间歇冻结控制人工冻土冻胀的试验研究.pdf

第3 5 卷第6 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 5N o ．6 2 0 0 6 年1 1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y N o v ．2 0 0 6 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 6 0 6 0 7 0 8 0 5 间歇冻结控制人工冻土冻胀的试验研究 周金生1 ，周国庆1 ，马巍2 ，王建州1，周 扬1 ，纪绍斌1 1 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃兰州 7 3 0 0 0 0 摘要土体冻胀容易引起地表产生不均匀变形，因此控制冻胀的产生和发展始终是人工冻结技术 的重要课题．通过试验比较了人工冻土在连续冻结模式、控制时间的间歇冻结模式和控制深度的 间歇冻结模式下，土体冻胀的发展变化规律及冻胀控制与冻结模式之间的关系．结果表明与连 续冻结和控制时间的试验相比，在冻结锋面趋于稳定和温度梯度趋于恒定前，采用控制冻深的间 歇冻结模式能够有效地抑制人工冻土冻胀的发展，冻胀量仅为连续冻结模式的1 9 ．8 ％；不同的 变温起始时间对冻土冻胀控制的效果不同，在冻结过程刚刚进入拟稳定阶段时，迅速改变冷端温 度，将使土样内的温度场不能达到稳定状态，从而推迟起始冻胀的时间，抑制冻胀的产生． 关键词人工冻土；间歇冻结；控制冻深；冻胀控制 中图分类号T U4 4 5文献标识码A E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nC o n t r o l l i n gF r o s tH e a v eo f A r t i f i c i a lF r o z e nS o i l ‘● 一 ●● w i t hI n t e r m i s s i o nF r e e z i n greezlngI V l Z H O UJ i n s h e n 9 1 ，Z H O UG u o q i n 9 1 ，M AW e i 2 ， W A N GJ i a n - z h o u l ，Z H O UY a n 9 1 ，J 1S h a o b i n l 1 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r e ＆C i v i lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；2 ．C o l d A r i dR e g i o n sE n v i r o n m e n t a l ＆E n g i n e e r i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e ， C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s ，L a n z h o u ，G a n s u7 3 0 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t F r o s th e a v eo f t e nc a u s e sn o n u n i f o r md e f o r m a t i o no fs u r f a c eg r o u n d ，S O ，c o n t r o l l i n g t h ef o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to ff r o s th e a v ei sa l w a y st h ei m p o r t a n c ep r o b l e m ．