學(xué)科前沿講座課程報告

1、中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)科前沿講座課程報告第1頁凍脹融沉的分析與防范（中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院土木10-7班 陳輝 學(xué)號：02100498）摘 要：工程建設(shè)是否對周邊環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面或不利影響，是建設(shè)者和使用者所關(guān)注的問題。 針對地鐵工程建設(shè)中涉及的凍脹融沉，從其產(chǎn)生的機(jī)理到影響因素進(jìn)行了細(xì)致的論述和分析，以及分析了凍脹融沉的相關(guān)影響因素，從本質(zhì)上分析了其特點(diǎn)，憑此制定了科學(xué)、合理的防 范措施,并應(yīng)用于實(shí)踐，在施工中取得較好的效果。關(guān)鍵詞：凍脹融沉；分析；防范在地鐵建設(shè)中，煤礦凍結(jié)法作為一種土體加固方法被廣泛應(yīng)用，但凍結(jié)法的凍脹融沉是否對地鐵隧道及周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，是建設(shè)者和使

2、用者所關(guān)注的問題。為此，我們在北方某城 市地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工中，對凍脹融沉的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素進(jìn)行了認(rèn)真、細(xì)致的分析,結(jié)合工程實(shí)際情況，制定了科學(xué)、合理的防范措施，取得了較好的效果。1凍結(jié)法凍脹分析凍脹是指地鐵工程在土體加固過程中，由于凍結(jié)管對土體實(shí)施凍結(jié)作用，使土體中水分 結(jié)冰而造成其體積膨脹的現(xiàn)象，在實(shí)際施工中，不論對天然凍土區(qū)還是人工凍土區(qū)，凍脹都是 工程建設(shè)者所面臨的棘手問題。究其原因,主要是由于含水土體在凍結(jié)過程中，一方面土中原 位水發(fā)生凍結(jié)，另一方面是未凍結(jié)水向凍結(jié)鋒面的遷移現(xiàn)象，從而引起土中水分的重新分布和 析冰作用。土體的凍脹分為原位凍脹和分凝凍脹，由于原位水分凍結(jié)引起的凍

3、脹量相對分凝凍 脹來講十分微小，因此，我們本次所研究的土體凍脹主要指由水分遷移引起的分凝凍脹。1.1凍脹的產(chǎn)生機(jī)理分凝凍脹的產(chǎn)生機(jī)理包括土中水分遷移和成冰作用。土體在凍結(jié)過程中，一旦土體溫度低于土的起始凍結(jié)溫度，土中就有部分液態(tài)水變成冰，但在土顆粒表面仍有一些作為吸附膜 的未凍水存在，在溫度梯度引起的負(fù)壓梯度作用下，來自未凍土的水通過未凍水膜遷入凍土層 內(nèi)。由于未凍水膜的厚度隨土溫的降低而減薄 ，被遷移的水分因遷移受阻而逐漸在某個位置 聚集。此時,凍土中的未凍水含量是恒定的，即在一定負(fù)溫下，土顆粒外圍具有恒定的平衡水 膜厚度。當(dāng)足夠的水分聚集起來時，由于未凍水膜的厚度增大，未凍水的自由能比冰的

4、自由能 高，原來的熱力平衡狀態(tài)被破壞。在恒定的負(fù)溫下，土水體系通過多余的未凍水釋放自由能分 凝成冰,而重新建立平衡狀態(tài)。隨著分凝冰晶便不斷積累，土體便產(chǎn)生了凍結(jié)膨脹。1.2凍脹的影響因素凍結(jié)過程中水分遷移和成冰作用是產(chǎn)生土體凍脹的直接因素，它們的強(qiáng)弱主要取決于土體顆粒的土質(zhì)、土中水分、溫度及荷載作用等因素。1.2.1 土顆粒組成對凍脹的影響土粒表面力場的差異性影響著土凍結(jié)過程中水分遷移能力，并導(dǎo)致凍脹變形各不相同。 對于粗顆粒土來說，不存在土的礦物成分對凍脹的影響。在細(xì)顆粒土中，尤其是亞粘土、粘土 , 這種影響顯著地表現(xiàn)出來。在水分、溫度及凍結(jié)條件大致相似的情況下，各類土的凍脹性強(qiáng) 弱大致按下

