用间歇冻结法控制人工冻土冻胀的机理

第 28 卷 第 5 期中国矿业大学学报 Vol。 28No。 51999 年 9 月 Journal of China U niversity ofM ining & Technology Sep。 1999间歇冻结抑制人工冻土冻胀机理分析3周 国 庆(中国矿业大学建筑工程学院江苏徐州 221008)摘要阐述了用间歇冻结法控制人工冻土冻胀的机理, 通过对冻结细粒土的数值分析, 指出与连续冻结相比, 间歇冻结在冻结锋面推进速度、 冻结区温度、 平均冷率和未冻结区的温度梯度等方面有显著不同, 这些差异的存在有利于抑制冻胀的产生和发展。 结果表明, 在一定的冻结温度和间歇冻结方式条件下, 即使在冻结敏感土(如粉土) 中也可控制冻胀。关键词冻土, 间歇冻结,冻胀控制中图分类号TD 265。 33作者简介周国庆冻结锋面, 男, 1961 年生, 工学博士, 副教授自 1883 年 Poetsch 取得冻结法的专利以来,人工冻结技术有效地用于井筒施工中控制含水地层稳定和隔绝地下水已有 100 多年历史。 近 40 年来, 国外已将这一安全、 可靠的技术逐渐用于其它岩土工程[1, 2] ①②, 而我国在该领域属刚刚起步。

随着我国经济建设的发展, 城市地铁、 过江隧道、 软土深基坑工程等遇到了 前所未有的深度和复杂的工程地质、 水文地质和工程环境条件, 在这一状况下,人工地层冻结法将显示出其优越性。人工冻结地层法用于岩土工程的一个重要的技术问题是冻土中冰晶体的产生和冻胀。 所谓土体“冻胀”, 是指由于土中水相变成冰引起体积膨胀的现象。 土中孔隙水原位冻结引起的冻胀量很小 (孔隙水体积的 9% ) , 土体冻胀主要是指未冻结区域的 水分向 冻土区迁移所引 起的分凝冻胀 (增大109% )[3, 4]。 由于土体冻胀的工程表现为土体变形和土体冻胀力的增加, 往往破坏地下管线和地面建筑物, 恶化环境, 而且伴随冻胀一般均有可观的融化下沉。 冻胀对环境的不利影响使得该方法的工程应用受到限制。对冰晶形成和冻胀的研究已有较长历史并产生了 诸多理论假设, 如真空抽吸模型、 毛细水迁移模型以及薄膜水迁移理论等等[3～ 7 ], 但由于其复杂性, 至今未有普遍适用的理论。土中孔隙冰和土体冻胀的产生和发展取决于如下要素: 土性、 外荷载、 地下水源和温度[3, 4, 8 ]。 细粒土冻结, 往往产生较大的冻胀。 当工程条件一定时, 人工冻土唯一可控因素即为温度。

而边界温度控制了土体的冻结速度、 温度梯度、 水分迁移方向、速度和迁移量, 从而影响了 土中水的相变速度、 成冰位置和数量[3 ]。 一般, 地层的初始温度是一定的,因而冻胀控制的关键就是控制冻结温度。饱和土中冻结水或被驱逐或被吸入, 取决于土性、 应力水平和冻结速率[9 ]。在一定的土性和温度条件下, 加大外荷载可以阻止水分迁移, 抑制冻胀, 孔隙水将从冰2水界面挤出。 即使是细粒土, 同样可以施加适度外载, 以阻止冻胀。 Balduzzi(1959) 观测到开敞系统中冻结淤泥有孔隙水被挤出的现象[9 ]。工程实践表明, 采用人工间歇冻结方法可以明显减少冻胀、 减小冻胀力和地面变形[10, 11 ],但对其机理的分析研究未能深入冻结锋面, 应用不多且具盲目性。本文以两种冻结方式 (间歇冻结和连续冻结)的温度场、 温度梯度、 冻结速度等数值模拟结果为基础, 对间歇冻结法减少冻土冻胀的机理进行了分析和探讨。1间歇冻结控制冻胀分析粗粒土一般不产生冻胀[9, 12], 本文分析研究的对象是冻结敏感的细粒土。 数值模拟一维冻结, 取收稿日期19993 国家自然科学基金资助项目 (59578040)① Prof D r2Ing Jessberger+ Partner GmbH。

Vorbericht zur V ereisung unterhalb des Post2 und W aβhlam tgebaβudes im Zuge der U 2Bahnlinie U 6, Bauabschnitt U 63, V ivenotgasse, A z B168。 1986② Prof D r2 Ing Jessberger + Partner GmbH。Gutachtliche Stellungnahme zur V ereisungs2maΒnahme unterhalb des KaufhausesHermansky im Zuge des U 2Bahn2Baus, Bauabschnitt U 310W ien, A z。 B261。 19860122© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House。 All rights reserved。