地层扰动对冻结的影响分析

摘要：冻结加固技术因其具有冻结强度高、止水性好、安全性高等优点，并且具有很好的环保性等特点而越来越多的被应用于地下工程建设中，尤其是对环境保护要求高、又处在软土地质条件下的工程，其应用更为广泛。但冻结在实际施工中受到多种不利因素的影响，特别是地层扰动对冻结的影响，影响冻结效果，并严重影响施工安全。本文阐述了影响人工冻结效果的因素，以及在地层扰动下各因素的变化，主要分析了冻融土和地下动水对冻结效果的影响。

关键词：冻结法；冻结温度场；地层扰动

概述

在地层扰动下，冻结壁的形成是一个很复杂的热物理过程。在冻结壁的形成过程中地层扰动影响冻结温度场的分布，且温度场、渗流场等多个物理场存在相互作用，因此，对于某水平同一地层的冻结壁在各方位厚度发展并不均衡。

（二）冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行地下工程倔砌施工的特殊施工技术。

（三）冻结法施工技术适用于松散不稳定的冲击层、裂隙含水层、松散泥岩层和水压特大的岩层，既可作为地质条件复杂的井巷工程施工，又可作为工程抢险和事故处理的手段。

（四）冻结法施工的原理是：沿开挖断面周边布置与通道方向基本平行的冻结孔，然后在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高、封水性好的冻土帷幕―冻结壁，用以抵抗地压，水压和隔绝地下水与地下工程的联系。然后在冻结壁的保护下进行隧道、竖井和基础工程的开挖与衬砌施工的特殊工程技术。其实质是利用人工制冷技术临时改变岩土性质以固结地层。

二、冻结壁的温度场的形成规律

冻结壁是凿井的临时支护结构物，其功能是隔绝井内外地下水的联系和抵抗水土压力。当冻结壁完全交圈后，封闭的冻结壁即可起到隔绝地下水的作用；但是要起到抵抗水压力的作用，冻结壁必须有足够的强度和稳定性。

1、土壤的冻结实质及其特性变化

土壤冻结前后，土体的强度、水分、以及热物理参数等基本性质发生较大变化：

(1) 强度提高。2) 水分迁移。(3) 热物理性质的变化。

2、冻土的物理性质

1）物质迁移特性。由于冻土中存在冰，随着温度的变化，冰水的比例也在发生变化。当土体的一部分冻结成冰时，其液态水含量在降低，而冰含量在增大，这就导致冻结过程中的物质迁移。

2）热物理特性。描述冻土热物理特性的主要指标有比热、导热系数、导温系数、热容易和冻结温度。

三、人工冻结地层温度场的分析

1、冻土的形成过程。实质上是土中水冻结并将固体颗粒胶结成整体的物理力学性质发生质变的过程。如图2-1 所示，土中水的冻结过程可以划分为五段：

(1) 冷却段：向土层供冷初期，土体逐渐降温并达到冰点；(2) 过冷段：土体降温至0℃以下时，自由水尚不结冰，呈现过冷现象；(3) 突变段：水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现升温现象；(4) 冻结段：温度上升接近0℃时稳定下来，土体中的水结冰，将矿物颗粒胶结成整体形成冻土；(5) 冻土继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐增大。

2、冻结温度场温度分布规律。冻结温度场是研究冻结过程中地下工程周围空间温度随时间变化的规律。冻结温度场是一个相变的、移动边界的和有内热源的、边界条件复杂的不稳定导热问题。在冻结初期，可近似认为地温是一个平均温度，随着冻结管中冷媒的不断循环，冻结圆柱不断扩大，直至交圈，形成以冻结管走向方向为中心线的两边温度对称的冻土挡墙，中心处温度最低，两边温度最高。

