人工地层冻结法-陈厚文
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定义：冻土融化时，由于冰变成水体积减小产生土的融化沉降，若同时在 融化区域发生排水固结，则将引起土层的压密沉降 影响因素： 温度、温度梯度、荷载以及土层的物理、力学及热性质 融化沉降量与外压力无关，压密沉降与正压力成正比。
融沉系数描述冻土的融化沉降，压缩系数来描述融土的压密沉降。 通常融沉要大于冻胀，有时融沉会变为突陷。 融沉的不均匀性及突陷往往会导致结构的破坏。
n-随土性变化的参数，砂性土n取0.5 ，黏性土n取1； a,b-与冻土的孔隙率、含水量有关的系数。
承载时间对冻土强度的影响
冻土具有多相介质的特殊性质，使其具有显著的
蠕变特性。从而也就使其强度随荷载作用时间而下降。最 早获得这种规律的是C.C.BRJIOB等学者，表达式为：
式中：St为与时间有关的冻土强度（单轴、三轴），Mpa; β为实验参数，Mpa ，ω为实验参数，h; t为时间，h
冻胀过程线 (hpdg-3) 4 3 2 1 0 0 20 40 时间/h 60 80
位移/mm
时间/h 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 20 30 40 50 60 70
冻深/cm
冻深过程线 (hpdg-3)
冻胀的基本原理
冻胀
冻结过程
冻土
融土
水分迁移
冰分凝
水分补给
土体冻胀示意图
冻土的融沉
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; (6)冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法。
冻结法工程应用
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
冻土的应力-应变关系
由于冻土内存在固相水(冰)和少量液相水(未冻水)，所以使 其具有显著的蠕变性，即冻土在荷载作用下应力和应变将随 时间而变化的特性。当外力恒定时，冻土的变形随着时间的 延长而增大，且没有明显的破坏特征。
Байду номын сангаас
国内外许多学者对冻土的本构关系做了大量的试验研究。在
实验的基础上，获得较公认的本构关系为：
3 冻胀融沉及其控制
冻土的冻胀
冻 胀：在低温(负温)条件下，由于土中的原位水以及未冻
区的水分迁移到冻结区的水结冰造成体积膨胀，引起土体膨
胀的现象。
原位冻胀：土中孔隙水原位冻结引起的冻胀(孔隙体积9%)
分凝冻胀：未冻区域水分向冻土区迁移、冻结所引起的冻胀 冻胀危害：破坏地下管线、建筑物基础，恶化环境，而且伴 随冻土的冻胀一般均有相当可观的融化下沉。 冻胀理论：真空抽吸、毛细水迁移以及薄膜水迁移等。
7
8
连续控温冻 结
明珠二期上体场穿越段 冻结工程
谢 谢！
制冷温度(℃) 地下水流速(m/s) 制冷效率 冻土速度 土 层
冷量估算
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
陈厚文 岩土工程方向
主 要 内 容
1 冻结法概述 2 冻土力学性质 3 冻胀融沉及其控制
1 概述
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，把天然岩土变成 冻土，增加其强度和稳定性，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
含水量、容重和土壤类型对冻土强度的影响
一般地说，含水量越高，冻土的强度亦高。但当含水量超过 冻结砂的饱和含水量后,强度开始下降。
冻土的干容重越大，其强度亦高。反之亦然。
冻土的强度（抗压、抗剪）与土的类型有关。一般而言，冻结细 砂的强度高于冻结粗砂的强度高于冻结粉砂的强度高于冻结亚 （砂质）粘土的强度高于冻结粘土的强度高于冻结淤泥粘土的强 度。但冻土的抗拉强度不遵循这一规律。
1
日本京都地铁隧道间排 水泵房硐室施工
3
吸收变形减压 孔（冻胀变形 对策沟）
上下行隧道冻土帷幕内设 置卸压孔冻结过程放水卸 压
（ 1 ）东京湾隧道川绮 人工岛盾构出洞冻结工 程，吸收冻胀变形60～ 90％ （ 2 ）东京环七线盾构 出洞冻结工程
冻胀、融沉综合控制措施
4 热水孔控制 冻土边界 控制冻结预案
冻结地层
冻结管
节流阀
蒸发器
压缩 机
盐水泵
盐水
制冷剂
制冷剂一般用氨或氟利昂 ，冷媒剂通常用氯化钙溶 液（盐水）
冻结施工步骤
一般地，用氨（氟利昂）——盐水循环制冷系统进行 土体冻结工程施工主要有三大部分组成，即 ——冻结站安装 ——冻结孔施工
——土体冻结
两种冻结系统比较
