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第二章 人工冻土融沉特性及预报模型2.1 人工冻土冻胀融沉机理及影响因素分析冻胀是指土中水分冻结成冰时引起的土体体积膨胀。
冻胀外观表现为土层鼓包、开裂、均匀或不均匀隆起，实质为冻结过程中，土中水份（包括土中原孔隙水和外界向冻结锋面迁移、补给的水）冻结成冰，使土中孔隙填充、颗粒触点间的间距扩大，从而引起土颗粒的相对位移。
衡量冻胀的主要指标是冻胀率，冻胀率是指冻结时的冻胀量与冻结深度的比值，其计算公式如下：%100×Δ=fH hη (2-1) 式中:η——冻胀率，%；h Δ——冻胀量，单位mm；f H ——冻结深度，不包括冻胀量，单位mm。
当冻结地层温度上升时，冻土将发生融化，冻土中的冰晶融化成水，体积缩小9%；另外，颗粒接触处的冰融化后，降低了冰和土颗粒包裹体的胶结程度，原来由包裹体承受的部分上部作用力转移到了土骨架上，增大了作用在土骨架上的有效应力，而在此过程中产生的未冻水则减小了土颗粒间的摩擦，土颗粒结构易于调整，在自重应力作用下，土体中的孔隙将被压缩，土体体积减小，发生融沉。
冻土融化后产生的沉降，由融化沉降和压缩沉降两部分组成，分别用融沉系数和融化压缩系数来表示。
融沉系数的大小与压力无关，只与土体本身的属性及冻融条件有关，是衡量土体融沉特性的主要指标，其计算公式为：0α=%1000×Δh h （2-2） 式中: 0α——冻土融沉系数，%；0h Δ——冻土融化下沉量，单位mm； 0h ——冻土初始高度，单位mm。
融化压缩系数反映了在上部荷载作用下融土固结产生的沉降量。
某一压力范围内冻土融化压缩系数的计算公式为：ii ii ic p p S S a −−=++11 (2-3)式中: ic a ——融化压缩系数，单位kPa -1；i S ——某一压力稳定后的单位固结变形量，单位cm/m； i p ——某级压力值，单位kPa 。
某一压力稳定后的单位固结变形量由式2-4计算： i S =h h iΔ （2-4） 式中: i S ——某一压力稳定后的单位固结变形量，单位cm/m； i h Δ——某一压力下的变形量，单位mm； 0h ——冻土初始高度，单位mm。
文章编号:1005－6157(2009)01－052－安徽地质Geology of Anhui第19卷第1期2009年3月V o l .19 N o .1 M a r c h 2009胡清华，崔可锐，赵 川，马文生（合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230009）摘 要：安徽淮南刘庄煤矿主井井塔地基工程采用了人工冻结法施工，因而主井井塔地基土发生冻胀和融沉的变化。
为了工程的安全和井塔的稳定，本文对主井井塔地基的人工冻融土进行了冻胀和融沉模拟试验，并对试验数据进行分析和计算。
本文对人工冻融土冻胀与融沉性质的研究，填补了我国在这方面研究的不足，为今后该方面的工程施工提供了参考依据。
关键词： 主井井塔地基； 人工冻融土 ； 冻胀 ； 融沉中图分类号：TU445;TU43 文献标志码：A融沉量，并结合后面的蠕变沉降量进而求得在井塔压力作用下的总沉降量。
2.2 冻胀试验2.2.1 试验方法本试验是采用上海飞鹰设备厂制造的WDT-100微机控制冻土试验机，并且都是在-10℃的条件下进行无水源补给的试验。
如图1所示，整套冻胀试验装置由试样筒、恒温箱、制冷与温度控制系统、变形监测和加压系统以及计算机读数系统组成，操作步骤主要包括制备土样、恒温冻胀和数据采集。
(1)制备土样：试验设计中所需土样为高6cm，底面积为30cm 2。