T h ed e v e l o p m e n tl a w so ff r o s th e a v ea n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf r o s th e a v ec o n t r o l l i n ga n df r e e z i n g m o d e l sw e r ec o m p a r e du s i n ge x p e r i m e n t su n d e r c o n t i n u o u sf r e e z i n gm o d e l ，i n t e r m i s s i o nf r e e z i n gb yc o n t r o l l i n gf r e e z i n gt i m ea n dc o n t r o l l i n gf r o s t d e p t h ．T h er e s u l t ss h o wt h a tb e f o r et h e f r e e z i n gf r o n ta n dt h et e m p e r a t u r eg r a d st e n d i n gt os t a b i l i t y ，t h ed e v e l o p m e n to ff r o s th e a v e c a nb ee f f e c t i v e l yr e s t r a i n e db yi n t e r m i s s i o nf r e e z i n gm o d e lo fc o n t r o l l i n gf r o s t d e p t h ；a n dt h e f r o s th e a v ea m o u n to fi n t e r m i s s i o nf r e e z i n gm o d e lw a so f19 ．8 ％t h a to fc o n t i n u o u sf r e e z i n g m o d e l ．T h ed e v e l o p m e n ta n dc o n t r o l l i n go fa r t i f i c i a lf r o z e ns o l lf r o s th e a v ew e r ei n f l u e n c e do b v i o u s l yb yd i f f e r e n ti n c e p tt i m eo fc h a n g i n gt e m p e r a t u r e ．C h a n g i n gt h ec o l dt e m p e r a t u r er a p i d l yw i l lp r e v e n tt h es a m p l et e m p e r a t u r ef i e l di n t os t a b i l i z a t i o ns t a g ea tt h eb e g i n n i n go fq u a s i s t a b l es t a g eo ft h ef r e e z i n g ，w h i c hp o s t p o n et h ei n c e p tt i m eo ff r o s th e a v ea n dr e s t r a i nt h eO C 一 收稿日期2 0 0 6 一0 2 2 3 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 0 5 3 4 0 4 0 I 国家自然科学基金项目 4 0 4 7 1 0 2 1 } 高等学校博士学科点专项科研基金项目 2 0 0 4 0 2 9 0 5 0 2 作者简介周金生 1 9 6 7 一 ，男，河北省唐山市人，讲师，从事冻土力学与工程和矿山建设方面的研究． E - m a i l z h o u j s h c u r e t ．e d u ．c n T e l 0 5 1 6 - 8 3 9 9 5 0 7 8 万方数据 第6 期周金生等间歇冻结控制人工冻土冻胀的试验研究 7 0 9 c u r r i n go ff r o s th e a v e ． K e yw o r d s a r t i f i c i a lf r o z e ns o i l ；i n t e r m i s s i o nf r e e z i n g ；c o n t r o l l i n gf r o s t d e p t h f r o s th e a v ec o n t r o l l i n g 随着人类对地下空间和地下能源的开发与利 用，立井、隧道、城市地铁、超深基坑等工程中所遇 到的地层含水、软弱、破碎、强度低、稳定性差等问 题1 3 益突出．