项 目 盐水冻结系统 -10 ～-35 5．7﹡10-5 30% ～ 50% 2cm/d 任何含水地层 Q=1.3.π.d.H.K 液氮冻结系统 -60 ～-150 不限 50% 20cm/d 任何含水地层 460kg/ m3
2 冻土力学性质
冻土工程设计和施工中最重要的冻土力学性质
抗压强度 抗拉强度 剪切强度 蠕变性质和长时强度 冻胀与融沉
影响冻土强度的主要因素
（1）温度对冻土强度的影响；
（2）承载时间对冻土强度的影响；
（3）含水量、容重和土壤类型对冻土强度的影响。
温度对冻土强度的影响
试验表明，冻土强度随着冻结温度的降低而增大。同等 条件下冻土强度是温度的函数：
水，并在冻结壁的保护下，进行地下工程的施工。
液氮冻结原理图
氨（氟利昂）－盐水冻结系统
制冷技术（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环）
制冷循环一般包括四个过程：压缩—冷凝—降压—蒸发
冷凝器 冷却水 冷却水循环
冷媒剂循环
制冷循环
冷媒剂循环：在冻 结管内循环，将地 层热量带出
冷却水循环：将制 冷系统的热量释放 于大气中
式中 σ－应力，MPa； ε－应变，无量纲； Ai－随时间变化的变形模量，MPa； m－强化系数，无量纲。—般m＜1。
冻土抗剪强度
试验研究表明，当围压较小时（ 9.8MPa ），可用 MohrCoulomb强度理论确定冻土的剪切强度（Vyalov，1962）
C n tg
剪切强度=粘聚强度+摩擦阻抗。
融化下沉的基本原理
沉降变形 融化土 融化
孔 隙 比
融 化 过 程 固结过程
冻结土
应力
融化下沉系数（%）=
下沉变形量
融化的土层厚度
冻胀、融沉综合控制措施
序 号 减小冻胀、融 沉措施 冻土帷幕体积 减小至需要的 最低限 合理冻结顺序 2 说明 冻结帷幕设计在保证一定 安全系数下取最小冻土厚 度 必要时可以让冻结壁留有 缺口 应用工程及效果 东京地铁10号线和11号 线冻结工程
（ 1 ）东京地铁 10 号线和 11 号 线冻结 （ 2 ）我国九江湖口大桥东塔 桥墩桩基水下施工
5
6
钻机取芯减 小冻胀力
从土层内抽 取多余水分 间歇冻结
打钻时钻孔注浆
东京外围排水道盾构出洞 ， 冻胀力减小20～30％ 东京地铁新宿线和半藏线 冻结、上海M8线曲阳路站
（ 1 ）维也纳两隧道在邮电大 楼下穿越冻结施工，冻胀量从 10～13mm降至3～8.5mm （ 2 ）瑞士苏黎士米赫布克隧 道冻结 改变连续冻结模式为连续控 温冻结模式；冷端盐水温度 变化过程决定了土体内温度 场，水分场的变化，从而控 制土体冻结冻胀的整个过程
融沉系数描述冻土的融化沉降，压缩系数来描述融土的压密沉降。 通常融沉要大于冻胀，有时融沉会变为突陷。 融沉的不均匀性及突陷往往会导致结构的破坏。
n-随土性变化的参数，砂性土n取0.5 ，黏性土n取1； a,b-与冻土的孔隙率、含水量有关的系数。
承载时间对冻土强度的影响
冻土具有多相介质的特殊性质，使其具有显著的
蠕变特性。从而也就使其强度随荷载作用时间而下降。最 早获得这种规律的是C.C.BRJIOB等学者，表达式为：
式中：St为与时间有关的冻土强度（单轴、三轴），Mpa; β为实验参数，Mpa ，ω为实验参数，h; t为时间，h
冻胀过程线 (hpdg-3) 4 3 2 1 0 0 20 40 时间/h 60 80
位移/mm
时间/h 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 20 30 40 50 60 70
冻深/cm
冻深过程线 (hpdg-3)
冻胀的基本原理
冻胀
冻结过程
冻土
融土
水分迁移
冰分凝
水分补给
土体冻胀示意图
冻土的融沉
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; (6)冻结法不污染环境，是“绿色”施工方法。
冻结法工程应用
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
冻土的应力-应变关系
由于冻土内存在固相水(冰)和少量液相水(未冻水)，所以使 其具有显著的蠕变性，即冻土在荷载作用下应力和应变将随 时间而变化的特性。当外力恒定时，冻土的变形随着时间的 延长而增大，且没有明显的破坏特征。
Байду номын сангаас
国内外许多学者对冻土的本构关系做了大量的试验研究。在
实验的基础上，获得较公认的本构关系为：
3 冻胀融沉及其控制
冻土的冻胀
冻 胀：在低温(负温)条件下，由于土中的原位水以及未冻
区的水分迁移到冻结区的水结冰造成体积膨胀，引起土体膨
胀的现象。
原位冻胀：土中孔隙水原位冻结引起的冻胀(孔隙体积9%)
