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人工冻结土体侧向冻胀特性研究人工冻结法是一种广泛应用于地下工程施工的支护和加固技术，其中土体侧向冻胀特性研究对于确保工程安全和优化冻结参数至关重要。在人工冻结过程中，由于温度降低导致土体中水分迁移并发生相变，土体内部结构发生变化，从而引发体积膨胀。这种侧向冻胀现象会对冻结壁的稳定性、周边环境以及邻近结构物产生重要影响。
本研究主要围绕人工冻结土体的侧向冻胀特性展开，通过理论分析、数值模拟及室内试验相结合的方法，深入探讨冻胀机理及其影响因素。研究表明，土体的矿物成分、颗粒级配、含水率以及外界冻结条件（如温差、冻结时间）是决定侧向冻胀程度的关键因素。随着冻结温度的降低和冻结时间的延长，土体中的水分逐渐向低温区域迁移并在冻结前沿形成冰晶，导致土体体积增大，进而产生侧向压力。
此外，研究还发现，不同类型的土体表现出显著差异的冻胀特性。例如，黏性土由于其孔隙结构和毛细作用较强，通常表现出更大的冻胀潜力；而砂性土因孔隙较大且连通性较好，冻胀效应相对较小。针对这一现象，可通过调整冻结参数（如优化制冷剂温度或控制冻结范围）来减小侧向冻胀对工程的影响。
本研究为人工冻结法的设计与施工提供了重要的理论依据和技术支持，有助于提高冻结工程的安全性和经济性，同时为减少冻胀对周边环境的影响提供了可行方案。
土体的冻胀是指随着温度的降低金沙县杨柳至沙土公路路面大修工程施工组织设计，热交换过程的进行，当土体温度达到土中 水的结冰点时，便产生冻结，伴随着土中孔隙水和迁入水的结晶体、透镜体、冰 夹层等形成的冰侵入土体，引起土体体积增大。冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀 两类。原位冻胀是指冻结过程中孔隙水或已冻土中未冻水的原位冻结，造成体积 增大9%。分凝冻胀是指由于水的迁移使水分聚集在冻结锋面处并冻结，分凝成 冰透镜体，造成体积增大1.09倍
2.2.1冻土的基本成分
2土体冻胀特性及其影响因素分析
2.2.2冻土的形成过程
冻土的形成过程，实质上是土中水冻结并将固体颗粒胶结成整体的物理力学 性质发生质变的过程。如图2所示，土中水的冻结过程可以划分为五段： 1一一冷却段：向土层供冷初期，土体逐渐降温达到冰点； 2一一过冷段：土体降温至0℃以下时，自由水尚未结冰，呈现过冷现象； 3一一突变段：水过冷后，一旦结晶就立即放出结冰潜热，出现升温现象； 4一一冻结段：温度上升接近0℃时稳定下来，土体中的水便产生结冰过程， 将矿物颗粒胶结成整体形成冻土； 5一一冻土继续冷却段：随着温度的降低，冻土的强度逐渐增大。
图2冻土中水冻结过程曲线 Fig2Freezing process curve of water in the Soil
冻土中水冻结过程曲线
Fig2 Freezing process curve of water in the Soil
2.2.3土体产生冻胀的因素
安徽理工大学硕士学位论文
自然条件下，温、水、土是影响冻胀的三要素。我们把不同因素对土冻胀特 性的影响研究称为土冻胀敏感性研究。 没有负温，水就不会成冰，体积就不会增大，也就无所谓冻胀，因而温度是 发生冻胀的前提。 只有负温，但含水量很小也不会产生冻胀。水的影响主要体现在土体冻结前 含水量及冻结期的水分补给条件。室内试验时，把有水分补给的条件称为开放条 件：无水分补给的条件称为封闭条件
2.2.4土中液相水形成结晶中心
水的结晶如同任何液体结晶一样，只有在液体中存在着结晶中心时才能进行 结晶中心存在于被冷却液体中的各种机械夹杂物或者分子起伏表面，是在温度比 液体结晶温度更低的时候才能形成。天然条件下的水都会有含有一定量的杂质， 这些杂质就可能成为结晶的中心。土中可同时具有几种类型的水。受土颗粒表面 强烈吸附的结合水很难组成冰晶格架，而活动性较大的毛细管一—重力水分子往 往易于组成冰晶格架。土颗粒也是促进水结晶的结晶核。随着水体积减少，水的 冷却程度也增大，结晶中心形成的几率相应减少。土体结晶中心形成后就开始冻 结，形成冰胚和冰芽，周围处于负温的水向它靠近，使冰晶逐渐生长。
