井巷特殊施工(第二章 冻结法(节5 冻土物理力学.pptVIP

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“λ”表示，单位是[W/(m·K)]。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/(kg·K)]。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/(m3?K)]。 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＝λ/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