间歇冻结抑制人工冻土冻胀机理分析.pdf

中国矿业大学学报990 50 1 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第28卷 第5期 Vol.28 No.5 1999 间歇冻结抑制人工冻土冻胀机理分析* 周 国 庆 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 T D 2 6 5. 33 Analysis of Mechanism of Restraining Soil Freezing Swelling by Using Intermission Zhou Guoqing College of Civil Architecture and Engineering, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract The mechanism of restraining soil freezing swelling by using intermission is analyzed. Based on a numerical analysis for freezing fine grain soil, it is pointed out that by comparing with continuum , the intermission shows remarkable differences in advance velocity of freezing front, temperature in frozen area, mean cold rate, temperature grad in unfrozen area, and so on. These differences makes the restraining of freezing swelling occur. At a certain freezing temperature and by intermission , the freezing swelling can be restrained even if for freezing-sensitive soils, such as powder soil. Finally, some general design principles for intermission freezing are proposed. Key words freezing soil, intermission freezing, freezing swelling restraining 自18 8 3年 Po e t s c h 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10 0 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 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 1. h t m （第 1／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 5 中国矿业大学学报990 50 1 区迁移所引起的分凝冻胀 增大10 9 ［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-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. Ba l d u z z i 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, 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, 取单位面积土体长2 . 5 m , 模拟时间为96 0 h 40 d , 间歇冻结采用2 4 h 冻结、2 4 h 停冻的方式, 即96 0 h 中土体共经历了2 0 个冻停循环. 连续冻结的冻结温度恒定为2 55K , 暖 端温度恒定为2 90 K . 不同时刻 分别为t 192 , 38 4, 57 6 , 7 6 8 和96 0 h 的冻结温度场模拟计算结果如图1和2 所 示, 横坐标是距冷源的距离, 纵坐标表示温度. 图1 连续冻结温度场 Fi g . 1 T e m p e r a t u r e f i e l d s f o r c o n t i n u e f r e e z i n g f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 1. h t m （第 2 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 5 中国矿业大学学报990 50 1 图2 间歇冻结温度场 Fi g . 2 T e m p e r a t u r e f i e l d s f o r i n t e r m i s s i o n f r e e z i n g 由于采用了冻结-停冻的方式, 在间歇冻结的冻土区（假设冻结锋面位于2 7 3. 15 K ） 的温度分布有交叉现象；在终了时刻, 冻结锋面距冷端的距离约为0 . 6 5 m , 而连续冻结的 距离为1. 2 5 m . 可见，间歇冻结冻结锋面推进速度相对较小；冻土区的温度相对较高； 未冻土中的温度梯度相对较小. 两种冻结方式冻土区内同一位置温度变化示于图3, 其中横坐标表示历时. 如图3所 示, 在冻土区, 间歇冻结的温度明显高于连续冻结, 差值近8 ℃, 而且间歇冻结的冻土区域温 度变化范围 约6 . 