冻结法施工的冻胀分析

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摘要：冻结法由于具有适应各种复杂的工程地质和水文地质条件，可弥补盾构施工的缺陷。但是由于人们不能准确把握冻结壁的温度场及人工冻结所引起的地表冻胀位移量，使得在冻结法施工中出现各种事故，如道路出现裂缝、沉陷、结构断裂、基础上拔等。本文中主要对冻结法施工的原理、优缺点以及冻胀的影响因素进行分析。

关键词：冻结法；冻胀

Abstract: because of the freezing method to adapt to all kinds of complicated engineering geology and hydrogeology conditions, which can make up the defects of shield tunnel. But because people can't grasp the frozen wall temperature field and artificial freezing caused by the ground frost heave displacement, make in the freezing method construction appear all sorts of accident, such as road cracks, subsidence and structure based on the fracture, pull out, etc. This paper mainly to the freezing method of the construction of the principles, advantages, disadvantages and frost heaving the influence factors of the analysis.

Keywords: freezing method; Frost heaving

中图分类号：TU472.9文献标识码： A 文章编号：

1. 冻结法原理

1.1. 冻土的形成及地下水对冻结的影响

土体是一个多相和多成分混合体系，由水、各种矿物质和化合物颗粒、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。当降到负时，土中的自由水结冰并将土体颗粒胶结在一起形成冻结整体。

冻土的形成是一个物理力学过程，随着温度的降低，冻土的强度逐渐增大。人工土冻结法施工原理：在人工制冷作用下，形成低温盐水，通过低温水在埋设在地层管道内的循环，在冻结孔内完成与地层的热交换，带走地层量，使地温逐渐下降并达结冰。随着制冷的继续，结冰区逐渐发展，形成设要求的冻土结构，且满足安全掘砌施工要求。

1.2. 温度场和冻结速度

土体冻结先是在每个冻结管的周围形成以冻结管为中心的降温区，分为土区、融土降温区、常温土层区。在靠近冻结管的周围，温度呈同心圆状分的特征，但越向远处，该特征越不明显，由于土体中水-冰间的相变作用，土中的温度分布曲线在相变温度点（-0.54℃）出现平台，据此可划分出冻结区未冻区。地层中温度曲线呈对数曲线分布。第二章人工土冻结法原理及其力学参数和特性冻结管间距是影响冻土圆柱交圈和冻结壁扩展速度的主要因素，冻土圆交圈时间是冻结由围绕单根冻结管的圆柱形向冻结体厚度方向转变的标志性间。土的冻结速度越快，冻土强度越高。它还与冻结管内的盐水温度、盐水量和流动状态、土层性质、冻结管直径、地层原始地温等有关，影响因素多，解析理论分析很复杂，一般按冻结过程中测温孔观测到的数据和经验公推算。

1.3. 冻胀和融沉效应

土的冷却使土体中产生一定的温度梯度，使土中的水流向土的冷却部分当温度低于孔隙水的冻结点时，土孔隙中的水冻结、膨胀，要增大9%，土体出现冻胀现象，尤其是在粘土和细砂等冻结敏感的土层中，由此诱发的负压使其他部分的水迁移，进入冻结区。冻结中被移动的水形成冰凌，造成与冻锋面垂直方向的体积膨胀。当土中的冰融化时，其体积缩小，在土体中产生降或固结，大小取决于融化体四周的压力，冻土融化时的沉降量还与融层度、融层土的特性有关。土中的冰融化还意味着土中含水量的增加，并可能导致过饱和土中孔隙压力的显著增加。

2. 冻结法的优缺点

2.1. 主要优点

(1).能够适应各种复杂的工程地质和水文地质条件，具有良好的隔水性。

(2).冻结管布置具有任意性。用作地层加固时，冻土形状不受加固场合的限制，可以布置成任意利于开挖的形状;用作坑壁支护时，不受支护范围和支护深度的限制。

(3).冻土支护无烟、无尘，环境污染小，适宜在城市中施工。且具有复原性，施工结束土层恢复原状，对土层破坏小，不会影响日后建筑物管线的埋设。

2.2. 存在的问题

人工地层冻结法在冻结过程中会由于土体本身和设计方案的问题对施工和周围工程建筑物会产生不利影响，这使得人工地层冻结法的工程应用受到限制。

(1)土体的冻胀融沉

采用冻结法施工时，冻融过程中土体性质的变化直接影响着地下及地上结构物。在地铁建设中应用冻结法施工时，由于地表较浅，土壤融沉会引起建筑物的开裂和地基的沉陷;同时，城区地层浅部设置了各种管线，冻结法施工有可能影响这些管线的安全。这些副作用极可能会给耗资亿元的建设工程酿成不可挽回的重大事故。

(2)工期相对较长，工程造价高

冻结法施工过程一般持续时间长，要实现冻结壁交圈通常需要十来天时间，而冻结壁达到设计厚度则还需要二十多天的持续冻结。达到冻结壁设计厚度后，在施工过程中，为保证冻结壁强度，要求持续冻结，直至工程内部支护结构完工。

3. 冻胀影响因素

3.1. 土的物理性质

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，较少的冰侵入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。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，不生水分迁移，因而不会发生冻胀。

3.2. 土体的含水量

土中的水分是引起冻胀的直接原因，但并非所有含水土体冻结时都产生冻胀，只有含水量超过该土体的起始冻胀含水量之后，才会产生冻胀。在封闭体系中，土体的冻性主要取决于土体的含水量;而在开敞体系中，土体的冻胀性不仅与起始冻胀含水量关，而且外界水源的补给可大大增加其冻胀性。

3.3. 土体温度

土体中的温度变化过程中常伴随着土体的冻胀。土体的冻结温度取决于土体的颗粒成、含水量、颗粒的矿物成分等因素。在同一土质条件下，土体的冻结温度是随着土含水量的增加而升高，随着含盐量的增加而降低。

参考文献：

[1]、张经双，吴金荣.人工冻结法在地铁隧道施工中的应用与发展[J].工程建设，2007，39(1):30-32.

[2]、徐学祖，王家澄，张立新.冻土物理学[M].北京:北京科学出版社，2001.

[3]、常斌.基于数值仿真试验的岩土工程智能化方法及应用研究.博士学位论文.西安理工大学.2005.

[4]、杨平、张婷.人工冻融土物理力学性能研究.冰川冻土，2002-10，24(5):665-667

[5]、涂川. 地铁冻结法施工地表融沉位移影响研究.西安理工大学硕士学位论文[D]. 西安理工大学硕士学位论文，2010.4

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