井巷特殊施工（第二章 冻结法（节5 冻土物理力学课件.ppt

第2章 冻结法,1 概述2 蒸汽压缩制冷3 冻结法施工4 冻结方案5 冻土物理力学性质6 冻结温度场7 冻结壁计算8 冻结井壁9 冻结法设计计算,第2章 冻结法,5 冻土物理力学性质5.1 冻土的形成5.2 冻土的热物理性质5.3 冻土的力学性质,冻结法凿井中的冻土是泛指在含水的表土层或基岩，当温度降至结冰温度(一般为0)或更低时，使大部分水冻结，并胶结了固体颗粒，或充填岩层的裂隙。这些被冻结了的土或岩石统称冻土。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.1 冻土的形成,地下水对冻土形成的影响冻土形成的过程，实质上是土中水结冰并胶结固体颗粒的过程。土中水的冻结与普通净水的冻结有着一些不同的特点，诸如：冻土中存在着未冻水、冻结后物理性质的变化等。要了解这些特点，必须先了解土颗粒与水的相互作用。土颗粒表面带负电荷，当水和土粒接触时就会在这种静电引力下发生极化作用，使靠近土粒表面的水分子失去自由活动的能力而整齐地、紧密地排列起来，距土粒表面越近，静电引力强度越大，对水分子的吸附力也越大，而形成层密度很大的水膜，叫作吸附水或强结合水。离土粒表面稍远，静电引力强度减小，水分子自由活动能力增大，这部分水叫薄膜水或弱结合水。再远则水分子主要已受重力作用控制，形成所谓毛细水(一般归属于弱结合水的范围)。更远的水只受重力的控制，叫重力水(自由水)，就是普通的液态水。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.1 冻土的形成,第2章 冻结法,地下水对冻土形成的影响 综上所述，土中水一般可分为吸附水，薄膜水和自由水三种。以吸附水和薄膜水组成的结合水。结合水的密度增大，冰点降低。其中吸附水的厚度只有几十个水分子厚，比重为1214，最低冰点为186，呈不流动状态，它在土层的总含水量中占约为022。薄膜水的比重也大于l，冰点低于0，一般在2030时才全部冻结。在冻结法凿井的条件下，大部分薄膜水被陈结。未被冻结的水称末冻水。薄膜水的显著特征是能直接从一个土粒表面迁移到另一个土粒表面，这种移动是缓慢的，而且只能从厚膜向薄膜移动。自由水存在于上坡或岩石的孔隙中，它与普通的水相同，服从重力定律，能传递静水压力，比重般为1，在个大气压下其冰点为0。冻结法凿井时主要是冻结自由水，它在地层中含量的多少，直接影响着冷量的消耗、冻结速度和冻土强度。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.1 冻土的形成,地下水对冻土形成的影响粘土的颗粒小且成片状，其结合水的含量最多，而砂土则次之，粗砂、砾石层或裂隙岩层则绝大部分为自由水，结合水可忽略不计。末冻水含量与温度、地下水pH值、压力有关。冻土中末冻水的存在对冻土的强度和热物理性质有着极大的影响。例如，在同样的负温和同样的含水量情况下，冻结砂砾的强度就要比冻结粘土的强度高。这是由于砂砾中的水几乎全部冻结成冰，把土粒牢固地胶结在一起；而在粘土中则存在着相当数量的未冻水，土粒被胶结的程度差，所以强度就低。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.1 冻土的形成,第2章 冻结法,岩土中水冻结过程实验表明，土中水冻结过程曲线(土冻结时某一点的温度变化) 大致可分为五个阶段：1冷却段：向土层供给冷量后，在初期使土体（包括土粒、水和气）逐步降温以致达到水的冰点；2一过冷段 土体降温至0以下，但自由水仍不结冰，产生水的过冷现象；3一温度突变段 水过冷以后，只要一开始结晶，就有结冰潜热放出，温度迅速上升；4一冻结段 温度升至0或其附近后稳定下来，土体孔隙中的水便发生结冰过程，使土胶结为冻土；5一冻土继续冷却段 随着温度的降低，冻土强度逐渐增高。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.1 冻土的形成,第2章 冻结法,岩土中水冻结过程在整个冻土形成过程中水变成冰的冻结段是最重要的过程它是使土的物理力学性质发生质变的过程，也是消耗冷量最多的过程。开始冻结的温度称为起始冻结温度，其值取决于水溶液的含盐浓度。含盐量越大时，起始冻结温度越低。一般在含水丰富的砂砾层起始冻结温度约为0；在亚砂土和粘土约为-0.03 -0.2或更低。