分凝冻胀：未冻区域水分向冻土区迁移、冻结所引起的冻胀 冻胀危害：破坏地下管线、建筑物基础，恶化环境，而且伴 随冻土的冻胀一般均有相当可观的融化下沉。 冻胀理论：真空抽吸、毛细水迁移以及薄膜水迁移等。
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8
连续控温冻 结
明珠二期上体场穿越段 冻结工程
谢 谢！
制冷温度(℃) 地下水流速(m/s) 制冷效率 冻土速度 土 层
冷量估算
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
陈厚文 岩土工程方向
主 要 内 容
1 冻结法概述 2 冻土力学性质 3 冻胀融沉及其控制
1 概述
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，把天然岩土变成 冻土，增加其强度和稳定性，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
含水量、容重和土壤类型对冻土强度的影响
一般地说，含水量越高，冻土的强度亦高。但当含水量超过 冻结砂的饱和含水量后,强度开始下降。
冻土的干容重越大，其强度亦高。反之亦然。
冻土的强度（抗压、抗剪）与土的类型有关。一般而言，冻结细 砂的强度高于冻结粗砂的强度高于冻结粉砂的强度高于冻结亚 （砂质）粘土的强度高于冻结粘土的强度高于冻结淤泥粘土的强 度。但冻土的抗拉强度不遵循这一规律。
1
日本京都地铁隧道间排 水泵房硐室施工
3
吸收变形减压 孔（冻胀变形 对策沟）
上下行隧道冻土帷幕内设 置卸压孔冻结过程放水卸 压
（ 1 ）东京湾隧道川绮 人工岛盾构出洞冻结工 程，吸收冻胀变形60～ 90％ （ 2 ）东京环七线盾构 出洞冻结工程
冻胀、融沉综合控制措施
4 热水孔控制 冻土边界 控制冻结预案
冻结地层
冻结管
节流阀
蒸发器
压缩 机
盐水泵
盐水
制冷剂
制冷剂一般用氨或氟利昂 ，冷媒剂通常用氯化钙溶 液（盐水）
冻结施工步骤
一般地，用氨（氟利昂）——盐水循环制冷系统进行 土体冻结工程施工主要有三大部分组成，即 ——冻结站安装 ——冻结孔施工
——土体冻结
两种冻结系统比较
项 目 盐水冻结系统 -10 ～-35 5．7﹡10-5 30% ～ 50% 2cm/d 任何含水地层 Q=1.3.π.d.H.K 液氮冻结系统 -60 ～-150 不限 50% 20cm/d 任何含水地层 460kg/ m3
2 冻土力学性质
冻土工程设计和施工中最重要的冻土力学性质
抗压强度 抗拉强度 剪切强度 蠕变性质和长时强度 冻胀与融沉
影响冻土强度的主要因素
（1）温度对冻土强度的影响；
（2）承载时间对冻土强度的影响；
（3）含水量、容重和土壤类型对冻土强度的影响。
温度对冻土强度的影响
试验表明，冻土强度随着冻结温度的降低而增大。同等 条件下冻土强度是温度的函数：
水，并在冻结壁的保护下，进行地下工程的施工。
液氮冻结原理图
氨（氟利昂）－盐水冻结系统
制冷技术（制冷系统、冷媒剂循环、冷却水循环）
制冷循环一般包括四个过程：压缩—冷凝—降压—蒸发
冷凝器 冷却水 冷却水循环
冷媒剂循环
制冷循环
冷媒剂循环：在冻 结管内循环，将地 层热量带出
冷却水循环：将制 冷系统的热量释放 于大气中
式中 σ－应力，MPa； ε－应变，无量纲； Ai－随时间变化的变形模量，MPa； m－强化系数，无量纲。—般m＜1。
冻土抗剪强度
试验研究表明，当围压较小时（ 9.8MPa ），可用 MohrCoulomb强度理论确定冻土的剪切强度（Vyalov，1962）
C n tg
剪切强度=粘聚强度+摩擦阻抗。
融化下沉的基本原理
沉降变形 融化土 融化
孔 隙 比
融 化 过 程 固结过程
冻结土
应力
融化下沉系数（%）=
下沉变形量
融化的土层厚度
冻胀、融沉综合控制措施
序 号 减小冻胀、融 沉措施 冻土帷幕体积 减小至需要的 最低限 合理冻结顺序 2 说明 冻结帷幕设计在保证一定 安全系数下取最小冻土厚 度 必要时可以让冻结壁留有 缺口 应用工程及效果 东京地铁10号线和11号 线冻结工程
（ 1 ）东京地铁 10 号线和 11 号 线冻结 （ 2 ）我国九江湖口大桥东塔 桥墩桩基水下施工
5
6
钻机取芯减 小冻胀力
从土层内抽 取多余水分 间歇冻结
打钻时钻孔注浆
东京外围排水道盾构出洞 ， 冻胀力减小20～30％ 东京地铁新宿线和半藏线 冻结、上海M8线曲阳路站
（ 1 ）维也纳两隧道在邮电大 楼下穿越冻结施工，冻胀量从 10～13mm降至3～8.5mm （ 2 ）瑞士苏黎士米赫布克隧 道冻结 改变连续冻结模式为连续控 温冻结模式；冷端盐水温度 变化过程决定了土体内温度 场，水分场的变化，从而控 制土体冻结冻胀的整个过程