5、列順序遞減：粉質(zhì)土、 亞砂土 亞粘土 粘土礫石土（小于0. 05mm粒徑的 含量超過12% ） 粗砂 砂礫石。1.2.2 土中水對凍脹的影響試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明，只有土中水分超過一定界限之后才會產(chǎn)生凍脹，在外界條件相同 的情況下，土體含水量愈高，其凍脹的強(qiáng)度也就愈大。此外，在沒有外界水源補(bǔ)給的封閉系統(tǒng) 中,由于水分遷移受到了限制，凍脹達(dá)到一定量時就不再增長，而在有水源補(bǔ)給的開放系統(tǒng)中 只要條件適宜，凍脹就會持續(xù)增長。1.2.3溫度對凍脹的影響首先，土溫降低引起水結(jié)晶、 冰分凝,引起土體內(nèi)部液態(tài)水向凍結(jié)鋒面的不斷遷移。凍 土土溫愈低，土體中未凍水含量愈少，含冰量愈大。其次，凍土的溫度梯度決定著水分

6、遷移量 的大小,凍土的溫度梯度愈小，水分遷移量愈大；凍脹量愈大，溫度梯度愈大，水分遷移量愈小 凍脹量愈小。1.2.4荷載對凍脹的影響荷載的增加會對土體的凍脹產(chǎn)生抑制作用，首先,荷載的增加會使得土體的凍結(jié)溫度降 低,要繼續(xù)維持土體的凍結(jié)狀態(tài)，則需要更低的凍結(jié)溫度。其次，外部壓力的作用會引起土體 內(nèi)水分的重分布。若荷載的增加超過凍結(jié)鋒面所產(chǎn)生的界面能量時，水分則會從高應(yīng)力區(qū)的凍 結(jié)鋒面向低應(yīng)力區(qū)發(fā)生反向遷移，使得土體凍脹急劇減少，甚至停止。2融沉的分析2.1融沉的產(chǎn)生機(jī)理凍結(jié)地層溫度上升，凍土發(fā)生融化，凍土中的冰晶融化成水，土體體積縮小，加上土體 原有結(jié)構(gòu)凍脹時形成的裂縫在融化時的閉合，產(chǎn)生融化沉

7、降；同時凍土在融化過程中未凍水 含量隨地溫的升高而增加，直至達(dá)到相變溫度點(diǎn)，冰全部變成孔隙水，當(dāng)未凍水含量增加到 足以擺脫靜電作用時，土體便在重力和上覆荷載的作用下發(fā)生排水固結(jié)，土顆粒運(yùn)動，孔隙度變小而壓密，產(chǎn)生固結(jié)沉降。融化終結(jié)后，排水固結(jié)并不馬上結(jié)束，而是繼續(xù)進(jìn)行一段時間， 直至土體固結(jié)沉降達(dá)到穩(wěn)定。凍土融化沉降的沉降量與外壓力無關(guān)，而融土固結(jié)產(chǎn)生的沉降與凍結(jié)過程中形成的土粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、冰融化成水釋放的自由孔隙空間以及上覆荷載的大小有關(guān)。通常壓密沉降與正壓力成正比，一般凍土的融沉量要大于凍脹量，有時融沉?xí)優(yōu)橥?陷。融沉的不均勻性及突陷往往會導(dǎo)致地表建筑結(jié)構(gòu)的破壞。2.2融沉的影響因素影

