[精華]井巷非凡施工(第二章 解凍法(節(jié)5 凍土物理力學(xué)性質(zhì)))

1、第2章 凍結(jié)法 1 概述 2 蒸汽壓縮制冷 3 凍結(jié)法施工 4 凍結(jié)方案 5 凍土物理力學(xué)性質(zhì) 6 凍結(jié)溫度場(chǎng) 7 凍結(jié)壁計(jì)算 8 凍結(jié)井壁 9 凍結(jié)法設(shè)計(jì)計(jì)算第2章 凍結(jié)法 5 凍土物理力學(xué)性質(zhì) 5.1 凍土的形成 5.2 凍土的熱物理性質(zhì) 5.3 凍土的力學(xué)性質(zhì) 凍結(jié)法鑿井中的凍土是泛指在含水的表土層或基巖，當(dāng)溫度降至結(jié)冰溫度(一般為0)或更低時(shí)，使大部分水凍結(jié)，并膠結(jié)了固體顆粒，或充填巖層的裂隙。這些被凍結(jié)了的土或巖石統(tǒng)稱凍土。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.1 凍土的形成 地下水對(duì)凍土形成的影響 凍土形成的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是土中水結(jié)冰并膠結(jié)固體顆粒的過(guò)程。土中水的凍結(jié)與普通凈水的凍結(jié)

2、有著一些不同的特點(diǎn)，諸如：凍土中存在著未凍水、凍結(jié)后物理性質(zhì)的變化等。要了解這些特點(diǎn)，必須先了解土顆粒與水的相互作用。 土顆粒表面帶負(fù)電荷，當(dāng)水和土粒接觸時(shí)就會(huì)在這種靜電引力下發(fā)生極化作用，使靠近土粒表面的水分子失去自由活動(dòng)的能力而整齊地、緊密地排列起來(lái)，距土粒表面越近，靜電引力強(qiáng)度越大，對(duì)水分子的吸附力也越大，而形成層密度很大的水膜，叫作吸附水或強(qiáng)結(jié)合水。離土粒表面稍遠(yuǎn)，靜電引力強(qiáng)度減小，水分子自由活動(dòng)能力增大，這部分水叫薄膜水或弱結(jié)合水。再遠(yuǎn)則水分子主要已受重力作用控制，形成所謂毛細(xì)水(一般歸屬于弱結(jié)合水的范圍)。更遠(yuǎn)的水只受重力的控制，叫重力水(自由水)，就是普通的液態(tài)水。 第2章 凍結(jié)

3、法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.1 凍土的形成第2章 凍結(jié)法地下水對(duì)凍土形成的影響 綜上所述，土中水一般可分為吸附水，薄膜水和自由水三種。以吸附水和薄膜水組成的結(jié)合水。結(jié)合水的密度增大，冰點(diǎn)降低。其中吸附水的厚度只有幾十個(gè)水分子厚，比重為1214，最低冰點(diǎn)為186，呈不流動(dòng)狀態(tài)，它在土層的總含水量中占約為022。薄膜水的比重也大于l，冰點(diǎn)低于0，一般在2030時(shí)才全部?jī)鼋Y(jié)。在凍結(jié)法鑿井的條件下，大部分薄膜水被陳結(jié)。未被凍結(jié)的水稱末凍水。薄膜水的顯著特征是能直接從一個(gè)土粒表面遷移到另一個(gè)土粒表面，這種移動(dòng)是緩慢的，而且只能從厚膜向薄膜移動(dòng)。自由水存在于上坡或巖石的孔隙中，它與普通的水相同，服從重力定律

4、，能傳遞靜水壓力，比重般為1，在個(gè)大氣壓下其冰點(diǎn)為0。凍結(jié)法鑿井時(shí)主要是凍結(jié)自由水，它在地層中含量的多少，直接影響著冷量的消耗、凍結(jié)速度和凍土強(qiáng)度。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.1 凍土的形成 地下水對(duì)凍土形成的影響 粘土的顆粒小且成片狀，其結(jié)合水的含量最多，而砂土則次之，粗砂、礫石層或裂隙巖層則絕大部分為自由水，結(jié)合水可忽略不計(jì)。末凍水含量與溫度、地下水ph值、壓力有關(guān)。 凍土中末凍水的存在對(duì)凍土的強(qiáng)度和熱物理性質(zhì)有著極大的影響。例如，在同樣的負(fù)溫和同樣的含水量情況下，凍結(jié)砂礫的強(qiáng)度就要比凍結(jié)粘土的強(qiáng)度高。這是由于砂礫中的水幾乎全部?jī)鼋Y(jié)成冰，把土粒牢固地膠結(jié)在一起；而在粘土中則存在著

