人工冻土冻胀及其抑制研究述评

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1.3 温度场
温度因素包括冻结过程土体的温度以及冻结时内部的温度梯度， 冷却速率等. 负温是冻胀产 生的必要条件之一 温度梯度越大， 冻结锋面的推移速度越快， 会使土中的水分迅速冻结， 冰晶体 堵塞供水通道， 水分不能迁移汇集， 基本上是原位冻胀， 所以冻胀量小. 此时， 在土层中看不到冰 夹层， 只有散布于土孔隙中的冰晶体. 与慢速冻结相比， 冰层分布比较均匀， 分凝冰层数较多， 冻 结缘厚度薄. 崔托维奇称之为块状(整体状) 冷生结构.
压地层条件下冻结技术是有效可行的。但是， 土是三相混合物， 冻结时其中所含自由水， 毛细水将
相继成冰。原位冻胀尤其是分凝冻胀使得土体在宏观上表现出体积膨胀向外扩张， 冻胀” 即“ 现 象. 过量的冻胀会对地面建筑、 交通设施、 地下管线产生严重的破坏， 造成巨大的经济损失. 如何
采取有效措施来抑制冻胀， 使人工冻结施工技术进一步完善， 已成为 1个重要的具有工程意义和
行数值模拟， 获得的冻胀规律与试验结果规律基本相同。A.P.S.Selvadurai 等在分析土与管线界面 不连续冻胀时， 建立了 1个三维计算方法， 并考虑了热传导和水分迁移的藕合影响， 用一维冻胀试
验对该方法进行了验证. 该方法要求预先通过原位试验或模型试验获得大量土体的热物理参数。
有限差分法将实际物理过程在时间和空间上离散化， 分成有限 数量的有限差分量(如△ Ay, x,
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压力降低 40%. 实践证明， 压力释放孔、 注浆充填、 工作面释放水和强制解冻等措施; 也可有效地 解决冻胀和融降问题.
实际 对 上， 人工冻 工 结 程而言 其工 条 是给 ， 尸可 素即 温度， ， 程 件 定的 唯 控因 为 边界温 度影响
得了如下共识: 冻土是 i 种由土、 一 水、 冰和气组成的非均质、 各相异性的多相多元介质， 冻胀是土体 受温度场、 水分场、 应力场及位移场综合作用的结果. 人工冻土冻胀的产生和发展取决于土性、 水 分、 温度和外荷载等.
1 影响冻胀的因素 1.1 土的 物理性质
收稿日 2001- 7- 27 期: 0
导水系数的变化不再明显. 对初始孔隙率较小的土体， 导水系数增加幅度最大.
Peter Viklander 用自 行研制的刚性壁渗透仪， 对细粒冰破进行 18 次冻融循环对比试验后发 现， 松散的土体变得密实， 密实的土体变得松散， 最后达到 1 个比较稳定的“ 残余” 孔隙率， 介于
0.31 与 0.40 之间.
了冻结的整个过程， 从而影响了冻胀的发育， 生长. 土体的初始温度是一定的， 因而控制的关键是 冻结温度. 目 这方面的研究不多， 前， 具有工程意义的控制方法更少. 中国矿业大学在上海延东南 线江西路冻结工程中， 通过控制冻结温度， 在冻结区边缘开挖卸压槽， 有效削弱了冻胀对金陵东路 的破坏. 周国庆在分析了工程实际中冻胀可控因素， 数值模拟研究了在细粒土中间歇冻结和连续 冻结 2 种冻结方式所造成的温度场、 温度梯度、 冻结速度的差异， 指出间歇冻结所造成的冻土区域 温度高， 未冻水区域温度梯度低、 冻土区域冷率低高、 冻结速度小等结果一般均有利于抑制冻胀的 产生和发展. 对于一定的土性和工程条件， 采用相应的冻结温度和间歇冻结方式对其冰晶体产生 和冻胀进行控制是完全可能的. 但是， 间歇冻结导致冻结锋面长期滞留， 使水分有足够的迁移时
作者 简介:别小勇 (1976一 在读 生， 要从事人 ， 硕士 主 工冻土 胀机理及其控制等 面的 冻 研究.