8、響凍土融沉的主要因素有：凍土的含水量（包括凍土中的未凍水和孔隙冰）、冷生構(gòu) 造、干容重、上覆荷載等。2.2.1含水量對融沉的影響凍土含水量的大小是影響凍土融沉的關(guān)鍵因素 ，其含水量包括凍土中的未凍水和孔隙 冰兩個部分，各部分所占比重的大小視凍土所處的負(fù)溫而定，體積含冰量較大的富冰凍土融化 時常產(chǎn)生突發(fā)性下沉變形，而含冰量較少的貧冰凍土融沉?xí)r基本不會產(chǎn)生較大變形。2.2.2冷生構(gòu)造對融沉的影響凍土的融沉與凍土在凍結(jié)過程中所形成結(jié)構(gòu)有關(guān)，凍土的結(jié)構(gòu)對土的融化沉降及壓密沉 降有著直接的影響，通常來講呈整體狀構(gòu)造的凍土 ，其產(chǎn)生的融沉一般不大，而凍結(jié)時呈層狀 或網(wǎng)狀構(gòu)造的凍土一般在融沉過程中會產(chǎn)生較大

9、的沉降變形。223干容重對融沉的影響干容重對凍土融沉的影響是從另一面體現(xiàn)了凍土中含水量的融沉的影響，凍土中含水量小時，干密度相對較大，土體中孔隙體積較少，這樣的凍土在融沉過程中不會產(chǎn)生較大的沉降變形；而在凍土含水量較大的情況下，凍土的干密度較小，土體 中孔隙體積相對較大，該類凍土則在荷載的作用下會產(chǎn)生較大的沉降壓縮變形。 2. 2. 4 荷 載對融沉的影響荷載對融沉的影響主要體現(xiàn)在融土的固結(jié)過程 ，隨著凍土中冰的融化，融土中含水量會 逐漸增大，形成超靜孔隙水壓力，試驗(yàn)表明，融土在較大的荷載作用下，孔隙水壓力會加速 消散，隨著融土中孔隙水的排出，孔隙的壓密，融土將產(chǎn)生較大的壓縮沉降。3地鐵人工凍

10、結(jié)土體凍脹融沉的特點(diǎn)從以上的分析中可以看出，不論是人工凍土還是天然凍土 ，其凍脹融沉的產(chǎn)生機(jī)理及影 響因素都是相同的。但就人工凍土來講，它除具有天然凍土的特征外，還具有其自身的一些特 點(diǎn),主要表現(xiàn)在：(1) 人工凍結(jié)土體所處地層多為淤泥質(zhì)土或粘土地層等，一般含水豐富，在這樣的地層環(huán)境下，易產(chǎn)生較大的凍脹和融沉變形。(2) 凍結(jié)過程中，人工凍結(jié)器表面溫度通常低于-20 ,負(fù)溫梯度隨著凍結(jié)壁的擴(kuò)展由 大變小，凍結(jié)速度由快變慢，凍結(jié)時間相對較短；在凍結(jié)土體融化過程中，周邊的土體溫度 相對較低，溫度梯度較小，但在其相鄰范圍的正溫土體的作用下，凍土溫度會快速升高，在此 相變過程中，由于凍結(jié)土體要吸收大量

11、的熱量，而周邊正溫土體傳導(dǎo)熱量的能力有限，使得凍 結(jié)土體全部融化要經(jīng)歷相對較長的時間。(3) 人工凍結(jié)土體具有三維凍融的特征，在凍結(jié)過程中凍結(jié)鋒面的擴(kuò)展垂直于凍結(jié)管 軸線方向，冰晶分布平行于凍結(jié)管軸線方向；在凍土融化過程中，熱量是由周圍土體或結(jié)構(gòu) 向凍土內(nèi)部擴(kuò)散，凍土從周邊邊界開始融化。此外，人工凍結(jié)土體的凍融過程中水分的聚集和 消散同樣具有明顯的三維特征。(4) 人工凍結(jié)壁作為臨時支撐結(jié)構(gòu)一般要承受一定的荷載作用，在凍結(jié)過程中荷載通常對土體的凍脹具有一定的限制和約束作用，而在融沉過程中，由于受荷載作用的影響，融 土中的孔隙水會迅速排出，土體逐漸被壓實(shí)、 壓密。4制定防范措施我們此次施工范圍內(nèi)