一般工法施工难度较大，工程事故时 有发生，国外1 2 0 多年、我国5 0 多年的工程实践证 明，采用人工地层冻结技术对松散、含水地层进行 加固具有良好的承载、密封性能，可减少其它临时 支护和降水措施，而且，施工中没有附加物质进入 地层，不污染环境，技术经济效果较好．2 1 世纪是 人类开发利用地下空间的世纪[ 1 ] ，而人工土冻结法 的上述特征将使它成为完成地下工程的主要技术 手段之一[ 2 | ． 但是，由于在冻结过程中孔隙水的原位冻胀和 未冻结区域的水分向冻土区迁移所引起的分凝冻 胀，大量冰透镜体和冰夹层的出现会引起地面变形 并伴随冻胀力的增加．工程实例表明，人工冻结工 程中冻土的冻胀量可达几十至几百毫米，在三河尖 矿的冻结凿井工程中冻胀量甚至达到10 0 0m m 以上．土体冻胀容易引起地表产生不均匀变形，特 别是在城市地铁和市政建设中，由于地表较浅，过 量的冻胀往往使上部结构或建筑物基础以及相邻 的市政设施遭到破坏，造成巨大的经济损失和社会 影响，甚至关系到工程的成败[ 3 ] ．因此，在冻结工程 中，必须有效控制地层的冻胀变形． 徐学祖将现有的抑制冻胀的方法概括为4 类 机械法、热物理法、物理化学法和综合法[ 4 ] ．宋文华 等研究表明利用冻土层与环境的温差作为传热动 力元件，可以有效地阻断冻土层中未冻水迁移的上 升“通道”，极大地缓解冻土层冻胀变形[ 5 ] ．日本东 京环7 线盾构出洞的冻结施工中，采用压力释放孔 使冻结压力降低4 0 ％，部分控制了冻胀[ 6 ] ．比利时 布鲁塞尔地铁站路易斯站建设时采用水平冻土板 承受上部商场的荷重，为维持冻土板厚度，防止冻 胀，采用逐F J 调整注入水量方法，使得冻胀量比常 规方法减少了7 0 ％．上述考虑尽管取得了一些进 展，但因是附加、被动地考虑控制技术，一般在冻结 体解冻后地层均有较大的融化下沉．周国庆首次提 出了间歇冻结模式控制冻胀的机理，指出间歇冻结 所形成的冻土区域温度高，未冻土区域温度梯度 低、冻结速率小等结果一般均有利于抑制冻胀的产 生和发展Ⅲ．文献[ 8 9 ] 对此进行了初步验证，并 分析了连续、分步、间歇分步等不同冻结模式对土 体冻胀的影响．采用间歇冻结温度模式控制人工冻 土冻胀已得到普遍认可，并且在工程中也有了初步 实践，但冻结模式的确定主要凭借的是工程经验和 观测‘1 0 ] ，缺乏系统的理论探讨． 1 理论基础 当工程条件一定时，土体的附加荷载、土性、水 的性质等均已确定，地层的初始温度也是一定的， 冻土体的唯一可控因素即为冻结温度，冻结温度的 变化控制了土体的冻结速率、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[ 4 ] ，因此，针对不同的土、水、压 条件，采用何种冻结温度模式可以最大限度地抑制 冰透镜体的生长进而控制冻胀的发展，成为研究人 工冻土冻胀控制的重要内容． 冻结模式为冻结温度T 与时间t 的函数．即 M M T ，￡ ， 1 式中M 为冻结模式函数；T 为温度，同时又是时 间的函数，即T 一．厂 ￡ ． 冻结模式实际是一种基于时间变量的变温制 冷方法，包括变温次数，变温幅度、变温持续时间 等．本文旨在通过试验研究，对不同间歇冻结模式 下人工冻土体内温度场变化规律及冻胀控制的效 果进行分析和探讨． 2 试验方案 2 ．1 试验系统 试验系统包括制冷系统、温控系统、补水系统、 数据采集系统，见图1 ．主要设备为三端制冷机． 图1 试验箱体 F i g ．1 S k e t c hd r a w i n go ft e s tb o x 2 ．2 试样参数’ 试验选用冻胀敏感性的粉质黏土，试验土样的 万方数据 7 1 0中国矿业大学学报 第3 5 卷 干密度为1 ．4 8 ～1 ．5 1g ／c m 3 ，设计初始含水量为 3 0 ％．试验土样均制成高1 3 ．0c m ，直径1 0 ．1c m 的圆柱体，试验土样的颗粒分析结果见表1 ． 表1土样颗粒分析 T a b l e1 T h er e s u l t so fg r a i ns i z ea n a l y s i s 粒径／r a m O ．10 ．1 ～O ．0 50 ．0 5 ～0 ．0 10 ．0 1 ～O ．0 0 5 O ．0 0 5 百分比／％0 ．4 0 3 5 ．6 51 8 ．8 51 2 ．6 53 2 ．4 5 2 ．