利用环刀切取土样，然后取下环刀，安装1 引 言国投新集能源股份有限公司刘庄特大型煤矿，设计生产能力为年产煤炭800万吨，主井井塔高为90m，跨度24m，钢筋混凝土结构，总重量为31000t，可堪称亚洲第一井塔，目前正处于施工过程中。
其主井井筒采用冻结法施工，冻结深度600m，由于工期紧迫，2005年5月初采用人工解冻，解冻深度60m。
人工冻结技术是利用人工冻结方法[1]，降低土体的温度使土体的含水土层形成冻结体，以抵抗地压并隔绝与地下水联系的一种土木工程特殊施工技术。
因而就产生了人冻土的冻胀融沉问题[2]。
人工冻土强制解冻融沉控制研究的开题报告一、选题背景人工冻土是指通过降低土壤温度，使得其中水分在土壤微小孔隙内冻结形成的土层。
在高寒地区，人工冻土已被广泛应用于工程建设中，其主要作用是改善地基土体的强度和稳定性，在各种土力学问题中发挥着重要作用。
然而，在冻土融化过程中，由于土体体积的变化和原有冻土结构的破坏，很容易引起土体沉降和变形等问题，从而对工程安全造成威胁。
因此，探究人工冻土强制解冻融沉控制技术，对于提高工程安全水平和保障工程质量具有重要意义。
二、选题意义随着科技的发展，人工冻土强制解冻技术的应用越来越广泛，然而与此同时，由于地球气温不断升高，冻土融化现象也越来越严重，因此探究人工冻土强制解冻融沉控制技术，对于解决土力学问题、提高工程安全和保障工程质量具有重要意义。
三、主要研究内容和研究方案本研究的主要研究内容是探究人工冻土强制解冻融沉的控制技术。
具体研究内容包括以下三个方面：1.研究冻土融化过程中土体体积变化及原有结构破坏的机理。
通过模拟试验和数值模拟方法，研究冻土融化过程中土体体积变化和原有结构破坏的机理，为强制解冻融沉控制提供理论依据。
2.探究人工冻土强制解冻融沉控制技术。
通过对已有的强制解冻融沉技术的整理和总结，探究不同控制技术的优缺点和适用范围，提出适合不同条件的强制解冻融沉控制技术方案。
3.开展试验研究，验证人工冻土强制解冻融沉控制技术的可行性。
在人工冻土强制解冻的条件下，做好实验设计和试验参数的控制，研究不同控制技术的效果，验证可行性和适用性。
四、预期研究成果本研究旨在探究人工冻土强制解冻融沉控制技术，预期研究成果如下：1.深入探究冻土融化过程中土体体积变化及原有结构破坏的机理和规律。
2.总结已有的强制解冻融沉控制技术，提出适用不同条件的方案。
3.通过试验验证技术方案的可行性和适用性。
四、研究目标和研究进度安排研究目标：1.深入了解人工冻土强制解冻融沉控制技术。
2.掌握冻土融化过程中土体体积变化及原有结构破坏的机理和规律。
⼈⼯冻⼟融沉特性及其对周围环境影响研究_第七章⼈⼯冻⼟融沉防治措施研究_121_第七章⼈⼯冻⼟融沉防治措施研究7.1 引⾔为防⽌⼈⼯冻⼟融沉造成的不利影响，⼯程实践中多采⽤在冻⼟融化时进⾏跟踪注浆的⽅法来减少融沉量，但注浆时间、注浆位置、注浆次数和注浆量主要依靠经验选择，具有盲⽬性。
因此，有必要对融沉注浆进⾏系统的研究。
本章拟以数值模拟为⼿段，在分析解冻⽅式（⾃然解冻、强制解冻、分区强制解冻）、注浆位置、注浆量和注浆次数对地表沉降影响规律的基础上，通过对不同注浆⽅法（⾃然解冻分次注浆，强制解冻分次注浆、分区强制解冻分次注浆）实施效果的⽐较，选出最为合理的融沉注浆⽅法，并给出该⽅法的实施建议。
7.2 融沉注浆机理融沉注浆是浆液置换⼟中⽔，充填⼟中空隙,压密⼟体并使周围⼟体发⽣⽔⼒劈裂,形成⽔平或⽹状浆脉⾻架,加固⼟体的过程。
根据浆液在⼟体中的流动，融沉注浆可分成三个阶段：第I阶段，填充⼟中空隙阶段融沉注浆起初，浆液会渗⼊⼟中孔隙，置换⼟中⽔或充填⼟中空隙,该阶段⼀般注浆压⼒较⼩,吃浆量的⼤⼩取决于⼟的孔隙率。
