现代土木工程施工技术冻结法施工.pptx

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1、会计学 1现代土木工程施工技术冻结法施工4 4、主要施工技术、主要施工技术（1 1）水平成孔）水平成孔 机具、钻孔偏斜与测斜问题 机具、钻孔偏斜与测斜问题（2 2）冻胀、融沉的控制）冻胀、融沉的控制衰减冻胀量主要措施：衰减冻胀量主要措施：a a 间歇冻结，人为控制冻结壁的发展；间歇冻结，人为控制冻结壁的发展；b b 开挖卸压槽，减少水平冻胀力；开挖卸压槽，减少水平冻胀力；c c 把不需要的冻土体积减少到最低限；把不需要的冻土体积减少到最低限；d d 用真空泵抽取多余水分 用真空泵抽取多余水分减少融沉措施：减少融沉措施：人为加速地层融化速度和地层注浆的方法。人为加速地层融化速度和地层注浆的方法。

2、第1页/共1 1页11.2 地层冻结原理1 1、冻土的组成、冻土的组成 冻结土体是一个多相和多成分混合体系，由水、各种矿物 冻结土体是一个多相和多成分混合体系，由水、各种矿物和化合物颗粒、气体等组成。和化合物颗粒、气体等组成。土中的水可有自由水、结合水、结晶水三种形态。土中的水可有自由水、结合水、结晶水三种形态。当温度降到负值时，土体中的自由水结冰并将土体颗粒胶 当温度降到负值时，土体中的自由水结冰并将土体颗粒胶结在一起形成整体。结在一起形成整体。土中水结冰的五个过程：（1）冷却段：土体逐渐降温到冰点。（2）过冷段：土体降温到0C以下，自由水尚不结冰，呈现过冷现象。（3）突变段：水过冷后，一旦

3、结晶就立即放出结冰潜热，出现温升过程。（4）冻结段：温度上升到接近0C时固定下来，土体中的水便产生结冰过程，矿物颗粒胶结为一体形成冻土。（5）冻结继续冷却，冻土的强度逐渐增大。第2页/共1 1页2 2、地下水对冻结的影响、地下水对冻结的影响（1 1）水质影响）水质影响 水中含有一定的盐分时，水溶液的结冰温度就要 水中含有一定的盐分时，水溶液的结冰温度就要降低。降低。（2 2）水的性态影响）水的性态影响 土质结构、土的固结度、土的渗透性、土中水流 土质结构、土的固结度、土的渗透性、土中水流速度等对冻结速度都有一定的影响。速度等对冻结速度都有一定的影响。3、温度场和冻结速度（1）冻结地层的温度场

4、地层冻结是通过一个个的冻结器向地层输送冷量的结果。这样在每个冻结器的周围形成以冻结管为中心的降温区，分围冻土区、融土降温区、常温土层区。地层中温度曲线呈对数曲线分布。第3页/共1 1页11.2 地层冻结原理（2 2）土的冻结速度）土的冻结速度 冻结器间距：冻结器间距：是影响冻柱交圈和冻结壁扩展速度的主要 是影响冻柱交圈和冻结壁扩展速度的主要因素，冻结器间距增大，交圈时间延长，冻结壁扩展速度减 因素，冻结器间距增大，交圈时间延长，冻结壁扩展速度减慢。慢。冻结圆柱的相交初期：冻结圆柱的相交初期：交圈界的厚度发展较快，很快能 交圈界的厚度发展较快，很快能赶上其他部位厚度。赶上其他部位厚度。冻结壁扩展

5、速度：冻结壁扩展速度：随土层颗粒的变细而降低，砂层的冻 随土层颗粒的变细而降低，砂层的冻结速度比黏土快。结速度比黏土快。冻结器内的盐水温度和流动状态：冻结器内的盐水温度和流动状态：是影响冻土扩展速度 是影响冻土扩展速度的重要因素。盐水量降低，冻结速度提高，盐水由层流转向 的重要因素。盐水量降低，冻结速度提高，盐水由层流转向紊流，冻结速度提高 紊流，冻结速度提高20%20%30%30%。冻结圆柱的交圈时间：冻结圆柱的交圈时间：与冻结器间距、盐水温度、盐水 与冻结器间距、盐水温度、盐水流量和流动状态、土层性质、冻结管直径、地层原始温度等 流量和流动状态、土层性质、冻结管直径、地层原始温度等有关。有

6、关。第4页/共1 1页11.2 地层冻结原理4 4、冻胀和融沉、冻胀和融沉 土体冻结时有时会出现 土体冻结时有时会出现冻胀现象 冻胀现象。原因是水结冰时体积。原因是水结冰时体积要增加 要增加9%9%，并有水迁移现象。，并有水迁移现象。当土体变形受到约束时就要显现 当土体变形受到约束时就要显现冻胀力 冻胀力。土冻结膨胀的体积与冻结前体积比称 土冻结膨胀的体积与冻结前体积比称冻胀率 冻胀率。把无约束情况下冻土的膨胀称为 把无约束情况下冻土的膨胀称为自由冻胀率 自由冻胀率。把不使冻土产生体积变形时的冻胀力称为 把不使冻土产生体积变形时的冻胀力称为最大冻胀力 最大冻胀力。把开始产生冻胀的最小含水量称为