3 试验条件 试验在开放补水情况下，对试验土样采用不同 的冷端温度边界条件进行自上向下的一维冻结，无 外载作用．每次冻结试验前，先对试样进行预冷，使 试样温度稳定在 6 ℃附近，以保证试样初始温度 条件的一致性．沿试样垂直方向间隔1c m 布置热 敏电阻以测定温度场及其变化，冻胀量的采集选用 精度为0 ．0 1m m 的位移计．为了比较不同间歇冻 结模式下冻结锋面的推进，试样内温度场的变化和 冻胀的发展规律，试验以连续冻结作为基本参照， 分别进行控制时间的间歇冻结试验和控制冻深的 间歇冻结试验，试验边界温度参数见表2 ． 裹2试验边界温度参数 T a b l e2 T e m p e r a t u r eb o u n d a r yc o n d i t i o no ft e s t 温度模式粼糕怒鬻控制参数 土样经过预冷后，暖端 底板 温度设为 6 ℃ 即土样的预冷温度 ，在连续冻结温度模式下，冷 8 9 善； 憝 1 端 顶板 温度设置为一1 2 ℃，直至试验结束；控制 时间间隔的间歇冻结温度模式下，开始阶段采用一 1 2 ℃连续冻结，在试样的冻深达到拟稳定阶段后， 冷端温度改为每隔2h 分别以一8 ℃和一1 6 ℃交 替冻结；控制冻深的间歇冻结温度模式下，开始阶 段仍然采用在一1 2 ℃连续冻结，在冻结锋面到达 预定冻深时，分别以一0 ．5 ℃和一1 2 ℃交替冻结， 使试样的冻结锋面始终在预定冻深土0 ．4c m 的范 围内波动． 3 试验结果及分析 3 ．1 冻结锋面的变化对冻胀的影响 图2a 是试验中不同冻结模式下冻结锋面随 时间的变化曲线．由于采用了不同的边界温度模 式，因此，试样在冻结过程中的冻结锋面推进及变 化情况也有较大的差异．不同冻结模式下冻胀量随 时间变化曲线如图2b 所示． 由图2 可知1 冻结过程可以划分为3 个阶 段快速推进阶段、拟稳定阶段和稳定阶段．在冻结 初期处于快速推进阶段，冻结锋面的推进速度比较 快，冷端的土样基本上处于原位冻结状态，此时，试 样中产生的冻胀非常小；当冻结时间达到3 6 0m i n 左右时，冻结锋面的推进速度明显减慢，开始进入 拟稳定阶段，当冻结时间达到9 6 0m i n 左右时，连 续冻结及控制时间间歇冻结试验的冻结锋面在冻 深8c m 左右的位置趋于稳定，试样开始出现明显 冻胀． 7 8 董； 拳 ； 07 2 01 4 4 0 2 1 6 02 8 8 03 6 0 00 t ／m i n a 冻结锋面随时间变化曲线 t ／m i n b 冻胀量随时间变化曲线 图2冻结锋面及冻胀量随时间变化曲线 F i g ．2C h a n g i n gc u r v e so ff r o z e nf r o n ta n df r o z e nh e a v ew i t h t i m e 2 连续冻结试验的冻结锋面趋于稳定后，试 样内的水热条件逐渐达到平衡状态，外界系统补充 的水分有足够的时间在冻结锋面附近结冰，而结冰 释放的潜热又进一步延缓了冻结锋面的推进速度， 此时试样中开始出现明显的分凝冻胀，由于试验是 开放系统试验，因此，冻胀量随冻结时间不断增大， 至36 0 0m i n 时，冻胀量已达7 。1 7 5m m ． 3 控制时间的间歇冻结试验中，开始阶段采 用的是与连续冻结模式相同的冻结温度，因此，在 冻结锋面进入拟稳定阶段之前，两者的冻胀曲线基 本一致．随后冷端温度的间歇式变化使冻结锋面基 本上在冻深8c m 附近保持波动状态，此时，土样内 的水热平衡由于边界温度的变化而被打破，使得水 分没有充足的时间进行迁移，因此，试验中由水分 迁移而导致的分凝冻胀与连续冻结模式相比冻胀 量减少了2 5 ．4 ％；另一方面，在间歇冻结模式下， 万方数据 第6 期周金生等间歇冻结控制人工冻土冻胀的试验研究 当冻土区的温度高于分凝冻结温度时，将由于温度 和压力的关系而无法形成冰晶体和引起冻胀[ 1 0 | ， 也是冻胀量减小的重要原因．实验中，间歇冻结模 式下冻胀曲线的发展因边界温度的调整而呈波浪 型上升趋势，当冻土区温度较高时，试验土样的冻 胀速率约为1 ．0v m ／m i n ，冻胀的发展比较平缓，而 当冻土区温度降低时，试验土样的冻胀速率提高为 2 ．2 ／比m ／m i n ，冻胀的发展相对较快；而连续冻结模 式下的冻胀曲线则在试验进行到9 6 0m i n 分凝冻 胀出现之后，呈连续上升的趋势．但在控制时间的 间歇冻结试验中，由于改变边界温度时，试样的冻 结锋面已进入稳定阶段，分凝冻胀已经开始出现， 间歇冻结虽然能够在一定程度上抑制冻胀的发展， 但与期望值尚有差距． 