3、冻结壁内平均温度。冻结壁平均温度主要与盐水温度、冻结孔间距、冻结壁厚度、冻结管直径以及井帮温度等因素有关。冻结壁平均温度随着冻结壁厚度的增大而降低，而平均温度降低的速率与厚度成正比。冻结壁主面的平均温度比其界面的平均温度低；冻结壁厚度较薄时，主、界面的平均温度的差值较大；厚度增大，其差值减小。

四、地层扰动对冻结效果的影响分析

1、引起地层扰动的原因

（1）地质因素。地质因素是造成地层扰动的内因，地层本身的组织、结构特性、所处的地质条件和水文地质条件，地层固有的各种物理力学性质，如密度、强度、孔隙度、透水性、膨胀性以及受所处条件影响的岩层压力、地层压力，破裂压力等。

（2）技术工艺因素。技术工艺因素是影响地层扰动的外因，采用的不同施工方法将会引起不同程度的地层扰动，因此选择合适的施工方法对于工程建设十分重要。

2、力学性能的变化

研究表明粘土冻融后压缩系数减小，压缩模量增加左右，而粉细砂冻融后结果相反，说明粘土冻融后压缩性减小，而粉细砂冻融后压缩性增大冻融土的内摩擦角均大于原状土，低应力下冻融土与原状土抗剪强度接近，随正应力增大，冻融土的抗剪强度增长比原状土快；粘土冻融后无侧限抗压强度仅为原状土的，且原状土有明显的峰值强度，应力应变曲线表现为应变软化；粘土冻融后也有峰值强度，但不明显，且达到峰值强度的应变比原状土大近一倍；而重塑土均无峰值强度出现，应力应变曲线表现为应变硬化，原状土的灵敏度是冻融土的2倍。

3、冻融土物理力学特性变化对工程的影响

土冻融后渗透性增加，可加快地基固结沉降速度，有利于减小工程完工后的沉降量，对于土作为承载地基的工程是有利的,但当土作为隔水介质时（如土坝）则不利。粘土冻融后，压缩性减小，对于用变形作为设计控制指标的工程是有利的，同时也有利于减小对周围环境的影响（周围地表沉降减小）；而粉细砂冻融后，压缩性增大，将增加永久建筑构筑物的沉降，应引起注意。

地下冻水

在实际冻结过程中，由于地下水的水平和垂直的流动，经常遇到地下水流速较大的情况。地下水的运动类型分为两类：一是自然条件下的流动；二是人为抽水等原因所引起的流动。地下水的自然流动一般比较小不会对冻结壁的正常形成构成威胁，但认为抽水引起的地下水流速往往要比自然流速大几倍甚至几十倍，当地下水流速超过一定限度时就会对冻结壁的形成产生不利的影响。有些井筒在冻结过程中设置水井，抽水时就会造成地下水流速增大，导致冻结壁迟迟不能交圈，严重的影响工期。

由于地下动水条件的复杂性和特殊性，对于冻结壁形成问题的理论研究工作进展十分缓慢，目前工程施工多是取决于经验，多数还处于定性认识阶段。目前关于影响冻结过程和地下水流速极限速度以及冻结管布置间距极限值等问题并没有从理论上统一。

结语

人工冻土冻结应用至今，已经在岩土工程取得巨大的成功，但是其带来的地层扰动问题却也阻碍了其发展，成为很多重要工程的棘手问题。冻结施工中应尽量减少地层扰动对冻结过程的不利影响。尤其是地下动水，不仅推迟了冻结壁交圈时间、降低冻结壁发展速度，且导致冻结壁发展不均匀。因此，必须根据地下水不同的流动状态和流速采取不同的措施，保证冻结工程的顺利施工。

参考文献：

[1] 周幼吾，郭东信，邱国庆等．中国冻土[M]．北京：科学出版社，2001．

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

[3] 杨平，皮爱如.高流速地下水流地层冻结壁形成的研究.岩土工程学报，第23卷，第2期，2001年3月.

[4] 木下诚一著．冻土物理学[M]．王异，张志权译．长春：吉林科学技术出版社，1985．