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研究表明， 土的物理性质如密度、 颗粒级配及矿物成分等因素对其冻胀有明显的影响. 土体 的含水饱和程度不同， 密度对土体冻胀的影响也不同. 饱和度为 100% 的土体， 密度的增加必然导 致排水， 降低土中水的质量分数， 使冻胀量减少; 对三相体系的土体， 密度增加使孔隙体积减小， 较 少的冰侵人体即可充斥孔隙并相互接触或与土体颗粒接触， 较早较大地引起冻胀. 粉土中具有较显著的毛细现象， 毛细水上升速度快， 高度大， 水源补给通道通畅. 而且其颗粒 较细， 表面能大， 土颗粒矿物成分亲水性强， 能结合较多的结合水， 故细粒土特别是粉土、 粉质粘土 和粉质亚粘土冻胀性最为显著. 开放系统尤其如此. 粘土结合水膜较厚， 但毛细孔隙很小， 对水分 迁移的阻力很大， 水源补给通道不畅， 故冻胀性比细粒土小. 粗粒土的结合水少， 无毛细现象， 排 水条件好， 水分从冻结锋面挤出， 孔隙中自由水冻结后， 不发生水分迁移， 因而不会发生冻胀。只 要粗粒土的粉颗粒质量分数低于 5% 粒径小于0.005 mm) ， 土体一般不会冻胀. 所以， 土的冻胀性 由强到弱依次为: 粉土， 粘土， 粗砂， 砂砾、 砾石土.
应用价值的课题， 对于完善和发展人工地层冻结理论和技术体系， 丰富建筑施工理论也具有重要 的学术价值. 土体冻胀是冻土研究的重要课题。经过世界土工学者及工程技术人员的科学实验与理论研 究， 取得了大量成果， 研究逐渐深化， 朝着从宏观观察到微观探索水分迁移机理和成冰机制方向发
展， 诸多理论. 其中以Ever t 的毛细理论(Capillar Theor ， 第一冻胀理论) ， 提出 e ( y y 即 Miller 的 第二
冻胀理论为代表. 前者分别对冻胀和冻胀力进行定量的解释和估计， 但不能解释不连续透镜体是
如何形成的， 低估了细颗粒的冻胀压力; 第二冻胀理论引进冻结缘(Frozen Fringe)假设， 克服了毛
细 理论的 不足， 得到了Konrad et al, Gipin 等人的 完善和发展. 根据第二冻胀理论， 考虑多因素 祸 合作用， 人们建立了一些冻胀模型， 如刚性冰模型(Rigid Ice Model) ， 分凝势模型(Segr gation e Potential Model)等. 目 前意见尚不统一， 还没有形成 1个能够完整地解释冻胀现象的理论. 但取
1.2 含水童及盐分
冻结土体处于开放系统即有水源供给时， 冻胀量将增加. 当冻土区地下水位较高时， 冻胀现象 显著; 如果土体含水量低于起始冻胀含水量， 则土中水分多为结合水， 需较大的冻结能量才能克 服， 所以几乎不产生冻胀. 地下水流速对冻胀也有较大影响， 王朝晖等研究表明: 流速在 10 m / d 以上的动水， 使冻结形状发育不规整， 扩展速度从背水面向迎水面减小. 土中如果含盐量较高， 冻结温度将降低. 用单价阳离子抓化物盐化的土能完全消除水分向冻 结锋面迁移， 即使在有 自由水补给的情况下也如此， 从而抑制了冻胀。交换阳离子抑制冻胀的程
2 冻胀的物理模拟研究概况 国内外已有不少专家和学者进行过冻胀的物理模拟试验研究. 进人20 世纪70 年代末， 研究
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连云港化工高等专科学校学报
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向向人工冻结地层发展. 1987 年， 国际地层冻结协会起草了“ 人工冻结地层分类与试验室试验” 大 纲， 首次在国际上对冻土试验方法予以规范. 不同学者根据各 自的研究 目的， 研制了多种土体冻 胀融沉试验装置。其特点归纳为: (1) 多为室内小型试验， 但由于尺寸效应， 且并未严格遵循相似 模拟原理， 这些试验只能对研究对象做定性描述; (2) 冷量来源多为循环流动的低温冷冻液， 冷锋 面的扩展方向一般为自 上而下或 自 下而上， 土样在试验过程中从某 1个方向逐渐被冻实; (3) 试 验装置多为刚性圆形有机玻璃筒体， 用于模拟开敞或封闭系统下天然冻土的一维冻胀。试样尺寸 较小， 直径一般为 10 cm 左右， 长度为直径的 1-- 2 倍， 不能模拟多维冻结过程; (4) 先进的观测测 试手段， 如大型岩土离心试验机， 图像数字化(复形膜) ， 充电联配摄像机(CCD) ， 扫描电镜等 日 益 得到应用; (5) 研究的目的主要是冻土的物理力学性质， 或针对大型冻结施工中的参数优化等， 而 对冻胀控制方面研究甚少。 