第II阶段，径向挤密阶段浆液在压⼒的作⽤下，挤向⼟层，并在⼟层中形成圆柱状的浆体，这⼀过程是浆液在⼟中扩张，并使⼟体发⽣径向弹塑性变形的过程。
该阶段属于典型的压密注浆，浆液的作⽤⽅式是以浆液体对⼟体的径向挤密为主。
第III阶段，劈裂流动阶段随着注浆的进⾏，浆液体积不断膨胀，浆液体内压⼒也逐渐上升，当浆液对⼟体的压⼒达到⼀定程度时，超过⼟体的启裂压⼒，浆液在⼟层中将产⽣⽔平⽅向的劈裂流动，在出浆⼝附近形成若⼲向四周延伸的⽔平浆脉。
此时，浆液对⼟体的作⽤⽅式较第⼆阶段发⽣了显著的变化，由第⼆阶段⽔平⽅向的压密转变成为由⽔平浆脉对⼟体的竖向压密，宏观的表现就是浆液对⼟体产⽣了较⼤的向上顶升⼒。
融沉注浆属于地表浅层注浆，注浆材料通常为粒状浆材和化学浆材，其中粒状浆材包括纯⽔泥浆、粘⼟⽔泥浆及⽔泥砂浆三种，注浆压⼒取决于冻⼟壁的埋深，⼀般取冻⼟壁埋深处静⽔压⼒的1.2倍，注浆易采⽤花管，原因是采⽤花管注浆时喷出的断⾯积较钻孔注浆明显增⼤，可⼤⼤减⼩压⼒急剧上升和浆液涌到地表层的可能性。
最新冻土研究报告范文近年来，随着全球气候变化的加剧，冻土研究成为了一个备受关注的领域。
冻土是指处于0℃以下，质点含冰的地层，主要分布在高寒地区。
冻土的研究对于理解地球气候变化、推动生态文明建设以及提升地质工程技术都具有重要意义。
在这篇报告中，我们将介绍最新的冻土研究成果，并探讨其对环境与工程领域的影响。
首先，最新的冻土研究发现了冻土对全球气候变化的响应机制。
研究表明，由于气候变暖，冻土融化速度加快，导致其中的冰层逐渐消失。
这一过程会释放大量的温室气体，如甲烷和二氧化碳，进一步加剧全球变暖。
因此，保护冻土成为了阻止气候变化的重要任务之一。
其次，冻土研究在生态文明建设中发挥了重要作用。
冻土地区的生态环境对于地球生态系统的稳定和可持续发展至关重要。
研究发现，冻土中的微生物能够分解阴寒条件下的有机物质，维持物质循环的平衡，并在冻土融化后释放出的气体中发挥影响。
此外，冻土地区的植被对防止水土流失、保护生物多样性、维持地下水系统等方面也具有重要作用。
因此，通过研究冻土生态系统的结构和功能，可以为冻土地区的生态环境保护与恢复提供科学依据。
最后，冻土研究对于地质工程技术的发展也具有重要意义。
在寒冷地带进行工程建设时，必须考虑和应对冻土的特殊性。
研究发现，冻土存在严重的蠕变性和收缩性，会对建筑物的稳定性造成威胁。
同时，冻土地区的低温和高湿度条件也会对工程材料的性能产生影响。
因此，通过深入研究冻土的力学行为和热力学特性，可以提升工程项目的设计和施工质量，减少工程风险。
综上所述，最新的冻土研究成果在多个领域都发挥着重要作用。
通过研究冻土对全球气候变化的响应、冻土生态系统的保护与恢复、冻土地区的地质工程技术应用等方面，可以推动气候变化的阻止、生态文明的建设以及地质工程技术的发展。
随着科技的不断进步和研究方法的不断改进，相信冻土研究将继续为全球可持续发展做出更大的贡献综上所述，冻土研究在全球可持续发展方面扮演着重要角色。
人工冻土冻胀融沉规律的研究咱们今天聊聊这个人工冻土的冻胀融沉规律。
这可不是普通的土壤，得讲讲那些特殊的、看起来有点让人头疼的物理现象，别急，咱慢慢来，肯定让你听了不闷不乏味，反正就像在跟朋友唠嗑一样！冻土嘛，说白了就是冷得厉害的地方土壤，像是北方的寒冬，地下也是冰冰凉凉的。
你想啊，土壤在低温下会变硬、变脆，甚至冻住水分，那这不就能想象成一块冻住的土地吗？嘿嘿，冷得有点“死板”呢。
但别小看它，一旦气温回暖，什么事都能发生，土壤突然又会松软，甚至融化沉降，嘿，这变化就像大自然给我们的“魔术”表演。