4 控制冻深的间歇冻结试验中，在热边界扰 动开始时，试验土样刚刚进人拟稳定阶段，仍以原 位冻结为主，冰晶体阻塞了供水通道，使水分无法 顺利向冻结锋面迁移，未出现明显冻胀，由于边界 温度的改变以冻结锋面的位置为依据，因此，整个 冻结试验过程中，土样始终无法进入稳定阶段，有 效抑制了分凝冻胀的产生和发展，冻结试验进行到 36 0 0m i n 时，试样的冻胀量仅有1 ．4 1 9m m ，与连 续冻结模式相比减少了8 0 ．2 ％．说明不同的间歇 起始时间及控制方式对试验结果影响很大． 3 ．2 温度梯度对冻胀的影响 图3 为不同冻结模式下温度梯度随时间变化 曲线．从图3 可以看出1 在连续冻结模式下，初 t ／m i n a 连续冻结 ，8 ’；6 基。 饕 赠。 ．2 始阶段冻区的温度梯度随时间急剧减小，未冻区的 温度梯度随时间缓慢增大．期间，土样内温度梯度 较大时，原位冻结占主导，冻深迅速发展而冻胀基 本没有产生．土样内温度梯度变化趋于稳定的时间 对应发生显著冻胀时间 9 6 0m i n ，说明温度梯度 的稳定意味着冻结锋面的推进速度减慢，使外界系 统补充的水分有足够的时间在冻结锋面附近冻结 成冰，导致冻胀量的持续增加． 2 间歇冻结模式中，冻胀同样是在温度梯度 趋于稳定的情况下出现的，随后，当边界温度调整 后，土样内的温度梯度发生改变，与连续冻结相比， 冻胀速率和冻胀量均得到有效控制，但温度梯度的 变化对冻胀控制的影响具有一定的滞后性，导致冻 胀量继续呈上升趋势．如控制时间的间歇冻结模式 中，冻结锋面从开始的8 ．0 4 { 2 m 缓慢向前推进到 8 ．3 3c m ，期间，冻胀量增加了3 ．9 2 1m m ． 3 控制冻深的间歇冻结模式中，热边界的调 整周期大大快于控制时间的间歇冻结模式，试验中 平均每1 4 8m i n 完成1 个循环，温度梯度的变化周 期相应缩短，滞后效应的影响大幅度降低，冻结锋 面虽然被控制在一个固定的范围内，但在热边界的 扰动下，试样的冻结锋面始终处于波动变化之中， 同期内冻胀量仅增加了1 ．1 9m m ，而连续冻结模 式下，由于没有热边界的扰动，试样内温度梯度趋 于稳定，冻结锋面也基本保持平衡，同一时期的冻 胀量增加了5 ．5 1 1m m ．因此，加大边界温度的调 整频率，将会显著提高冻胀控制效果． o7 2 0 1 4 4 02 1 6 02 8 8 0 3 6 0 0 t ／r a i n b 控制时间冻结 图3 温度梯度随时间变化曲线 F i g ．3C h a n g i n gc u r v e so ft e m p e r a t u r eg r a dw i t ht i m e 4 结论 1 控制冻深间歇冻结模式在冻深尚未进入稳 定状态、温度场尚未达到平衡时就开始了对试样的 热边界扰动，使冻结锋面附近的拟稳定状态不断被 打破，分凝冻胀难以形成，冻胀量仅为连续冻结模 式的1 9 ．8 ％． 2 控制时间间歇冻结模式下，热边界的调整 t ／r a i n c 控制时间冻结 不能保证冻结锋面始终处于非稳定状态，冻结锋面 仍有停滞的状况，因此冻胀量虽然得到一定的控制 但仍大于控制冻深模式下的冻胀量． 3 在冻结过程进入拟稳定阶段时，迅速改变 冷端温度，可以使土样内的温度场偏离稳定状态， 推迟起始冻胀的时间，抑制冻胀的产生． 4 土样内的温度场变化对冻胀的影响具有滞 后性，因此，达到拟稳定阶段后，适当加大边界温度 ㈣一 Lr●I艮陆rLl■‘LlL 0墼 B B 怫 口 ● 丑 一．渊u．硼槲艄榭恻糕 ＆ 日 焯 叠 0 蓝 一。日W附煳黼黼粼嘲 万方数据 7 1 2中国矿业大学学报第3 5 卷 变化的频率将有助于减小试样内温度梯度的变化 周期，提高冻胀控制效果． 致谢本次试验工作全部在中科院冻土工程国家重 点实验室完成，感谢实验室各位专家的指导，尤其 是顾同欣、林经芳、杨曙光等老师给予的试验方面⋯ 的帮助和指导． 。。 参考文献 崔广心．深土冻土力学；冻土力学发展的新领域[ J ] ． 冰川冻土，1 9 9 8 ，2 0 2 9 7 - 1 0 0 ． C U IG u a n g x i n ．M e c h a n i c so ff r o z e ns o i lf o rd e e pa l l u v i u m an e wf i e l do ff r o z e ns o i lm e c h a n i c s [ J ] ．