5 ℃ 也大于连续冻结时的约5 ℃. 图3 冻土温度历时比较 Fi g . 3 Co m p a r i s o n o f t r e n d s o f t e m p e r a t u r e o f s o i l v s t i m e Cl a u s i u s -Cl a p e y r o n 公式阐述了冻土区冰压力和温度的关系［6 ］ 1. 0 9p i -p w -βθ , 1 式中p i 为冰压力, k Pa ；p w 为水压力, k Pa ；θ为温度, ℃；β为热力常数, β 1 2 2 0 K Pa / f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 1. h t m （第 3／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 5 中国矿业大学学报990 50 1 ℃. 间歇冻结冻土区的温度θS高于连续冻结冻土区的温度θC, 即 θS θC . 2 由于冻土区温度为负值, 故而有-βθS -βθC, 也就是间歇冻结的1. 0 9p i -p w 小, 从而有p i 小 或p w 大. 对于p w , 若p w 为正, 则其变大；若p w 为负, 则其绝对值必然变小. 与连续冻结相比, 由 于孔隙水压力的变化, 将不利于水分向冰晶的迁移, 冻胀将不容易产生. K o n r a d 和Se t o （1994）在试验中就曾观察到正孔压的减小造成冻胀增加的现象［13］. 另一方面, 由于间歇冻结冻土区的温度相对较高, 有可能高于与该土类和工程条件相 应的分凝冻结温度. 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［4］. 从整个历时的温度变化看, 间歇冻结温差约6 . 5 ℃, 而连续冻结温差约为5 ℃. 由于历 时相同, 间歇冻结在该处造成的平均冷率要高于连续冻结. 一般地, 冷率的提高更有利于 水从冻结锋面排出［4，5］. 模拟终了时刻土体中的温度梯度示于图4, 横坐标是距冷源的距离, 纵坐标表示温度 梯度. 图4 温度梯度随距离的变化 Fi g . 4 T r e n d o f t e m p e r a t u r e g r a d v s d i s t a n c e 从图4可见, 在冻土区, 间歇冻结的温度梯度略高于连续冻结, 而在整个未冻结区域的 温度梯度均小于连续冻结时的温度梯度, 其比值最小不到0 . 4（参见图5, 其中纵坐标表示 间歇冻结时的冻结温度梯度T 1与连续冻结时的温度梯度 T 2的比值）. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 1. h t m （第 4／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 5 中国矿业大学学报990 50 1 图5 温度梯度比值随距离的变化 Fi g . 5 T r e n d o f g r a d r a t i o v s d i s t a n c e 尽管目前对未冻结区域的温度梯度与水分迁移之间的关系研究尚不充分, 一些研究 表明在温度梯度较小时（如小于10 ℃/ m ）, 水分迁移并不显著, 但未冻结区域的温度梯度 越小, 越不利于水分的迁移是肯定的. 间歇冻结大大减小了未冻结区域土体中的温度梯 度, 即使冻土的温度梯度稍高, 但终因未冻结区的水分迁移不充分而可能抑制冻胀的产生 和发展. 由于采用了“冻停冻停”的间歇冻结方式, 与连续冻结相比, 其冻结锋面的推 进速度较小, 如图6 中所示 图中横坐标是模拟时间, 纵坐标是距冷源的距离 . 在本文所模 拟的情况下, 冻结锋面推进速度相差近一倍. 图6 冻结锋面位置随时间的变化 Fi g . 6 T r e n d o f p o s i t i o n o f f r e e z i n g w a v e v s t i m e 减小冻结速度将减少水分迁移流, 从而抑制或减小冻胀. 当然, 冻结锋面推进速度的 减小势必造成在某一位置滞留时间加长, 亦即延长了水分迁移时间, 使水分迁移的总量可 能加大［4］. 但由于两种冻结方式冻结锋面的温度梯度相近，而间歇冻结时未冻土区域 的温度梯度又很小, 因此水分迁移的动力比连续冻结时小, 将不利于冻胀的产生和发展. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 1. h t m （第 5／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 5 中国矿业大学学报990 50 1 2 间歇冻结设计的一般原则 用间歇冻结控制人工冻土体冻胀的关键是冻结时间、间歇时间和维系冻土体功能 所需的冻结温度的确定. 间歇冻结设计除必须考虑所形成冻土的特有功能 稳定性和/ 或密封性 以及地基的 工程地质、水文地质和土的物理性质 地层特征及厚度、地基的温度场、地下水位及其 波动规律、水流方向、速度及变化、水中可融和不可融矿物质、土性、粒径分布、密 度、塑限与液限、含水量和饱和度、含盐度 外，还要考虑环境条件 冻土体几何特 征、上覆地层的性质及厚度、周围建 构 筑物的特征及重要性、周围建 构 筑物与工程 的关系、人工冻土工程的施工方法、冻土工程的施工时间及工期等 . 工程意义上的间歇冻结项目的设计工作包括 冻土体尺寸的确定、合理冻结管的布 置、冻结温度及间歇冻结过程等等. 针对间歇冻结设计的软件正在研制之中. 