7、 把开始产生冻胀的最小含水量称为临界冻胀含水量 临界冻胀含水量。土的冻胀和土质、含水量及土质结构有密切关系。土的冻胀和土质、含水量及土质结构有密切关系。砂土、砾石这样的动水地层一般不会出现冻胀现象。冻 砂土、砾石这样的动水地层一般不会出现冻胀现象。冻胀现象主要出现在粘性土质的冻结过程中。胀现象主要出现在粘性土质的冻结过程中。第5页/共1 1页11.3 人工冻土的力学特性1 1、冻土特性、冻土特性 冻土是一种非均质、各向异性的非弹性材料。冻土是一种非均质、各向异性的非弹性材料。表现有：流变特性（蠕变）；表现有：流变特性（蠕变）；松弛特性；松弛特性；强度随时间降低。强度随时间降低。2 2、冻土强度

8、、冻土强度 冻土的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种。其影 冻土的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种。其影响因素有：颗粒成分、土温、含水量、应变速 响因素有：颗粒成分、土温、含水量、应变速率 率 第6页/共1 1页11.4 常规盐水冻结1 1、常规冻结的施工工序、常规冻结的施工工序 冻结孔钻进 冻结孔钻进 冻结器安装 冻结器安装 制冷站和供冷管安装 制冷站和供冷管安装 地 地层冻结试运转 层冻结试运转 地层冻结运转、维护和土木建筑施工。地层冻结运转、维护和土木建筑施工。2 2、冻土壁结构设计、冻土壁结构设计 圆形和椭圆形帷幕、直墙和重力坝连续墙、连拱形冻土连续 圆形和椭圆形帷幕、直墙和重力坝连续墙

9、、连拱形冻土连续墙。墙。3 3、冻土壁参数设计、冻土壁参数设计 冻土壁厚度、平均温度、布孔参数、冻结时间。冻土壁厚度、平均温度、布孔参数、冻结时间。4、制冷设计 根据冻土孔数、冻结孔间距、盐水温度、盐水流量、管路保温条件，计算冻结需冷量。根据需冷量、设备新旧水平、工作条件，计算冻结站的装备制冷量。5、辅助系统设计 盐水管路设计、清水管路设计、盐水管路的保温设计、地层冻结观测设计。第7页/共1 1页11.5 液氮冻结1 1、原理、原理 利用液氮在冻结器内汽化吸热后，气氮经管路排 利用液氮在冻结器内汽化吸热后，气氮经管路排出地面，管路周边急剧冻结。出地面，管路周边急剧冻结。优点：设备简单、施工速度

10、快，适用于局部特殊 优点：设备简单、施工速度快，适用于局部特殊处理和快速抢险和快速施工。处理和快速抢险和快速施工。液氮是一种比较理想的制冷剂，无色透明、稍轻 液氮是一种比较理想的制冷剂，无色透明、稍轻于水、惰性强、无腐蚀、对震动、电火花是稳定的。于水、惰性强、无腐蚀、对震动、电火花是稳定的。一个大气压下，液氮的汽化温度为 一个大气压下，液氮的汽化温度为-195.81C-195.81C，蒸发潜热为 蒸发潜热为47.9kcal/kg 47.9kcal/kg。第8页/共1 1页11.5 液氮冻结2 2、液氮冻结特征、液氮冻结特征（1 1）液氮冻结属深冷冻结，冻土温度较常规冻）液氮冻结属深冷冻结，冻土

11、温度较常规冻结低，梯度大，冻结器管壁温度达 结低，梯度大，冻结器管壁温度达180C 180C，温度曲，温度曲线呈对数曲线分布。线呈对数曲线分布。（2 2）冻土温度变化与液氮灌注状况关系很大。）冻土温度变化与液氮灌注状况关系很大。（3 3）液氮冻结地层初期冻结速度极快，但随时）液氮冻结地层初期冻结速度极快，但随时间和冻土扩展半径的发展而逐渐下降。间和冻土扩展半径的发展而逐渐下降。第9页/共1 1页11.5 液氮冻结3 3、工艺设计、工艺设计（1 1）液氮冻结冻结器的间距不宜过大，一般为）液氮冻结冻结器的间距不宜过大，一般为0.5 0.5 0.8m 0.8m。（2 2）冻结系数与冻结器管壁、土的热物理参数、土）冻结系数与冻结器管壁、土的热物理参数、土的原始温度有关。的原始温度有关。（3 3）灌注状况主要指液氮流量和汽化压力。）灌注状况主要指液氮流量和汽化压力。（4 4）冻结器的设计注重供液管和冻结管的匹配和再）冻结器的设计注重供液管和冻结管的匹配和再冷问题。防止液氮回流。冷问题。防止液氮回流。（5 5）冻土的液氮消耗量是变化的，初期冻结单位冻）冻土的液氮消耗量是变化的，初期冻结单位冻土的消耗量较小，后期增大。土的消耗量较小，后期增大。第10页/共1 1页