2.2.5冰晶体增长与冰透晶体的形成
当温度降至土体冻结温度以下时，一个十分平缓的0℃等温线已在土中形成。 土体中冰晶产生后，土中水则在迁移力的作用下移向冰晶体而逐渐结冰，形成冰 晶体。冻结期间，当通过冻结器进入土中的冷能与孔隙水结冰而放出的潜热以及 未冻土中传来的热能相平衡时，冻结锋面便相对地稳定在某个位置，靠着土颗粒 及冰晶的吸附力把附近的水分子吸附到自身表面，构成一层水膜，新的冰晶又从 这里产生。这样，在冻结锋面上的冰晶体就不断地增长。土颗粒为了恢复水膜中 吸附力和压力的平衡，就要从邻近处把水分子拉过来，以补充迁移走的水量，这 就产生了向冻结锋面的水分迁移均。在冰晶增长引起的土颗粒间距扩展与土粒 位移过程中，外界水流侵入且结晶，产生冰劈作用会使冻土体分成层理，形成厚 度不等的冰透镜体。当冰晶分凝作用远比土颗粒的薄膜水向冻结锋面迁移大时， 导致有效水分补给区的土体含水量减小，冻结前缘的土体产生收缩。由于冻结锋 面上得不到水分补给而破坏了其热平衡状态，冰透镜体的生长停止。随着土体温
2土体冻胀特性及其影响因素分析
度继续下降，冻结线就前移。在到达土体中含水量较多，水分补给充分的地区， 又出现新的热平衡状态，冻结线就又缓缓地停止移动，冰晶分凝作用又活跃起来 形成新的冰透镜体。这样，冻结过程便形成冻土中透镜体成层分布的规律
2.2.6冻土的热物理性质
冻土是由矿物颗粒、冰、未冻水和气体所组成的四相物体，冻土和未冻土的 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。由于冰的导热系数约为水的四倍，而冰的热容量约为水的二分之一， 所以冻土中的含冰量愈大，其物理性能的差异也愈显著。 描述冻土热物理性质的主要指标有比热、导热系数、导温系数、热容量和冻 结温度。 （1）比热 1kg冻土温度改变1C所需要吸收（或放出）的热量称为比热(C)，试验表明 冻土的比热可按其各物质成份的比热加权平均值计算：
式中：C—冻土的比热(kJ/kg·C)；W—含水量(%)；W—未冻水含量(%); C.、C。、C,一一分别为土颗粒、水和冰的比热(kJ/kg·℃)。 土、水和冰，以及它们所组成的冻土的比热都是随温度而变化的，工程计算 时一般采用平均比热，即冻土在温度变化过程中吸收（或放出）热量的总值与温 度变化总值之比。 （2）导热系数 当温度梯度为1(1m长度上温度降低1°℃)时，单位时间内通过单位面积的热 量称为导热系数(入)，其单位为W/(m·K)，它是反映冻土传热难易的指标。 冻土的导热系数受土层性质、含水率和温度变化的影响。当土性相同时，含 水率愈大，入值也愈大。 （3）导温系数 导温系数是传热过程中的热惯性指标，反映在不稳定传热过程中温度变化速 度的参数称为导温系数a，其值由下式求得：
安徽理工大学硕士学位论文
式中：a—冻土的导温系数(m²/h)；C——冻土的比热(kJ/kg·C); Y一冻土的容重(kg / m3)。 冻土的导温系数随含水量增大而增大，但达到一定含水量以后趋于平 （4）热容量 在冻结过程中，土体从初始温度降到所需要的冻结温度时，每1m?土 的总热量称为土的热容量防波堤与护岸设计规范jts+154-2018，冻土的热容量0可用下式计算：
Q=Q+Q,+Q+Q
W 含水率(%)；C——水的比热(kJ /kg·C)；Y——水的比重(kg /m) O 土中水结冰时放出的潜热量：
2.2.7冻胀及冻胀压力的产生
当孔隙水发生结晶并在冻结锋面附近形成冰透镜体和冰夹层时，土体的冻胀 就由此而产生。这是土中初始水分及迁移来的水分结晶作用的结果。在冰透镜体 形成期间，由于土体冻胀位移，土孔隙水产生负压值，这个负压值与发育冰透镜 体的土体孔隙结构有关，冻胀压力并随之而产生
2.3影响冻土冻胀的因素
冻结过程中水分迁移和冰析作用是产生土体冻胀的直接因素。它们的强弱 要取决于土体颗粒大小、矿物成分、土中水分及补给来源、冻结温度以及外荷载
2土体冻胀特性及其影响因素分析
等因素。为了能正确地采用换砂、隔热保温、切断地下水补给及控制土中水分、 物理化学及适应冻胀变形的建筑物基础与结构形式等方法住宅楼安全施工组织设计，就必须深入了解与掌 握影响土体冻胀的因素2[23]