5、相當(dāng)數(shù)量的未凍水，土粒被膠結(jié)的程度差，所以強(qiáng)度就低。 第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.1 凍土的形成第2章 凍結(jié)法 巖土中水凍結(jié)過(guò)程 實(shí)驗(yàn)表明，土中水凍結(jié)過(guò)程曲線(土凍結(jié)時(shí)某一點(diǎn)的溫度變化) 大致可分為五個(gè)階段： 1冷卻段：向土層供給冷量后，在初期使土體（包括土粒、水和氣）逐步降溫以致達(dá)到水的冰點(diǎn)； 2一過(guò)冷段 土體降溫至0以下，但自由水仍不結(jié)冰，產(chǎn)生水的過(guò)冷現(xiàn)象； 3一溫度突變段 水過(guò)冷以后，只要一開始結(jié)晶，就有結(jié)冰潛熱放出，溫度迅速上升； 4一凍結(jié)段 溫度升至0或其附近后穩(wěn)定下來(lái)，土體孔隙中的水便發(fā)生結(jié)冰過(guò)程，使土膠結(jié)為凍土； 5一凍土繼續(xù)冷卻段 隨著溫度的降低，凍土強(qiáng)度逐漸增高。第

6、2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.1 凍土的形成第2章 凍結(jié)法 巖土中水凍結(jié)過(guò)程 在整個(gè)凍土形成過(guò)程中水變成冰的凍結(jié)段是最重要的過(guò)程它是使土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生質(zhì)變的過(guò)程，也是消耗冷量最多的過(guò)程。 開始凍結(jié)的溫度稱為起始凍結(jié)溫度，其值取決于水溶液的含鹽濃度。含鹽量越大時(shí)，起始凍結(jié)溫度越低。一般在含水豐富的砂礫層起始凍結(jié)溫度約為0；在亞砂土和粘土約為-0.03 -0.2或更低。 在凍土的形成過(guò)程中，往往伴生著水的過(guò)冷現(xiàn)象和水分遷移。 在結(jié)冰之前，若水中沒(méi)有結(jié)晶核，則水溫低于0仍不結(jié)晶，就產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象。過(guò)冷溫度的數(shù)值取決于冷卻情況。當(dāng)溫度梯度大時(shí)，僅在水結(jié)冰的初期才可能產(chǎn)生。開始結(jié)冰以后，這種現(xiàn)象

7、就不再發(fā)生或很不明顯了。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.1 凍土的形成 巖土中水凍結(jié)過(guò)程 土層凍結(jié)時(shí)發(fā)生水分向凍結(jié)面轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，即所謂水分遷移。由于土粒間彼此的距離很小，甚至互相接觸，所以相鄰兩個(gè)土粒的薄膜水就匯合在一起形成公共水化膜。在凍結(jié)過(guò)程中，增長(zhǎng)著的冰晶不斷地從鄰近的水化膜中奪走水分，造成水化膜的變薄。而相鄰的厚膜中的水分子又不斷地向薄膜補(bǔ)充。這樣，依次傳遞就形成了凍結(jié)時(shí)水向凍結(jié)面的遷移。由于分子引力的作用，變薄了的水膜也要不斷地從自由水中吸取水分，這就使凍土的水分增大。水變成冰時(shí)其體積要增大9，當(dāng)這種體積膨脹足以引起土顆粒間的相對(duì)位移時(shí)，就形成凍土的凍脹，并隨之產(chǎn)生極大的凍脹力

8、。由于水分遷移，變成冰的那部分水量增大，土的凍脹量亦增大，水分遷移使凍土的凍脹加劇。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.1 凍土的形成 巖土中水凍結(jié)過(guò)程 水分遷移和凍脹與土性、水補(bǔ)給條件和凍結(jié)溫度等有密切關(guān)系。在細(xì)粒土中，特別是粉質(zhì)亞粘土和粉質(zhì)亞砂土中的水分遷移最強(qiáng)烈，凍脹最甚。粘土雖然顆粒很細(xì)，但其含水量小，其凍脹性稍次于粉質(zhì)亞粘土和亞砂土。砂、礫由于顆粒粗，凍結(jié)時(shí)一般不發(fā)生水分遷移。外部水分補(bǔ)給條件是影響水分遷移和凍脹的重要因素之一。溫度梯度越大，水分遷移和凍脹越小。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.1 凍土的形成 凍土是由礦物顆粒、冰、未凍水和氣體所組成的四相物體。凍土和末凍土的熱