在整个间歇冻结过程中必须加强对温度、冻土体及工程周围环境的变形进行量测 和监控. 3 结 论 冻胀控制是人工地层冻结工程中的重要课题, 本文分析了工程实际中冻胀可控因素, 数值模拟研究分析了在细粒土中间歇冻结和连续冻结两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、未冻土区域温度 梯度低、冻土区域冷率高、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产生和冻胀进 行控制是完全可能的. 当然，由于冻胀是一个包括相变、冻土和未冻土中的非稳定热质 流动及相互作用的复杂现象, 本文仅就间歇冻结抑制人工冻土冻胀的机理进行了定性分 析, 一定土性和工程条件下土的最小冻胀对应的冻结温度和间歇方式的研究正在进行. *国家自然科学基金资助项目 5957 8 0 40 ① Pr o f D r -In g Je s s b e r g e r Pa r t n e r G m b H . Vo r b e r i c h t z u r Ve r e i s u n g u n t e r h a l b d e s Po s t - u n d Wh l a m t g e bu d e s i m Zu g e d e r U -Ba h n l i n i e U 6 , Ba u a b s c h n i t t U 6 / 3, Vi v e n o t g a s s e , A z B16 8 . 198 6 ② Pr o f D r -In g Je s s b e r g e r Pa r t n e r G m b H . G u t a c h t l i c h e St e l l u n g n a h m e z u r Ve r e i s u n g s - m a βn a h m e u n t e r h a l b d e s K a u f h a u s e s H e r m a n s k y i m Zu g e d e s U -Ba h n -Ba u s , Ba u a b s c h n i t t U 3/ 10 W i e n , A z . B2 6 1. 198 6 作者简介 周国庆, 男, 196 1年生, 工学博士, 副教授 作者单位中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 参 考 文 献 1 Stn d e r W . M a t h e m a t i s c h e A n st z e z u r Be r e c h n u n g d e r Fr o s t a u s b r e i t u n g i m r u h e n d e n G r u n d w a s s e r i m Ve r g l e i c h z u M o d e l l u n t e r s u c h u n g e n fr v e r s c h i e d e n e G e f r i e r r o h r a n o r d n u n g i m Sc h a c h t - u n d G r u n d b a u . Ve r f f e n t l i c h u n g I BF, T H K a r l s r u h e , 196 7 , 2 8 1～19 2 Je s s b e r g e r H L, M a k o w s k i E. U n t e r s u c h u n g e n v o n Wr m e s t r m u n g s v o r gn g e n i m Bo d e n f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 1. h t m （第 6 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 5 中国矿业大学学报990 50 1 m i t Be rc k -s i c h t i g u n g s t r m e n d e n G r u n d w a s s e r s i m H i n b l i c k a u f e i n e w i r t s c h a f t l i c h e A n w e n d u n g d e s G e r i e r v e r f a h r e n s i m T i e f b a u b e i d e r Er s t e l l u n g v o n g e r a d e n G e f r i e r w n d e n . Fo r s c h u n g s b r e i c h t G r u n d b a u u n d Bo d e n m e c h a n i k , Bo c h u m , 198 5. 11～35 3 徐学祖, 王家澄, 张立新等. 土体冻胀和盐胀机理. 北京 科学出版社, 1995. 7 7 ～93 4 李述训, 程国栋. 冻融土中的水热输运问题. 兰州 兰州大学出版社, 1995. 111～12 2 5 K o n r a d J M , M o r g e n s t e r n N R. 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Ca n G e o t e c h J, 198 2 , 19 495～50 5 收稿日期 1999-0 1-2 2 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 5/ 990 50 1. h t m （第 7 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 0 5