學(xué)科前沿講座課程報(bào)告

1、凍脹融沉的分析與防范（中國(guó)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(hào)：02100498）摘 要：工程建設(shè)是否對(duì)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(wèn)題。 針對(duì)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(duì)地鐵隧道及周?chē)h(huán)境產(chǎn)生影響，是建設(shè)者和使用者所關(guān)注的問(wèn)題。為此,我們?cè)诒狈侥吵?市地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)

2、法施工中，對(duì)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(guò)程中，由于凍結(jié)管對(duì)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(duì)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(wèn)題。究其原因，主要是由于含水土體在凍結(jié)過(guò)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)引起的凍脹量相對(duì)分凝凍 脹來(lái)講十分微小，因此，我們本次所研究的土

3、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(guò)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(lái)自未凍土的水通過(guò)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(gè)位置 聚集。此時(shí)，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(lái)時(shí)，由于未凍水膜的厚度增大，未凍水的自由能比冰的自由能 高，原來(lái)的熱力平衡狀態(tài)被破壞。在恒定的負(fù)溫下，土

4、水體系通過(guò)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)。隨著分凝冰品便不斷積累，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(guò)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(duì)凍脹的影響土粒表面力場(chǎng)的差異性影響著土凍結(jié)過(guò)程中水分遷移能力，并導(dǎo)致凍脹變形各不相同。 對(duì)于粗顆粒土來(lái)說(shuō),不存在土的礦物成分對(duì)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(lái)。在水分、溫度及凍結(jié)條件大致相似的情況下，各類(lèi)土的凍脹性強(qiáng) 弱大致按下列順序遞減：粉質(zhì)土、亞砂土亞粘土粘土礫石土（小于0. 0

5、5mm粒徑的 含量超過(guò)12% ） 粗砂砂礫石。1.2.2 土中水對(duì)凍脹的影響試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明，只有土中水分超過(guò)一定界限之后才會(huì)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(méi)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(shí)就不再增長(zhǎng)，而在有水源補(bǔ)給的開(kāi)放系統(tǒng)中, 只要條件適宜，凍脹就會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。1.2.3溫度對(duì)凍脹的影響首先，土溫降低引起水結(jié)品、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,

6、溫度梯度愈大，水分遷移量愈小, 凍脹量愈小。1.2.4荷載對(duì)凍脹的影響荷載的增加會(huì)對(duì)土體的凍脹產(chǎn)生抑制作用，首先，荷載的增加會(huì)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(huì)引起土體 內(nèi)水分的重分布。若荷載的增加超過(guò)凍結(jié)鋒面所產(chǎn)生的界面能量時(shí)，水分則會(huì)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，凍土中的冰品融化成水，土體體積縮小，加上土體 原有結(jié)構(gòu)凍脹時(shí)形成的裂縫在融化時(shí)的閉合，產(chǎn)生融化沉降；同時(shí)凍土在融化過(guò)程中未凍水 含量隨地溫的升高而增加，直至達(dá)

7、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(shí),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(dòng)，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(shí)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(wú)關(guān)，而融土固結(jié)產(chǎn)生的沉降 與凍結(jié)過(guò)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(shí)融沉?xí)優(yōu)橥?陷。融沉的不均勻性及突陷往往會(huì)導(dǎo)致地表建筑結(jié)構(gòu)的破壞。2.2融沉的影響因素影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

8、和孔隙冰）、冷生構(gòu) 造、干容重、上覆荷載等。2.2.1含水量對(duì)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(gè)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(shí)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(huì)產(chǎn)生較大變形。2.2.2冷生構(gòu)造對(duì)融沉的影響凍土的融沉與凍土在凍結(jié)過(guò)程中所形成結(jié)構(gòu)有關(guān)，凍土的結(jié)構(gòu)對(duì)土的融化沉降及壓密沉 降有著直接的影響，通常來(lái)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(shí)呈層狀 或網(wǎng)狀構(gòu)造的凍土一般在融沉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的沉降變形。2.2.3干容重對(duì)融沉的影響十容重對(duì)凍土融沉的影

9、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(shí)，十密度相對(duì)較大,土體中孔隙體積較少，這樣的凍土在融沉過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生較大的沉降變形；而在凍土含水量較大的情況下，凍土的十密度較小，土體 中孔隙體積相對(duì)較大，該類(lèi)凍土則在荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的沉降壓縮變形。2. 2. 4荷 載對(duì)融沉的影響荷載對(duì)融沉的影響主要體現(xiàn)在融土的固結(jié)過(guò)程，隨著凍土中冰的融化，融土中含水量會(huì) 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(huì)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

10、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(lái)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：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。凍結(jié)過(guò)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(shí)間相對(duì)較短；在凍結(jié)土體融化過(guò)程中，周邊的土體溫度 相對(duì)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(huì)快速升高，在此 相變過(guò)程中，由于凍結(jié)土體要吸收大量的熱量，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(duì)較

11、長(zhǎng)的時(shí)間。人工凍結(jié)土體具有三維凍融的特征，在凍結(jié)過(guò)程中凍結(jié)鋒面的擴(kuò)展垂直于凍結(jié)管 軸線方向，冰品分布平行于凍結(jié)管軸線方向；在凍土融化過(guò)程中，熱量是由周?chē)馏w或結(jié)構(gòu) 向凍土內(nèi)部擴(kuò)散，凍土從周邊邊界開(kāi)始融化。此外，人工凍結(jié)土體的凍融過(guò)程中水分的聚集和 消散同樣具有明顯的三維特征。人工凍結(jié)壁作為臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)一般要承受一定的荷載作用，在凍結(jié)過(guò)程中荷載通 常對(duì)土體的凍脹具有一定的限制和約束作用，而在融沉過(guò)程中，由于受荷載作用的影響，融 土中的孔隙水會(huì)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)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