冻土其实并不像你想象的那样简单，它不仅仅是冻住的土壤，还藏着很多“玄机”。
比如说，它有个特别麻烦的特性，就是所谓的“冻胀”，就是说当温度降得特别低的时候，水分在土壤中结冰膨胀，土壤就像发了疯一样，突然变得鼓鼓的、隆起来。
是不是有点像天气冷了你穿的羽绒服一下子膨胀起来？这不就让地面抬高了，像气球一样。
如果你觉得这听起来没啥，那就错了。
这种冻胀对建筑、道路可不是个小麻烦，尤其是在一些冻土区，房屋、道路甚至桥梁，可能都会因此变形，搞得像大白菜一样被抬起来，想想看，公路一块块凹进去，这不就成了“大坑”么！这种冻胀的过程其实很难预测，根本没有规律可言。
你今天可能看着冻土没啥问题，结果第二天一冷，咚的一声，土壤就膨胀起来了，整条道路差点被掀翻。
嗯，天气变化得真快，想当年穿羽绒服都得看天气预报，现在连冻土都要掂量一下气候。
冻土最“耍心眼”的地方就是它的变化无常，温度不一定要很低才能冻胀，只要地下水分和湿度到位，冻胀的现象就会发生。
这时候，要是咱们不小心，就得“赔了夫人又折兵”了，搞不好整个工程就会泡汤，成本得翻倍！不过不得不提个挺有意思的现象——融沉。
什么是融沉？简单来说，就是当冻土融化时，土壤又开始往下沉，感觉就像冰淇淋化了之后流成了水，整个地面开始下沉。
你能想象刚刚膨胀起来的土壤突然又变得沉甸甸的吗？这下沉的速度有时候简直让人惊呆，冰雪消融后，土壤里多余的水分就会把原来那块膨胀起来的地方给压下去，像地面沉降一样，路面不平，房子歪，简直让人有点头痛。
水泥改良土人工冻土性能及抑制冻胀融沉机理研究的开题报告题目：水泥改良土人工冻土性能及抑制冻胀融沉机理研究1.研究背景和意义随着城市化进程的快速发展，土地利用变得越来越紧张，使得建筑和基础设施建设必须依赖于较为薄弱的土壤基础。
同时，随着气候变化带来的极端天气频繁发生，尤其是冻胀融沉问题已成为城市建设中亟待解决的重大问题。
为解决土地资源紧缺和冻胀融沉问题，一种新型的人工冻土工程技术应运而生。
水泥改良土作为一种重要的人工冻土材料，广泛应用于人工冻土工程中，但其性能及机理仍需进一步研究。
因此，本研究旨在深入研究水泥改良土的性能及抑制冻胀融沉的机理，为其在城市建设中的应用提供理论和技术支持。
2.研究内容（1）对水泥改良土的物理性质、力学性质、微观结构进行分析和研究，探究其表观粘聚力、排水能力、抗剪切性能等指标变化规律。
（2）利用模拟室内试验及野外试验，研究水泥改良土在冻融循环过程中的物理力学特性，分析其抗冻胀融沉能力及影响因素。
（3）探究水泥改良土抑制冻胀融沉的机理，分析其表观粘聚力和微观结构对物理力学性能的影响，为进一步提高其抑制冻胀融沉能力提供理论指导。
3.研究方法本研究将采用室内模拟试验及野外试验相结合的方式，从多个方面对水泥改良土的性能进行分析和研究。
其中，室内试验主要包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）等必要的试验设备，而野外试验则采取梅卡土改良与光弹比测定等方法，对水泥改良土的力学性能、微观结构变化情况等进行观测和记录。
4.预期结果及意义本研究预计可以系统研究水泥改良土的物理性质、力学性质和微观结构，为进一步提高其抗冻胀融沉能力提供理论依据和技术支持。
同时，预期结果还可为相关领域的学者研究提供有价值的参考资料。
《冻融作用对封闭系统土壤蒸发影响的实验研究》篇一一、引言土壤蒸发是水文循环中一个至关重要的环节，尤其在封闭系统中，蒸发的影响显得尤为重要。
随着全球气候变暖的趋势，冻融作用的影响也逐渐被广泛关注。
本文以冻融作用对封闭系统土壤蒸发影响为研究对象，通过实验分析，探讨了其作用机制及影响因素。
