人工地层冻结技术是一种在工程领域中广泛采用的技术,主要应用于地下工程,如立井、隧道、城市地铁和超深基坑等施工中。这些工程常常遇到含水、软弱、破碎、低强度的地层,给施工带来极大难度。利用人工地层冻结技术,能够加固松散、含水地层,显示出适应性强、可靠性高、无污染、设备简单、技术经济效果好的特点。此技术尤其在西欧国家的地下工程,以及在我国上海、广州等地的地下工程中得到应用。
冻胀是土体冻结过程中发生的一种现象,它是由土体中水分在冻结过程中体积膨胀引起的。冻胀会使得地表发生不均匀变形,有可能对上部结构或建筑物造成破坏,因此有效控制冻胀是人工冻结技术应用中的关键问题。为了解决这一问题,人们已经提出了多种方法,包括机械法、热物理法、物理化学法和综合法等。
文章中提到的间歇冻结模式是人工地层冻结技术中的一项创新,它对抑制冻胀的产生和发展有积极作用。间歇冻结模式的特点是具有较高的冻土区温度、较低的未冻土区温度梯度以及较小的冻结速率,这些特性都有利于抑制冻胀的发生。在间歇冻结模式中,冻土区的温度会在一定范围内波动,形成冻土和未冻土交替的间歇阶段。这种间歇阶段有助于提高末透镜体的分凝温度,进而抑制其生长,最终达到减小冻胀的目的。
末透镜体是指在土体冻结过程中形成的冰透镜体。冰透镜体的生长会导致土体表面发生显著变形,因此,控制冰透镜体的生长是控制冻胀的关键。传统冻结模式,如连续冻结模式,会导致末透镜体发育良好,其厚度对总体冻胀量的影响最大。在连续冻结模式下,末透镜体能够得到充分发育,而间歇冻结模式则通过间歇阶段来抑制末透镜体的生长。
在进行间歇冻结模式的冻胀控制时,需要考虑土体冻结过程中末透镜体的发育状况对冻胀量的影响。为了简化分析,研究人员建立了一种广义准静态分析方法,即在末透镜体形成后,随着分凝温度的变化,土体的主动区(活动透镜体以下)作广义准静态响应。在此基础上,建立了末透镜体生长的广义准静态分析方法,并指出末透镜体的生长速度由分凝温度的变化决定。
文章提出,较高的分凝温度会导致吸水速率的降低,从而抑制末透镜体的生长。通过分析末透镜体的生长速度与分凝温度之间的关系,进一步证明了这一观点。控制冻深的间歇冻结模式的机理,就是在间歇阶段促使末透镜体的分凝温度升高,抑制末透镜体的生长,达到减小冻胀的目的。
总体来说,文章深入分析了间歇冻结模式控制人工冻土冻胀的机理,通过广义准静态分析方法建立了末透镜体生长模型,并通过实验验证了模型的适用性。研究结果对于工程实践中的冻胀控制提供了理论依据,有助于改进人工冻结技术,减少冻胀带来的负面影响。