12、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(dòng)力作用下易流變、土體內(nèi)聚力小等特點(diǎn)，在我們經(jīng)過(guò)對(duì)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(wèn)題，有針對(duì)性的提出了以下技術(shù)控制要點(diǎn)：為防止凍結(jié)土體的凍脹融沉給隧道及地面帶來(lái)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(shí)在凍結(jié)帷幕內(nèi)對(duì)稱(chēng)設(shè)置數(shù)個(gè)壓力釋放觀測(cè)孔，凍結(jié)開(kāi)始后根 據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行泄壓以防凍脹，保證聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量;開(kāi)挖后，及時(shí)在結(jié)構(gòu) 的外層臨時(shí)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

13、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。由于混凝土和鋼管片相對(duì)于土層更易散熱，并且會(huì)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(duì)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)。加強(qiáng)凍結(jié)過(guò)程檢測(cè)，在凍土帷幕內(nèi)布置測(cè)溫孔，以便正確測(cè)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(cè)孔進(jìn)行檢測(cè)，在凍脹達(dá)到一定壓力時(shí)，及時(shí)泄壓，減 少對(duì)周?chē)馏w及隧道的影響。在凍結(jié)、開(kāi)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(kāi)聯(lián)絡(luò)通道留口管片時(shí)， 隧道產(chǎn)

14、生過(guò)大變形，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。在凍結(jié)過(guò)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(duì)融沉產(chǎn)生的不利影響。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(shí)調(diào)整開(kāi)挖構(gòu)筑工藝，并同時(shí)加強(qiáng)凍結(jié)，防止融沉過(guò)大，對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不 利影響。由于聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖和支護(hù)層施工時(shí)間較凍土帷幕的化凍時(shí)間短，根據(jù)礦山井筒凍 結(jié)經(jīng)驗(yàn)，由于偶然停凍對(duì)開(kāi)挖安全不會(huì)產(chǎn)生大的影響。但是，為了提高施工安全性，應(yīng)選用可 靠的凍結(jié)施工設(shè)備。在聯(lián)絡(luò)通道集水井部分施工時(shí)，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

15、溫度對(duì)其影響，同時(shí)，加強(qiáng)停凍時(shí)的凍工帷 幕監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取相關(guān)措施。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(guò)程 進(jìn)行，開(kāi)始可注粘土水泥漿。在整個(gè)施工及解凍過(guò)程中，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)隧道變形，特別是在解凍初期15d內(nèi)，做好 跟蹤補(bǔ)償注漿工作，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，應(yīng)及時(shí)在變形較大部位周?chē)驅(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?cè)诒狈侥吵鞘械罔F聯(lián)絡(luò)通道I區(qū)間、II

16、區(qū) 間進(jìn)行了兩個(gè)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 十道，施工期間，交通正常運(yùn)行，凍結(jié)前后上部荷載不會(huì)有較大變化，在采取上述措施的同時(shí)， 除加強(qiáng)監(jiān)測(cè)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?cè)诘孛?、房屋、管線布置了 50個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在隧道內(nèi)布置了 162個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從凍結(jié)鉆孔 開(kāi)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(cè)，以檢查聯(lián) 絡(luò)通道在凍結(jié)前期、施工過(guò)程及后期，凍脹融沉是否給隧道及周?chē)h(huán)境帶來(lái)不利影響，我們從 隧道內(nèi)162個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，選取24個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從凍結(jié)開(kāi)始至解凍脹融沉的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，凍結(jié) 周

17、圍的土體發(fā)生或多或少的變形，其中隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)值均控制在-10 10 mm以?xún)?nèi)，另從地面監(jiān) 測(cè)的數(shù)據(jù)看,地面沉降值均控制在-30- 10 mm以?xún)?nèi)，凍漲基本發(fā)生在凍結(jié)期，其中波動(dòng)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(gè)月，在此期間，變形波動(dòng)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(huì)對(duì)地 鐵隧道產(chǎn)生不利或負(fù)面影響。參考文獻(xiàn)笱松平，等.天津地鐵1號(hào)線下瓦房一一白樓旁通道凍結(jié)帷幕的設(shè)計(jì)與施工重點(diǎn)分析J .煤炭工程, 2006, 3: 41-43李智毅，楊裕云.工程地質(zhì)學(xué)概論M.武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1994.（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.袁聚云，徐超，趙春風(fēng)，等.土工實(shí)驗(yàn)與原位測(cè)試M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2004.周幼吾，郭東信,邱國(guó)慶，等.中國(guó)凍土M.北京:科學(xué)出版社,2000.朱林楠.凍土工程地質(zhì)勘測(cè)中的熱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法A.青藏凍土研究論文集C.北京：科學(xué)出版社.1982. 179 - 184.丁德文.試論我國(guó)多年凍土平面分布類(lèi)型的分區(qū)指標(biāo)J.中國(guó)地理學(xué)會(huì)冰川凍土學(xué)術(shù)會(huì)議論文選集凍 土學(xué)北京:科學(xué)出版社1982.70-73童伯良.青藏高原多年凍土的某些特征及其影響因