[精華]井巷非凡施工(第二章 解凍法(節(jié)5 凍土物理力學性質(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 凍土物理力學性質(zhì) 6 凍結(jié)溫度場 7 凍結(jié)壁計算 8 凍結(jié)井壁 9 凍結(jié)法設(shè)計計算第2章 凍結(jié)法 5 凍土物理力學性質(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，當溫度降至結(jié)冰溫度(一般為0)或更低時，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)物理力學性質(zhì)5.1 凍土的形成 地下水對凍土形成的影響 凍土形成的過程，實質(zhì)上是土中水結(jié)冰并膠結(jié)固體顆粒的過程。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，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，必須先了解土顆粒與水的相互作用。 土顆粒表面帶負電荷，當水和土粒接觸時就會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的能力而整齊地、緊密地排列起來，距土粒表面越近，靜電引力強度越大，對水分子的吸附力也越大，而形成層密度很大的水膜，叫作吸附水或強結(jié)合水。離土粒表面稍遠，靜電引力強度減小，水分子自由活動能力增大，這部分水叫薄膜水或弱結(jié)合水。再遠則水分子主要已受重力作用控制，形成所謂毛細水(一般歸屬于弱結(jié)合水的范圍)。更遠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)物理力學性質(zhì)5.1 凍土的形成第2章 凍結(jié)法地下水對凍土形成的影響 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，冰點降低。其中吸附水的厚度只有幾十個水分子厚，比重為1214，最低冰點為186，呈不流動狀態(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，冰點低于0，一般在2030時才全部凍結(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土粒表面遷移到另一個土粒表面，這種移動是緩慢的，而且只能從厚膜向薄膜移動。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，在個大氣壓下其冰點為0。凍結(jié)法鑿井時主要是凍結(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)速度和凍土強度。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學性質(zhì)5.1 凍土的形成 地下水對凍土形成的影響 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。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凍土的強度和熱物理性質(zhì)有著極大的影響。例如，在同樣的負溫和同樣的含水量情況下，凍結(jié)砂礫的強度就要比凍結(jié)粘土的強度高。這是由于砂礫中的水幾乎全部凍結(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、相當數(shù)量的未凍水，土粒被膠結(jié)的程度差，所以強度就低。 第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學性質(zhì)5.1 凍土的形成第2章 凍結(jié)法 巖土中水凍結(jié)過程 實驗表明，土中水凍結(jié)過程曲線(土凍結(jié)時某一點的溫度變化) 大致可分為五個階段： 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）逐步降溫以致達到水的冰點； 2一過冷段 土體降溫至0以下，但自由水仍不結(jié)冰，產(chǎn)生水的過冷現(xiàn)象； 3一溫度突變段 水過冷以后，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，土體孔隙中的水便發(fā)生結(jié)冰過程，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，凍土強度逐漸增高。第

6、2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學性質(zhì)5.1 凍土的形成第2章 凍結(jié)法 巖土中水凍結(jié)過程 在整個凍土形成過程中水變成冰的凍結(jié)段是最重要的過程它是使土的物理力學性質(zhì)發(fā)生質(zhì)變的過程，也是消耗冷量最多的過程。 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，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。 在凍土的形成過程中，往往伴生著水的過冷現(xiàn)象和水分遷移。 在結(jié)冰之前，若水中沒有結(jié)晶核，則水溫低于0仍不結(jié)晶，就產(chǎn)生過冷現(xiàn)象。過冷溫度的數(shù)值取決于冷卻情況。當溫度梯度大時，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)物理力學性質(zhì)5.1 凍土的形成 巖土中水凍結(jié)過程 土層凍結(jié)時發(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，所以相鄰兩個土粒的薄膜水就匯合在一起形成公共水化膜。在凍結(jié)過程中，增長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充。這樣，依次傳遞就形成了凍結(jié)時水向凍結(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。水變成冰時其體積要增大9，當這種體積膨脹足以引起土顆粒間的相對位移時，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)物理力學性質(zhì)5.1 凍土的形成 巖土中水凍結(jié)過程 水分遷移和凍脹與土性、水補給條件和凍結(jié)溫度等有密切關(guān)系。在細粒土中，特別是粉質(zhì)亞粘土和粉質(zhì)亞砂土中的水分遷移最強烈，凍脹最甚。粘土雖然顆粒很細，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)時一般不發(fā)生水分遷移。外部水分補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)時或者正在發(fā)生相變時的特性所決定的。描述凍土熱物理性質(zhì)的主要指標有導熱系數(shù)、比熱及導溫系數(shù)。 導熱系數(shù) 根據(jù)傅立葉定律，在固體中某過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，這個比例系數(shù)稱為導熱系數(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熱系數(shù)。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學性質(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算： 容積比熱。單位體積巖土溫度變化