12、土層主要為第四系全新中統(tǒng)相層粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和第四系上更新統(tǒng)三組相層粉質(zhì)粘土，其土層土質(zhì)松軟、結(jié)構(gòu)松散、孔隙比較大，含水豐富、承載 力低、容易壓縮和在動力作用下易流變、土體內(nèi)聚力小等特點(diǎn)，在我們經(jīng)過對凍結(jié)土體凍漲融沉產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素充分分析及研究的基礎(chǔ)上，參照以往聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工經(jīng)驗(yàn)，考慮到施工中將可能面臨或出現(xiàn)的各種問題，有針對性的提出了以下技術(shù)控制要點(diǎn)：(1) 為防止凍結(jié)土體的凍脹融沉給隧道及地面帶來不利影響 ，在聯(lián)絡(luò)通道實(shí)施土體凍結(jié) 前期，根據(jù)凍結(jié)管的布置，及時在凍結(jié)帷幕內(nèi)對稱設(shè)置數(shù)個壓力釋放觀測孔 ，凍結(jié)開始后根 據(jù)檢測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行泄壓以防凍脹，保證聯(lián)絡(luò)通道開挖及結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量

13、；開挖后,及時在結(jié)構(gòu) 的外層臨時支護(hù)(鋼格柵)背板后用水泥砂漿充填密實(shí)，利用隧道或聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的注漿跟蹤注 漿加以補(bǔ)強(qiáng)，以補(bǔ)償土層融沉，控制地表變形。(2) 由于混凝土和鋼管片相對于土層更易散熱，并且會影響隧道管片附近土體的凍結(jié) 質(zhì)量,從而影響凍土整體穩(wěn)定性和封土性。為此，我們考慮在冷凍區(qū)域隧道管片上鋪設(shè)保溫層， 在其對面隧道管片加設(shè)冷凍板等保溫措施 ，切斷由于溫度變化，而出現(xiàn)外界水源補(bǔ)給的現(xiàn)象， 以消除凍土帷幕可能存在影響安全的薄弱環(huán)節(jié)。(3) 加強(qiáng)凍結(jié)過程檢測，在凍土帷幕內(nèi)布置測溫孔，以便正確測定凍土帷幕厚度和判斷 凍土帷幕是否交圈，并配合壓力釋放觀測孔進(jìn)行檢測，在凍脹達(dá)到一定壓力時，及時泄

14、壓，減 少對周圍土體及隧道的影響。(4) 在凍結(jié)、 開挖兩側(cè)隧道內(nèi)均增設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力支撐，以防打開聯(lián)絡(luò)通道留口管片時， 隧道產(chǎn)生過大變形，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。(5) 在凍結(jié)過程中，加強(qiáng)積極、維護(hù)凍結(jié)的質(zhì)量控制，使帷幕形成整體狀凍結(jié)土體，消 除后期冷生構(gòu)造對融沉產(chǎn)生的不利影響。(6) 由于凍土的蠕變形很強(qiáng)，如遇凍土帷幕有明顯變形，溫度明顯回升，立即用預(yù)制格 柵加背板支撐，必要時調(diào)整開挖構(gòu)筑工藝，并同時加強(qiáng)凍結(jié)，防止融沉過大，對周圍環(huán)境產(chǎn)生不 利影響。(7) 由于聯(lián)絡(luò)通道的開挖和支護(hù)層施工時間較凍土帷幕的化凍時間短 ，根據(jù)礦山井筒凍 結(jié)經(jīng)驗(yàn)，由于偶然停凍對開挖安全不會產(chǎn)生大的影響。 但是，為了提高施工安

15、全性，應(yīng)選用可 靠的凍結(jié)施工設(shè)備。(8) 在聯(lián)絡(luò)通道集水井部分施工時，一般應(yīng)割除其內(nèi)凍結(jié)管，在此期間將結(jié)束人工凍結(jié) 因此，必須合理安排、 保證連續(xù)施工，盡量減少溫度對其影響，同時，加強(qiáng)停凍時的凍工帷 幕監(jiān)測,以便及時采取相關(guān)措施。(9) 由于人工凍結(jié)土體具有三維凍融的特征，因此，在聯(lián)絡(luò)通道砼襯砌結(jié)構(gòu)中，分別在 結(jié)構(gòu)頂面、四周側(cè)面等處設(shè)置注漿孔，預(yù)埋注漿管，在施工后期，采用注漿方式以補(bǔ)償解凍后 出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)與凍結(jié)土體間的孔隙，消除融沉可能造成的變形，注漿應(yīng)配合凍土帷幕融化過程 進(jìn)行，開始可注粘土水泥漿。(10) 在整個施工及解凍過程中，嚴(yán)密監(jiān)測隧道變形，特別是在解凍初期15d內(nèi)，做好 跟蹤補(bǔ)償注漿