9、物理性質(zhì)有很大差別，是由于土中水處在不同相態(tài)時(shí)或者正在發(fā)生相變時(shí)的特性所決定的。描述凍土熱物理性質(zhì)的主要指標(biāo)有導(dǎo)熱系數(shù)、比熱及導(dǎo)溫系數(shù)。 導(dǎo)熱系數(shù) 根據(jù)傅立葉定律，在固體中某過(guò)熱斷面上傳遞的熱流密度與其法線方向上的溫度梯度成正比，這個(gè)比例系數(shù)稱為導(dǎo)熱系數(shù)。表示物體傳熱的難易程度。一般用“”表示，單位是w/(mk)。工程中采用的是平均導(dǎo)熱系數(shù)。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.2 凍土的熱物理性質(zhì) 比熱 使lkg質(zhì)量的凍土溫度改變1k，所需要吸收(或放出)的熱量稱為比熱，用符號(hào)c表示，單位kj/(kgk)。若略去凍土中的氣相成分，融土和凍土之比熱可按下式計(jì)算： 容積比熱。單位體積巖土溫度變化

10、1k時(shí)，所吸收（或）放出的熱量。用“c”表示，單位kj/(m3k)。wwccwwccwwcccuwiusws1)(1)()(uwiusswsswccwwccwccc第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.2 凍土的熱物理性質(zhì) 導(dǎo)溫系數(shù) 是巖土中溫度傳遞的熱慣性指標(biāo)。表示固體中溫度變化的難易程度，用“a”表示。a/c。其單位m2/s。 凍土熱容量 每1m3巖土從原始溫度降到某凍結(jié)溫度所放出的熱量（或吸收的冷量）。單位kj/m3。 凍土熱容量包括四個(gè)部分的熱量： qq1q2q3q4 式中 ql1立方米的土中水由原始溫度t。降到結(jié)冰溫度tb(一般為0) 時(shí)所放出的總熱量： q2土中水結(jié)冰時(shí)放出的潛熱量

11、； q3凍土中的冰由結(jié)冰溫度降到所需的凍結(jié)溫度時(shí)所放出的熱量； q4土顆粒由原始溫度降到設(shè)計(jì)的平均溫度時(shí)所放出的熱量。 第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.2 凍土的熱物理性質(zhì) 抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及流變特征。 研究力學(xué)性質(zhì)與凍土溫度、未凍水含量、顆粒組成、礦物成分、荷載作用時(shí)間以及凍結(jié)速度之間的關(guān)系。 第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.3 凍土的力學(xué)性質(zhì) 凍土抗壓強(qiáng)度 1）凍土溫度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響 試驗(yàn)表明，凍土強(qiáng)度隨著凍結(jié)溫度的降低而增大。這是因?yàn)殡S著溫度降低，冰的強(qiáng)度和膠結(jié)能力增大，冰與土顆粒骨架之間的聯(lián)結(jié)加強(qiáng)，同時(shí)使土中原來(lái)的一部分未凍水逐步凍結(jié)而增加土中含冰量。 當(dāng)負(fù)溫不太大時(shí)，

12、溫度對(duì)強(qiáng)度的影響較明顯。但是，隨著負(fù)溫的繼續(xù)增加，強(qiáng)度的增長(zhǎng)逐漸變慢，所以強(qiáng)度與溫度的關(guān)系雖然密切，但卻不是線性的。 蘇聯(lián)學(xué)者根據(jù)研究結(jié)果曾建議用下列兩個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式之一來(lái)計(jì)算飽和砂的極限抗壓強(qiáng)度： 這兩個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果相差較大，當(dāng)凍結(jié)溫度在-8 -12時(shí)，相差約為12一17。但作為工程估算還是可以的。我國(guó)一般多采用前一個(gè)式。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.3 凍土的力學(xué)性質(zhì)第2章 凍結(jié)法 凍土抗壓強(qiáng)度 2）含水量對(duì)凍土抗壓強(qiáng)度的影響 試驗(yàn)表明，含水量是影響凍土強(qiáng)度的主要因素之一。在土中含水量末達(dá)到飽和時(shí)，凍土強(qiáng)度隨著含水量的增加而提高；但當(dāng)達(dá)到飽和后，含水量繼續(xù)增加時(shí)凍土強(qiáng)度反而會(huì)降