10、1k時，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)物理力學性質(zhì)5.2 凍土的熱物理性質(zhì) 導溫系數(shù) 是巖土中溫度傳遞的熱慣性指標。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) 時所放出的總熱量： q2土中水結(jié)冰時放出的潛熱量

11、； q3凍土中的冰由結(jié)冰溫度降到所需的凍結(jié)溫度時所放出的熱量； q4土顆粒由原始溫度降到設(shè)計的平均溫度時所放出的熱量。 第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學性質(zhì)5.2 凍土的熱物理性質(zhì) 抗壓強度、抗剪強度及流變特征。 研究力學性質(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)物理力學性質(zhì)5.3 凍土的力學性質(zhì) 凍土抗壓強度 1）凍土溫度對抗壓強度的影響 試驗表明，凍土強度隨著凍結(jié)溫度的降低而增大。這是因為隨著溫度降低，冰的強度和膠結(jié)能力增大，冰與土顆粒骨架之間的聯(lián)結(jié)加強，同時使土中原來的一部分未凍水逐步凍結(jié)而增加土中含冰量。 當負溫不太大時，

12、溫度對強度的影響較明顯。但是，隨著負溫的繼續(xù)增加，強度的增長逐漸變慢，所以強度與溫度的關(guān)系雖然密切，但卻不是線性的。 蘇聯(lián)學者根據(jù)研究結(jié)果曾建議用下列兩個簡單的經(jīng)驗公式之一來計算飽和砂的極限抗壓強度： 這兩個公式的計算結(jié)果相差較大，當凍結(jié)溫度在-8 -12時，相差約為12一17。但作為工程估算還是可以的。我國一般多采用前一個式。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學性質(zhì)5.3 凍土的力學性質(zhì)第2章 凍結(jié)法 凍土抗壓強度 2）含水量對凍土抗壓強度的影響 試驗表明，含水量是影響凍土強度的主要因素之一。在土中含水量末達到飽和時，凍土強度隨著含水量的增加而提高；但當達到飽和后，含水量繼續(xù)增加時凍土強度反而會降

13、低。當含水量比飽和含水量大的很多時，凍土強度就降低到和冰的強度差不多了。 第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學性質(zhì)5.3 凍土的力學性質(zhì)第2章 凍結(jié)法 凍土抗壓強度 3）巖土類型（顆粒）對凍土抗壓強度的影響 土顆粒成分和大小是影響凍土強度的一個重要因素。試驗表明，在其他相同的條件下，土顆粒愈粗，凍土強度愈高，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其中幾乎沒有結(jié)合水，凍土中不存在未凍水，所以凍土強度高。相反，粘土類土顆粒很細，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凍水，使凍土的活動性和粘滯性增加，強度降低。另外，土顆粒的礦物成分和級配對強度也有一定的影響。第2章 凍結(jié)法5 凍結(jié)物理力學性質(zhì)5.3 凍土的力學性質(zhì)第2章 凍結(jié)法 凍土抗壓強度 4）凍結(jié)速度對凍土強度的影響 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，凍土中的細粒冰就多，凍土強度就高。相反，若凍結(jié)速度慢，凍土中的粗粒冰含量增多，凍土強度相應(yīng)降低。所以，積極凍結(jié)期的凍結(jié)狀況對凍結(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度高，同時也因凍結(jié)速度快而進一步增加其強度。國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。 第2章 凍結(jié)

15、法5 凍結(jié)物理力學性質(zhì)5.3 凍土的力學性質(zhì)第2章 凍結(jié)法 凍土抗剪強度 5 凍結(jié)物理力學性質(zhì)5.3 凍土的力學性質(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)變將隨時間而變化的特性。當外力恒定時，凍土的變形隨著時間的延長而增大，且沒有明顯的破壞特征。 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)物理力學性質(zhì)5.3 凍土的力學性質(zhì) 2）蠕變性 凍土的蠕變性是指凍土在應(yīng)力不變時，應(yīng)變隨時間變化的性質(zhì)。 凍土受力后首先發(fā)生瞬時的彈性和塑性變形(oa段)，其后進入蠕變變形時可分成下列幾個階段： 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(粘土類凍土)。 實際應(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象，特別是在凍粘土層中，只需計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)物理力學性質(zhì)5.3 凍土的力學性質(zhì)第2章 凍結(jié)法 3）強度松弛 凍土強度（破壞應(yīng)力）隨著荷載作用時間的延長而降低，稱為凍土之強度松弛。荷載作用時間很短時（一般0.51.0h）的強度稱為瞬時強度，大于1h的強度稱為長時強度。實驗室不可能施加過長的時間，一般將200h作用