3 冻胀的数值模拟研究概况 人工土冻结过程是 1 个强非线性问题， 包含着复杂的热学、 力学现象， 如土体导热系数的非线 性、 水相变及相应的潜热释放、 冰一 水流对热传导的影响、 冻土体积增大、 水分向冷锋面迁移、 土体 性质随时间的改变等. 目前只有简单的几何形状和条件的移动边界问题有精确解. 就现有研究水 平而言， 对冻胀的数值模拟要考虑如此众多的因素是相当困难的， 由于对土的本构关系的认识尚 不够深人， 对土体参数的确定和选取还存在较大的或然性， 数值模拟的解仍然是近似的， 其精度还 有待于进一步提高。目前使用的数值方法主要有有限差分近似法和有限单元法。 有限单元法在近似分析中把过程看作准静态， 可较容易的处理非线性热传输， 对热一 应力祸合 分析可予以直接扩展， 适用于复杂的几何形状. Gioda 根据 自 适应有限元原理， 对人工冻砂进行模 拟。其结果与模拟试验相比， 就工程观点而言是可接受的. 王建平用 ANSYS 软件对室内模型进
第巧卷 第 1期 2002年3月
连云港化工高等专科学校学报
Jour al of 1 n .ianyungang College of Chemical Technology
பைடு நூலகம்
V o l.15
N o .l
M a r. 2 0 0 2
文章编号: 1008- 3472(2002)01- 046- 4 0 0
1.4 冻结边界条件
边界条件包括外荷载、 冻融循环次数等因素. 在一定外荷载下， 土颗粒固结压密， 空隙减少， 同时减小了正常冰透镜体下的抽吸力， 抑制了未冻水向冻结锋面的迁移和透镜体的生成生长， 减
少了分凝冻胀量， 从而减少冻胀. Othman 和Benson(1993) 发现在 70 kPa 的较高的应力下观测不
关键词 人工冻土 冻胀 物理模拟 数值模拟 中图分类号 TU445 文献标识码 A
人类应用人工冻结原理进行地下工程施工已有百余年的历史. 近40 年来， 人工冻结法技术工 艺、 应用范围、 施工规模都日 益扩拓， 成为岩土工程尤其是特殊地质和工程条件下地下工程施工的 重要方法之一 实践证明， 在复杂工程地质水文地质如软土、 含水不稳定层、 流砂、 高水压及高地
础 在 线以 减小冻 埋设 冻土 下， 胀力对 基础的 利作用. 不
徐学祖将现有冻胀防治方法概括为机械法， 热物理法， 物理化学法和综合法. 现有冻胀控制
方法大都不外于此. 如宋文华11 8等利用冻土层与环境具有的温度差作传热动力的传热组件进行了
试验， 该新型防冻胀技术可有效阻断冻土层中未冻水迁移的上升“ 通道”缓解了冻土层的冻胀变 ， 形， 这实际上属热物理法. 此外， 本东京环 7 线盾构出洞的冻结施工中， 日 采用压力释放孔使冻结
验， 同时进行现场实测工作， 以获取更多信息。
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冻胀控制的研究现状
引起土体冻胀的主要原因在于水分迁移. 迁移量越大， 冻胀量越大， 其危害也越大。因此， 重 点在抑制水分迁移. 其根本在于从内部减弱水分迁移的动力、 堵塞水分迁移的通道、 从外部通过 施加适当的外载， 温度等， 抑制冻胀. 也可根据实际情况， 如加强建筑物基础抗冻胀能力， 或将基
到透镜体. 载荷对土体冻胀的抑制作用， 用冻胀率与载荷的关系表达为:
， 7 A， = /,e一 P (1) 式中 :'lo为 条件下土 无载 冻胀率;A为与土 质有关的 参数;尸 压力. 随 融 为外 着冻 循环次 增 数的 加，
土体导水能力呈增大趋势， 1次循环后， 损伤裂缝增加， 导水系数可增大 1 个数量级; 3- -9 次以后，
Az, A动， 从而将实际上连续的物理过程离散化， 近似地置换成一连串的阶跃过程， 用函数在一些 特定的有限差商代替微商， 建立与原微分方程相应的差分方程， 将微分方程转化为 1 组线性方程， 可借助计算机求解。其原理简单， 前用于冻土计算的不多. 但目 目前尚缺乏大型实用数值仿真分析软件包， 对人工土冻结工程进行预测预报。建立完善的数 值模拟模型尚需开展进一步的工作， 对冻土物理力学参数应精确化， 系统化， 深人开展室内模型实
人工冻土冻胀及其抑制研究述评
别小勇 梁恒昌 胡敬礼 刘金龙
(中国矿业大学 江苏徐州 221008)
摘 要 人工冻结法施工技术是岩土工程尤其是特殊地质和工程条件下地下工程施工的重要方法 之一， 但冻胀现象制约了该方法的推广应用. 从人工冻土冻胀的影响因素、 物理模拟概况、 数值模拟
现状及冻胀抑制等方面总结归纳了国内外在冻胀及其抑制上的研究成果.