二、研究背景及意义近年来，全球气候变化导致的极端气候事件频繁发生，冻融作用对土壤环境的影响日益显著。
在封闭系统中，土壤蒸发是水分循环的关键环节，直接影响着土壤的保水能力及生态系统的稳定性。
因此，研究冻融作用对封闭系统土壤蒸发的影响，对于理解水文循环过程、预测气候变化趋势以及保护生态环境具有重要意义。
三、研究方法与实验设计1. 研究方法：本研究采用实验法，通过对比分析冻融作用对封闭系统土壤蒸发的影响，揭示其作用机制。
2. 实验设计：（1）选择具有代表性的土壤样本，分别进行冻融处理和未处理对照实验；（2）在封闭系统中设置蒸发装置，监测土壤蒸发过程；（3）记录不同时间段的土壤温度、湿度、蒸发量等数据；（4）分析冻融作用对土壤蒸发的影响。
四、实验结果与分析1. 冻融作用对土壤温度的影响：实验发现，经过冻融处理的土壤，其温度波动幅度较大，表明冻融作用会改变土壤的温度环境。
2. 冻融作用对土壤湿度的影响：冻融作用会使土壤湿度降低，特别是在融化过程中，水分大量排出，导致土壤干燥。
3. 冻融作用对土壤蒸发的影响：经过冻融处理的土壤，其蒸发速率明显高于未处理对照实验。
这主要是由于冻融作用破坏了土壤结构，使得水分更易蒸发。
同时，冻融过程使土壤表面形成微小裂缝，增加了水分的蒸发面积。
五、讨论与结论1. 冻融作用机制：冻融作用通过改变土壤的温度和湿度环境，进而影响土壤的物理性质和化学性质。
在冻结过程中，土壤体积膨胀，结构受到破坏；在融化过程中，水分大量排出，使得土壤干燥。
这种反复的冻结与融化过程，会进一步影响土壤的保水能力和通气性。
2. 影响因素：除了冻融作用外，土壤类型、气候条件、植被覆盖等因素也会影响土壤蒸发。
人工冻土力学特性研究现状摘要：冻土的力学性质是影响冻土稳定性的关键因素，正确认识冻土的性质是冻土工程建设和发展的重要保证。
本文首先论述了研究冻土力学特性在工程中意义，然后综合目前我国在冻土静力学和动力学两个方面的研究现状。
最后介绍了目前冻土动力学研究的常用方法。
关键词：人工冻土，力学特性，意义，现状，研究方法冻土力学分为冻土静力学和冻土动力学两个方面[1]。
冻土的动态力学特性研究是冻土静力学研究的发展和分析冻土体动力失稳等特征的重要基础。
1冻土力学特性研究意义冻土的力学特性参数是冻土壁设计的主要依据，深部土人工冻土的力学特性研究是深部岩土工程冻结施工的前提。
随着地层冻结法在我国的广泛应用，在工程实施过程中也遇到了不少问题和风险。
比如一些工程技术人员对人工冻土物理力学性质、冻结过程冻土发展规律及范围控制、冻胀和融沉机制及控制技术、冻土结构的受力体系及冻土墙设计、冻土结构和永久结构相互作用、注浆补偿控制工后沉降等认知不十分清楚。
往往导致设计不合理或者容易出现纰漏而导致重大事故;或者设计缺乏全面考量而出现错误;或者没有完整经验照搬以往设计而缺乏针对性;或者不清楚冻土结构受力体系而出现错误的设计和施工组织设计;或者缺乏对冻胀和融沉处理缺乏针对性等。
冻土动态力学性能的研究是煤矿冻结法施工及人工冻结工程建设中安全有效快速施工的重要基础研究，具有重要的理论意义和工程应用前景。
在冻土工程中，各种机械在冻土中的开挖过程，实质上是冻土在各种动荷载作用下快速变形，致使冻土中的各种孔隙、裂纹不断快速发展、扩张，最终使冻土破碎。
从载荷特性看，它属于冲击动力学范围。
冻土的力学性质是影响冻土稳定性的关键因素，正确认识冻土的性质是冻土工程建设和发展的重要保证。
2研究现状2.1冻土静力学研究现状贺俊等[2]以苏州地铁典型土层为研究对象，通过室内试验系统的获得了苏州地铁典型土层冻土无侧限抗压强度、弹性模量、泊松比的定量值及其随温度、含水率变化的规律，且得到典型土层大都属于塑性破坏和抗压强度随冻结温度降低而线性增长。