在冻土的形成过程中，往往伴生着水的过冷现象和水分迁移。在结冰之前，若水中没有结晶核，则水温低于0仍不结晶，就产生过冷现象。过冷温度的数值取决于冷却情况。当温度梯度大时，仅在水结冰的初期才可能产生。开始结冰以后，这种现象就不再发生或很不明显了。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.1 冻土的形成,岩土中水冻结过程 土层冻结时发生水分向冻结面转移的现象，即所谓水分迁移。由于土粒间彼此的距离很小，甚至互相接触，所以相邻两个土粒的薄膜水就汇合在一起形成公共水化膜。在冻结过程中，增长着的冰晶不断地从邻近的水化膜中夺走水分，造成水化膜的变薄。而相邻的厚膜中的水分子又不断地向薄膜补充。这样，依次传递就形成了冻结时水向冻结面的迁移。由于分子引力的作用，变薄了的水膜也要不断地从自由水中吸取水分，这就使冻土的水分增大。水变成冰时其体积要增大9，当这种体积膨胀足以引起土颗粒间的相对位移时，就形成冻土的冻胀，并随之产生极大的冻胀力。由于水分迁移，变成冰的那部分水量增大，土的冻胀量亦增大，水分迁移使冻土的冻胀加剧。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.1 冻土的形成,岩土中水冻结过程水分迁移和冻胀与土性、水补给条件和冻结温度等有密切关系。在细粒土中，特别是粉质亚粘土和粉质亚砂土中的水分迁移最强烈，冻胀最甚。粘土虽然颗粒很细，但其含水量小，其冻胀性稍次于粉质亚粘土和亚砂土。砂、砾由于颗粒粗，冻结时一般不发生水分迁移。外部水分补给条件是影响水分迁移和冻胀的重要因素之一。温度梯度越大，水分迁移和冻胀越小。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.1 冻土的形成,冻土是由矿物颗粒、冰、未冻水和气体所组成的四相物体。冻土和末冻土的热物理性质有很大差别，是由于土中水处在不同相态时或者正在发生相变时的特性所决定的。描述冻土热物理性质的主要指标有导热系数、比热及导温系数。导热系数 根据傅立叶定律，在固体中某过热断面上传递的热流密度与其法线方向上的温度梯度成正比，这个比例系数称为导热系数。表示物体传热的难易程度。一般用“”表示，单位是W/(mK)。工程中采用的是平均导热系数。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.2 冻土的热物理性质,比热 使lkg质量的冻土温度改变1K，所需要吸收(或放出)的热量称为比热，用符号c表示，单位kJ/(kgK)。若略去冻土中的气相成分，融土和冻土之比热可按下式计算： 容积比热。单位体积岩土温度变化1K时，所吸收（或）放出的热量。用“C”表示，单位kJ/(m3K)。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.2 冻土的热物理性质,导温系数 是岩土中温度传递的热惯性指标。表示固体中温度变化的难易程度，用“a”表示。a/C。其单位m2/s。冻土热容量每1m3岩土从原始温度降到某冻结温度所放出的热量（或吸收的冷量）。单位kJ/m3。冻土热容量包括四个部分的热量：QQ1Q2Q3Q4式中 Ql1立方米的土中水由原始温度t。降到结冰温度tb(一般为0) 时所放出的总热量： Q2土中水结冰时放出的潜热量； Q3冻土中的冰由结冰温度降到所需的冻结温度时所放出的热量； Q4土颗粒由原始温度降到设计的平均温度时所放出的热量。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.2 冻土的热物理性质,抗压强度、抗剪强度及流变特征。研究力学性质与冻土温度、未冻水含量、颗粒组成、矿物成分、荷载作用时间以及冻结速度之间的关系。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.3 冻土的力学性质,冻土抗压强度1）冻土温度对抗压强度的影响试验表明，冻土强度随着冻结温度的降低而增大。这是因为随着温度降低，冰的强度和胶结能力增大，冰与土颗粒骨架之间的联结加强，同时使土中原来的一部分未冻水逐步冻结而增加土中含冰量。当负温不太大时，温度对强度的影响较明显。但是，随着负温的继续增加，强度的增长逐渐变慢，所以强度与温度的关系虽然密切，但却不是线性的。