不同冻结模式下土体冻胀试验及分析.pdf

1 不同冻结模式下土体冻胀试验及分析2 1 1,2 1,2 2 1 1 周扬 ，周国庆 ，周金生 ，商翔羽 ，王建州 ，张琦 1. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州（221008 ）； 2. 中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州（221008 ） 摘 要：通过土体一维冻结试验比较了分步、连续、控制冻深的间歇三种冻结模式下冻胀的 发展，结果表明：连续冻结模式在冻结锋面趋于稳定后，产生了持续的冻胀；分布冻结模式 初始阶段锋面推进较慢，其起始冻胀时间相对连续冻结模式较早，随着冻结锋面进一步推进 后趋于稳定，又产生了较大的冻胀速度，其最终冻胀量约为连续冻结模式的 111%; 控制冻 深的间歇冻结模式其间歇阶段能够有效抑制透镜体的生长，其冻胀曲线中出现了许多无冻胀 发展的间歇台阶，其最终冻胀量为连续冻结模式48.8%. 进一步分析指出，采用冻结模式控 制冻胀的基本原则在于：初始阶段促使冻结锋面持续快速推进，从而有效的延迟冻结过程中 的起始冻胀时间；冻结锋面不再推进时，可以采用间歇的方式抑制透镜体的生长，有效的控 制冻胀。 关键词：连续冻结；分步冻结；控制冻深；间歇冻结；冻胀 1. 引 言 国外120 年、国内50 年来的工程实践表明，人工冻结技术对于人类开发地下空间和开 采深部能源过程中所遇到的含水软弱地层具有适应性强、可靠性高、无污染、设备简单、技 术经济效果好等特点，该技术在西欧国家的地下工程尤其是恶劣地质条件下的地下工程施工 中应用十分广泛，近几年，在我国上海、广州等城市地下工程中也得到应用。 但是，人工冻结技术尚有许多问题远没有解决，尤以冻胀和融沉问题为首。人工冻结过 程中冻土剧烈的冰分凝将导致很大的冻胀变形和冻胀力。如[1]新建深井中冻结壁的水平冻结 压力在300m 深处超过6MPa;个别矿井地面冻胀量甚至超过1000mm；2004 年初淮南矿区又 出现因冻结壁变形而导致单井7 根冻结管断裂的工程事故。在对环境要求严格的城市地下工 程中，冻胀变形常常达几十至几百毫米。如瑞士苏黎世 Milchbunch 公路隧道第一冻结区测 得的冻胀量为 105mm，过量的冻胀往往使得地表产生不均匀变形，将造成环境如上部或邻 近建筑物、构筑物基础及煤气、电力、通讯及供排水等管线的破坏，甚至影响到工程的成败， 造成巨大的经济损失和社会影响，因而需要采用切实有效的措施来控制冻胀。 当工程条件一定时，土体的附加荷载、土性、地下水等均已确定，此时唯一可控因素即 为冻结温度，冻结温度的变化形式决定了冻胀的发展，因而有必要研究不同冻结温度变化形 式即冻结模式对土体冻胀的影响。 2. 冻结试验方案 2.1 试验概况 设备仪器系统包括制冷系统、温控系统、补水系统、数据采集系统，主要设备为三端制 冷机。 3 试验选用冻胀敏感性的粉质粘土，试样的干密度约为 1.50 g/cm ，初始含水量为30 ％。 试样均制成高 13.0 cm，直径10.1 cm 的圆柱体。 1本课题得到国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金项目、高等学校博士学 科点专项科研基金项目(20040290502)的资助。 - 1 - 对试样在开放系统中进行自上向下的一维冻结，无外荷载作用。沿试样垂直方向间隔 1cm 布置有热敏电阻以测定冻结过程中试样温度场变化，冻胀量测量采用精度0.01mm 的位 移计。 2.2 冻结初边界条件 分别进行了连续冻结、分步冻结、控制冻深的间歇冻结三组试验，在每组试验进行前， 土样均以＋6℃预冷，待温度稳定后，将底板温度(暖端)统一恒定于＋6℃，调节冷端温度进 行试