冻融循环对水土环境的影响研究随着气候变化的不断加剧，冻融循环对土壤和水环境的影响日益突出。
冻融循环是指土壤在低温冰固作用和高温融化作用的循环过程，这个过程对土壤和水文系统产生着广泛的影响，会改变土壤结构，影响土壤板结和孔隙结构等，进而影响土壤物理、化学和生物学特性。
本文将探讨冻融循环对水土环境的影响的研究现状和未来展望。
1. 冻融循环对土壤的影响冻融循环对土壤物理学、化学和生物学特性都会产生影响。
第一，冻融循环会改变土壤孔隙结构和土层结构。
冻融作用会使得土壤中的水分向上升，进而形成土壤板结，重金属沉积在板结中也变得更加明显。
第二，土壤中的新陈代谢活动会受到冻融循环的影响，进而影响土壤中的营养循环和有机物分解过程。
这些因素都会影响土壤水分、空气和营养元素的扩散和富集等。
2. 冻融循环对水文系统的影响冻融循环对于地下水系统的影响也是十分重要的。
基于我国当前的水资源与环境状况，大部分地区出现了地下水资源超采、地面水资源红线保护等问题，而冻融循环则对这些问题的解决产生了影响。
在冬季，地下水水位一般较低，在春季融化时，地下水水位会快速提升，从而滋润冬季因为缺沙缺水等因素而处于干旱状况的植被。
此外，由于在地下水水位较低时，需要进行地下水补给措施，冻融循环会间接地影响到了地表、下水道等部分的供水情况，从而对水文系统产生影响。
3. 冻融循环对水体环境的影响冻融循环还影响到了河流、湖泊等水体环境中的水位和水温等水文参数。
冬季的低温环境会导致水体中的水温下降，从而促进了水体中氧气的溶解度的增加，并且发挥了杀菌乃至消毒的作用。
在冬季里，由于积雪等因素，湖泊等水体会形成覆盖层，从而减少水汽的扩散，这有利于防止地表土壤中的营养和重金属积聚到水体中，也不利于水体微生物的生存和繁衍。
4. 冻融循环影响下的应对策略在现代工农业高度发达的情况下，如果简单掩耳盗铃，拒绝看到冻融循环对水土环境的影响并采取应对措施，将不利于人类良性生态环境的建设和维护。
人工冻土融沉特性及其对周围环境影响研究详 细 摘 要人工冻结法已成为城市地铁施工中的主要辅助工法，但地层冻结将引起地表的冻胀、融沉变形，对这种变形如不能合理预测和控制，则可能对周围建筑物和地下管线产生破坏作用，研究冻胀、融沉的预测和有效控制方法已成为冻结法应用于地铁以及城市岩土工程急需解决的关键技术问题。
本文以南京地铁二号线逸仙桥站盾构出洞水平冻结加固工程为依托，应用室内实验、现场实测、理论分析和数值模拟的综合方法，对人工冻土融沉特性、冻融土体物理力学特性、人工冻土融沉对周围环境的影响规律及人工冻土融沉的防治措施进行了较系统的研究，主要研究工作及结论如下：（1）利用自制的融沉试验装置，对南京地区典型土质进行了融沉特性室内试验，系统研究了冷端温度、含水率、干密度、荷载及融化温度对融沉系数的影响规律，试验结果表明：并非所有土体都产生融沉，只有当土体含水率达到一定界限后才会产生融沉现象，融沉系数随含水率的增大而递增；开敞型冻融时，融沉系数随冷端温度降低而减小；封闭型冻融时，融沉系数随冷端温度降低而增大；非饱和状态下进行封闭型单向冻融时，融沉系数与干密度关系中存在一个临界干密度，临界干密度对应土体最小的融沉系数；当土体在饱和状态下进行封闭型单向冻融时，融沉系数随干密度增加而减小；开敞型单向冻融时，融沉系数随干密度增大而增大；冻融时如果采用融前卸载方式，融沉系数随上部荷载增大呈指数规律减小；冻融时如果采用带载融沉方式，融沉系数随上部荷载增大而增大；在融化过程中如果已有上覆荷载，则最终沉降量比融化后立即施加同样荷载要大；相同条件下开敞型冻融时的融沉系数要大于封闭型冻融时的融沉系数；融化温度只影响融沉速度，对融沉系数的大小没有影响；原状土融沉系数与重塑土融沉系数接近，且原状土融沉系数略小于重塑土融沉系数，用重塑土代替原状土研究人工冻土融沉特性是合理的。