13、低。當(dāng)含水量比飽和含水量大的很多時(shí)，凍土強(qiáng)度就降低到和冰的強(qiáng)度差不多了。 第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.3 凍土的力學(xué)性質(zhì)第2章 凍結(jié)法 凍土抗壓強(qiáng)度 3）巖土類型（顆粒）對(duì)凍土抗壓強(qiáng)度的影響 土顆粒成分和大小是影響凍土強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。試驗(yàn)表明，在其他相同的條件下，土顆粒愈粗，凍土強(qiáng)度愈高，反之就低。這主要是由于不同的顆粒成分造成土中所含結(jié)合水的差異所引起的。例如，粗砂、砂礫和礫石的顆粒隊(duì)其中幾乎沒(méi)有結(jié)合水，凍土中不存在未凍水，所以凍土強(qiáng)度高。相反，粘土類土顆粒很細(xì)，總的表面積很大，因而其表面能也大，在其中含有較多的吸附水和薄膜水，吸附水一般是完全不凍結(jié)的，薄膜水也只是部分凍結(jié)，因

14、而在凍土中保存了較多的來(lái)凍水，使凍土的活動(dòng)性和粘滯性增加，強(qiáng)度降低。另外，土顆粒的礦物成分和級(jí)配對(duì)強(qiáng)度也有一定的影響。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.3 凍土的力學(xué)性質(zhì)第2章 凍結(jié)法 凍土抗壓強(qiáng)度 4）凍結(jié)速度對(duì)凍土強(qiáng)度的影響 凍土形成的快慢速度直接影響到冰的結(jié)構(gòu)。若凍結(jié)速度快，凍土中的細(xì)粒冰就多，凍土強(qiáng)度就高。相反，若凍結(jié)速度慢，凍土中的粗粒冰含量增多，凍土強(qiáng)度相應(yīng)降低。所以，積極凍結(jié)期的凍結(jié)狀況對(duì)凍結(jié)壁的形成有重要意義。為此必須盡量降低鹽水的溫度，這樣不僅使凍土由于溫度低而強(qiáng)度高，同時(shí)也因凍結(jié)速度快而進(jìn)一步增加其強(qiáng)度。國(guó)外采用的液氮低溫快速凍結(jié)新工藝便具有這方面的優(yōu)點(diǎn)。 第2章 凍結(jié)

15、法5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.3 凍土的力學(xué)性質(zhì)第2章 凍結(jié)法 凍土抗剪強(qiáng)度 5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.3 凍土的力學(xué)性質(zhì) 由于凍土內(nèi)存在固相水(冰)和少量液相水(未凍水)，所以使其具有顯著的流變性，即凍土在荷載作用下應(yīng)力和應(yīng)變將隨時(shí)間而變化的特性。當(dāng)外力恒定時(shí)，凍土的變形隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，且沒(méi)有明顯的破壞特征。 1）本構(gòu)方程 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：ttaam)(第2章 凍結(jié)法凍土的流變性 5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.3 凍土的力學(xué)性質(zhì) 2）蠕變性 凍土的蠕變性是指凍土在應(yīng)力不變時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間變化的性質(zhì)。 凍土受力后首先發(fā)生瞬時(shí)的彈性和塑性變形(oa段)，其后進(jìn)入蠕變變形時(shí)可分成下列幾個(gè)階段： 1不穩(wěn)定蠕

16、變（彈性蠕變）階段(ab)，其變形速度逐漸衰減； 2一穩(wěn)定蠕變（粘塑性流變）階段(bc)，其變形速度是不變的常數(shù)； 3蠕變強(qiáng)化（流變速度增大）階段(cd)，其變形速度，逐漸增大，直到最后脆性破壞(致密的砂類凍土)或塑性流動(dòng)(粘土類凍土)。 實(shí)際應(yīng)用中，不穩(wěn)定蠕變階段很短，穩(wěn)定蠕變階段應(yīng)作為我們的主要研究對(duì)象，特別是在凍粘土層中，只需計(jì)算該階段的變形速度。第2章 凍結(jié)法凍土的流變性 5 凍結(jié)物理力學(xué)性質(zhì)5.3 凍土的力學(xué)性質(zhì)第2章 凍結(jié)法 3）強(qiáng)度松弛 凍土強(qiáng)度（破壞應(yīng)力）隨著荷載作用時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，稱為凍土之強(qiáng)度松弛。荷載作用時(shí)間很短時(shí)（一般0.51.0h）的強(qiáng)度稱為瞬時(shí)強(qiáng)度，大于1h的強(qiáng)度稱為長(zhǎng)時(shí)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)室不可能施加過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間，一般將200h作用