苏联学者根据研究结果曾建议用下列两个简单的经验公式之一来计算饱和砂的极限抗压强度：这两个公式的计算结果相差较大，当冻结温度在-8 -12时，相差约为12一17。但作为工程估算还是可以的。我国一般多采用前一个式。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.3 冻土的力学性质,第2章 冻结法,冻土抗压强度2）含水量对冻土抗压强度的影响试验表明，含水量是影响冻土强度的主要因素之一。在土中含水量末达到饱和时，冻土强度随着含水量的增加而提高；但当达到饱和后，含水量继续增加时冻土强度反而会降低。当含水量比饱和含水量大的很多时，冻土强度就降低到和冰的强度差不多了。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.3 冻土的力学性质,第2章 冻结法,冻土抗压强度3）岩土类型（颗粒）对冻土抗压强度的影响土颗粒成分和大小是影响冻土强度的一个重要因素。试验表明，在其他相同的条件下，土颗粒愈粗，冻土强度愈高，反之就低。这主要是由于不同的颗粒成分造成土中所含结合水的差异所引起的。例如，粗砂、砂砾和砾石的颗粒队其中几乎没有结合水，冻土中不存在未冻水，所以冻土强度高。相反，粘土类土颗粒很细，总的表面积很大，因而其表面能也大，在其中含有较多的吸附水和薄膜水，吸附水一般是完全不冻结的，薄膜水也只是部分冻结，因而在冻土中保存了较多的来冻水，使冻土的活动性和粘滞性增加，强度降低。另外，土颗粒的矿物成分和级配对强度也有一定的影响。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.3 冻土的力学性质,第2章 冻结法,冻土抗压强度4）冻结速度对冻土强度的影响冻土形成的快慢速度直接影响到冰的结构。若冻结速度快，冻土中的细粒冰就多，冻土强度就高。相反，若冻结速度慢，冻土中的粗粒冰含量增多，冻土强度相应降低。所以，积极冻结期的冻结状况对冻结壁的形成有重要意义。为此必须尽量降低盐水的温度，这样不仅使冻土由于温度低而强度高，同时也因冻结速度快而进一步增加其强度。国外采用的液氮低温快速冻结新工艺便具有这方面的优点。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.3 冻土的力学性质,第2章 冻结法,冻土抗剪强度,5 冻结物理力学性质,5.3 冻土的力学性质,由于冻土内存在固相水(冰)和少量液相水(未冻水)，所以使其具有显著的流变性，即冻土在荷载作用下应力和应变将随时间而变化的特性。当外力恒定时，冻土的变形随着时间的延长而增大，且没有明显的破坏特征。1）本构方程应力-应变关系：,第2章 冻结法,冻土的流变性,5 冻结物理力学性质,5.3 冻土的力学性质,2）蠕变性冻土的蠕变性是指冻土在应力不变时，应变随时间变化的性质。冻土受力后首先发生瞬时的弹性和塑性变形(OA段)，其后进入蠕变变形时可分成下列几个阶段：1不稳定蠕变（弹性蠕变）阶段(AB)，其变形速度逐渐衰减；2一稳定蠕变（粘塑性流变）阶段(BC)，其变形速度是不变的常数；3蠕变强化（流变速度增大）阶段(CD)，其变形速度，逐渐增大，直到最后脆性破坏(致密的砂类冻土)或塑性流动(粘土类冻土)。实际应用中，不稳定蠕变阶段很短，稳定蠕变阶段应作为我们的主要研究对象，特别是在冻粘土层中，只需计算该阶段的变形速度。,第2章 冻结法,冻土的流变性,5 冻结物理力学性质,5.3 冻土的力学性质,第2章 冻结法,3）强度松弛冻土强度（破坏应力）随着荷载作用时间的延长而降低，称为冻土之强度松弛。荷载作用时间很短时（一般0.51.0h）的强度称为瞬时强度，大于1h的强度称为长时强度。实验室不可能施加过长的时间，一般将200h作用下的破坏应力称为长时强度。冻土强度松弛曲线规律可用松弛方程来描述。,第2章 冻结法,冻土的流变性,5 冻结物理力学性质,5.3 冻土的力学性质,第2章 冻结法,当冻结温度在-4-15时，冻土长时强度与瞬时强度的比值为： (1)长时抗压强度约为瞬时抗压强度的1/21/2.5： (2)长时粘结力约为瞬时粘结力的1/3； (3)长时抗剪强度约为瞬时抗剪强度的1/1.81/2.52 (4)长时抗拉强度约为瞬时抗拉强度的l/121/16。,第2章 冻结法,5 冻结物理力学性质,5.3 冻土的力学性质,冻土的流变性,第2章 冻结法,