16、工作，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，應(yīng)及時在變形較大部位周圍或?qū)?yīng)面進(jìn)行注漿 ，確 保隧道等安全。5實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)2005年1月11日 2005年6月11日，我們在北方某城市地鐵聯(lián)絡(luò)通道I區(qū)間、U區(qū) 間進(jìn)行了兩個聯(lián)絡(luò)通道(含集水井)的凍結(jié)法施工，由于聯(lián)絡(luò)通道上方10m左右為該城市主 干道,施工期間，交通正常運(yùn)行，凍結(jié)前后上部荷載不會有較大變化，在采取上述措施的同時， 除加強(qiáng)監(jiān)測外，未考慮荷載影響，鑒于聯(lián)絡(luò)通道所處位置上方分布有較多的建筑物等，因此,我們在地面、房屋、 管線布置了 50個監(jiān)測點(diǎn)，在隧道內(nèi)布置了 162個監(jiān)測點(diǎn)，從凍結(jié)鉆孔開始至施工結(jié)束后70d左右進(jìn)行了地面變形、隧道內(nèi)沉降、 水平、收斂等監(jiān)測，以

17、檢查聯(lián)絡(luò)通道在凍結(jié)前期、施工過程及后期，凍脹融沉是否給隧道及周圍環(huán)境帶來不利影響，我們從 隧道內(nèi)162個監(jiān)測點(diǎn)中，選取24個點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從凍結(jié)開始至解凍脹融沉的監(jiān)測數(shù)據(jù)看，凍結(jié) 周圍的土體發(fā)生或多或少的變形，其中隧道內(nèi)監(jiān)測值均控制在-10 10 mm以內(nèi)，另從地面監(jiān) 測的數(shù)據(jù)看，地面沉降值均控制在-30 10 mm以內(nèi),凍漲基本發(fā)生在凍結(jié)期，其中波動主要 在凍結(jié)30d以后,融沉發(fā)生在解凍后，解凍周期一般為1 2個月，在此期間，變形波動緩慢、 平穩(wěn),因此，在施工中嚴(yán)格按照科學(xué)、合理的施工方案進(jìn)行施工與控制，凍脹、融沉不會對地 鐵隧道產(chǎn)生不利或負(fù)面影響。參考文獻(xiàn)1 筍松平，等天津地鐵1號線下瓦房一一

18、白樓旁通道凍結(jié)帷幕的設(shè)計與施工重點(diǎn)分析J.煤炭工程,2006, 3: 41-432 李智毅，楊裕云工程地質(zhì)學(xué)概論M.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1994.3 （前）蘇聯(lián)工程地質(zhì).（前）蘇聯(lián)歐洲地區(qū)M 莫斯科：能源出版社，1992.4 袁聚云，徐超，趙春風(fēng)，等.土工實(shí)驗(yàn)與原位測試M.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004. 周幼吾，郭東信，邱國慶，等.中國凍土 M.北京:科學(xué)出版社，2000.6 朱林楠.凍土工程地質(zhì)勘測中的熱穩(wěn)定性評價方法A.青藏凍土研究論文集C.北京：科學(xué)出版社.1982. 179 - 184.7 丁德文試論我國多年凍土平面分布類型的分區(qū)指標(biāo)J.中國地理學(xué)會冰川凍土學(xué)術(shù)會議論文選集凍土學(xué)北京：科學(xué)出版社1982.70-738 童伯良.青藏高原多年凍土的某些特征及