冻疑结更快毫，冻土的柱由圆赚柱形变插为椭圆毛形，再狭进一步视扩展，丘直至相废交圈，狡在井筒班周围形召成封闭伶的冻土麻墙—冻块结壁。交圈后，万原冻结管尘的冻结锋竖面连成向讯内扩展的钱内冻结锋蔬面和向外蔑扩展的外巷冻结锋面既，且内、退外冻结锋商面很快地劝趋于平滑独，当界面近上的冻结油壁厚度等踪蝶于冻结管算的间距时北，内、外品冻结锋面麦就基本上氧变成以开铅挖通道为徐中心的圆厨柱面。冻结管测温点冻结锋面汇的扩展冻结孔存说在偏斜—瓶—冻结锋俯面形状不穴是规则园薪柱面在交圈初闹期：冻结医锋面向内省发展速度截较交圈前繁慢，但随剪内侧未冻糖土范围热闪量减小，腾锋面向井盒心推进速斑度加快，污而冻结锋滑面向井外墨的扩展速涌度较慢，悄扩展至距气冻结管布冰置圈2~涌3rn处，扩这展速度厕十分缓料慢，来纷自未冻嗓土区热黄量与来熔自冻结愿管的冷趣量趋于赤平衡，蛇温度场痰趋于稳低定，冻斧结壁渐差成以井竹筒为中截心的园呢筒体。一般冻结商壁内侧厚立度占冻结缺壁总厚的搂.55~刃0.6倍5.2冻结温度怀场研究冻那结过程轰中土体法温度随沟时间变催化的规爹律。在冻结礼工程中误，常以罚主面、暴界面和茄轴面这词三个特坝征面上改的温度脊分布作棵为判断币冻土形办成过程靠、控制狐温度扬肥的依据旺。“主面贝”：过冻结达管布置中导心与冻结勇管中心的捞竖直平面“界面脱”：过井雹心和相保邻管中戴心连线蚊中点的革竖直平膝面“轴面源”：过两个艇相邻冻结搞管中心的足竖直平面5土体冻结覆基本理论三个特磨征面温爆度状况掀表征冻蛛结温度从场基本务特点，超是测温斯的主要中对象，焰尤其是涨界面与辆轴面交饰点上的朽温度值聚直接关懂系到冻剥结园柱吃是否交睛圈。冻结过程紫冻结扩展1主面备2讲轴面裁3界遮面4冻结闯管5脚冻结管布选置圈径中佩心5土体冻贼结基本寨理论冻结温度翠场求解求解温度惜场是进行爹热力计算裳的重要工凑作、是进混行冻结壁扫计算的重消要前提，岛目的:l求冻结备壁的平飞均温度宗，确定怖冻土强往度；l确定冻胞结锋面挎的位置错，计算队冻结壁戴的厚度垫；l计算热叶量，确床定冻结踪蝶站的制艺冷能力羽；确定冻结既壁的扩展弊速度，估葡算积极冻途结时间。5土体冻躬结基本违理论由于冻结晕壁在冻结尿管轴向方落向的尺寸开较径向方陶向大得多础，且在冻馒结过程中节土层在冻祥结管轴向跪方向的热校传导相对近弱得多，趋故水平冻却结温度场慌可简化为嗓平面轴对羽称间题冻结温度英场的求解家间题是一计个有相变皂、移动边恰界、内热哄源、边界请条件复杂逆的不稳定历导热问题敢。冻结温度会场5土体冻黑结基本忘理论冻结主酒面、界蒙面温度勤试验研土究：当着冻结壁踪蝶厚度与呆冻结管朝间距相北同时，让冻结壁形的两个尾冻结锋乱面就成湖了与开或挖通道锣同心的储圆柱面龙；冻结黄壁向内妄侧发展否得快，术约占总辞厚度的键55%渣~60助%，主、界倘面温度分布试害验结果5土体冻革结基本蔑理论为能估烈算冻结际壁体内脉的平均授温度、爷冻结壁坚交圈时妥间、确满定冻结卷壁的强法度，须谢研究轴饱面温度趴分布轴面温肯度分布试验研杂究结果5土体冻倚结基本讲理论在测温鸦点温度塌为负值破时，适产用冻结钻区埋论岸（对数房诚曲线）误，此时式中，t――测温点处多的冻土温梯度，℃ts――盐水温度裙，℃；rf――冻土半径零，m；r――冻土温李度为t处的冻土章半径，m；rρ――冻结管半泊径，m；冰冻区的淹温度分布画自冷源（讯冻结管）晌至冻土边聚缘０℃等蝇温线呈对沫数曲线变盏化。5土体冻结宰基本理论在测温钳点温度种为正值重时，运遭用降温懒区理论若（高斯颤误差函鬼数），柳此时责：式中，x――测温点与界冻土连缘坡的最小距弓离，m；t――测温点的赠土层温度醉，℃；t0――土层的拒原始温粱度，℃站；π――圆周率；τ――冻结时荒间，h；a――冻结土层答的导温系信数，m2／h；5土体冻储结基本仆理论5土体冻秘结基本章理论冻结壁平贡均温度计饮算：6冻胀融挨沉及其穴控制6.1冻胀、兄融沉控六制土之所黎以形成颜冻胀必法需具备协三个条搜件：（1）冻胀胡敏感性衔土；（2）边界倚温度低伍于孔隙遵水起始蔬冻结温黎度；（3）具有丧补给水非源或较除高的地事下水位爽。冻胀的机亏理条件（1）（2）分别督提供了存未冻水浮向冻区究迁移的厕可