J o u r n a lo fG l a c i o l o g ya n dG e o c r y o l o g y ，1 9 9 8 ，2 0 2 9 7 1 0 0 ． 陈瑞杰，程国栋，李述训，等．人工地层冻结应用研究 进展和展望[ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 0 ，2 2 1 4 0 4 4 ． C H E NR u i - j i e 。C H E N GG u o - d o n g ，L IS h u x u n ，e t a 1 ．D e v e l o p m e n ta n dp r o s p e c to fr e s e a r c hona p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a lg r o u n df r e e z i n g [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a l o fG e o t e e h n i c a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，2 2 1 4 0 4 4 ． 崔托维奇．冻土力学[ M ] ．张长庆，朱元林，译．北京 科学出版社，1 9 8 5 ． 徐学祖，王家澄，张立新．冻土物理学[ M ] ．北京科 学出版社，2 0 0 1 ． 宋文华，李岩峰，宋郁．应用地温解决基础冻胀的 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 试验研究[ J ] ．节能技术，1 9 9 7 5 4 - 7 ． S O N GW e n - h u a ，L IY a n - f e n g ，S O N GY u ．T e s tr e - s e a r c ho fr e s t r a i n i n gf o u n d a t i o nf r o z e nh e a v ea p p l y i n g g r o u n dt e m p e r a t u r e [ J ] ．E c o n o m i z a t i o nE n e r g yT e c h n o l o g y ，1 9 9 7 5 4 - 7 ． 陈明雄，郭荣根，刘霆，等．冻结技术在地铁及隧道 技术中的应用[ J ] ．解放军理工大学学报，2 0 0 3 ，4 6 6 9 7 2 ． C H E NM i n g - x i o n g ，G U 0R o n g - g e n ，L I UT i n g ，e t a 1 ．A r t i f i c i a lg r o u n df r e e z i n ga p p l y i n gt om e t r oa n d t u n n e l [ J ] ．J o u r n a lo fP L AU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，4 6 6 9 7 2 ． 周国庆．间歇冻结抑制人工冻土冻胀机理分析[ J ] ． 中国矿业大学学报，1 9 9 9 ，2 8 5 4 1 3 4 1 6 ． Z H O UG u o q i n g ．A n a l y s i so fm e c h a n i s mo fr e s tr a i n i n gs o i lf r e e z i n gs w e l l i n gb yu s i n gi n t e r m i s s i o n m e t h o d [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 L T e c h n o l o g y ，1 9 9 9 ，2 8 5 4 1 3 4 1 6 ． 别小勇．人工冻土冻胀控制研究[ D ] ．徐州中国矿 业大学建筑工程学院，2 0 0 2 ． 商翔宇．冻土冻胀与冻结模式关系的试验与数值模 拟研究[ D ] ．徐州中国矿业大学建筑工程学院， 2 0 0 4 ． 童长江，管枫年．土的冻胀与建筑物冻害防治[ M ] ． 北京水利水电出版社，1 9 8 5 ． 责任编辑王继红 l 1 纠一 胡 妇 阳 一一 [ [ [ [ 万方数据