在试验数据的基础上，采用BP神经网络建立了人工冻土融沉系数预报模型，并建立了确定南京地区典型土质融沉系数的计算表格，为今后南京地铁类似工程冻结方案的设计提供依据。
（2）对南京地区广泛存在的淤泥质黏土进行了大量室内试验，系统研究了未冻土与融土间的物理力学性能差异和初始含水率、初始干密度、冻融开放条件、冷端温度及融化温度等因素对融土物理力学性能的影响规律，试验结果表明：粘土冻融后，渗透性增加3-7倍，开敞型冻融对粘土渗透性影响大于封闭型冻融的影响；冻融循环对土体干密度具有双向作用，使松散的低密度土体干密度增大，密实的高密度土体干密度降低；开放系统下干密度冻融后的变化幅度大于封闭系统；原状土冻融后干密度变化幅度小于重塑土；原状土冻融后压缩性增大；封闭型冻融时，冷端温度越低，压缩性的变化越大；在相同条件下，开放型冻融比封闭型冻融对融土压缩性的影响更大；融化温度对融土压缩性基本无影响；冻融对不同干密度的重塑粘性土具有双向作用，使松散的低密度土压缩性减小，密实的高密度土压缩性增大；含水率较低时，冻融对粘土压缩性影响较小，随着含水率增加，冻融作用对粘土压缩性的影响逐渐增大；黏土冻融后，粘聚力降低，内摩擦角增大；封闭式冻融时，冷端温度越低，内摩擦角变化越大；融化温度对融土的强度影响很小。
（3）给出了人工冻土融化温度场的有限元格式及冻融土体应力及变形的有限元格式，为建立人工冻土融沉对周围环境影响的有限元模型提供了理论基础；结合人工冻结法施工的特点，提出了能够全面反映冻土融沉、融土本构关系变化、融土二次压缩和固结、土体开挖卸载等因素对周围环境影响的三维有限元模拟方法。
（4）利用建立的人工冻土融沉对周围环境影响的三维有限元模拟方法，对南京地铁二号线逸仙桥站盾构出洞水平冻结工程实例进行了有限元分析，分析结果表明：冻结区土体解冻初期温度上升较快，当土体温度升到-1.42℃～0℃之间时，上升速度变缓，进入正温区后土体温度回升速度再次增大；离冻结区较远的非冻结区土体温度一直呈上升趋势，离冻结区较近的土体温度先降后升，离冻结区越远，土体温度变化速度越慢，变化幅度越小；不同位置土体相变时间差别较大，相变时间的长短受初始温度影响较小，受位置影响较大，靠近隧道管片的土体相变时间最短；靠近隧道管片和出洞口的冻土融化面推进速度远大于与未冻土接触一侧的冻土融化面推进速度；出洞口处混凝土槽壁对土体位移的约束作用非常明显，由人工冻土融沉产生的土体变形具有明显的三维特征；在隧道中轴线上方，随与出洞口距离的增大，地表沉降先增大后减小；地表沉降在横断面上的分布呈近似正态分布曲线，随着与中轴线水平距离的增加，地表沉降逐渐减小，存在明显的曲线反弯点；隧道中心线上方的土体沉降随着深度的增加而增加，沉降槽宽度随着深度增加而减小，向隧道轴线位置处集中；不同深度处，土层的沉降量随与隧道中轴线水平距离的增加而减小。
（5）利用建立的人工冻土融沉三维有限元模型系统地分析了土热参数、环境温度、覆土厚度、地面超载、隧道外径、冻土壁尺寸、融沉系数、渗透系数、含水率等因素变化对融化温度场、地层位移场和地表沉降速度的影响规律。
通过敏感性分析发现：解冻过程大致可以分为三个阶段：解冻初期土体升温阶段、相变阶段和正温阶段；导热系数变化对土体升温阶段和相变阶段都有显著影响，随着导热系数的增加，土体升温阶段时间和相变阶段时间都随之大幅度减小；随着比热容的增加，解冻时间延长，但延长的幅度并不是很大，土体升温阶段受比热容的影响比较显著，相变阶段基本不受影响；随着相变潜热的增加，解冻时间有较大幅度的延长，相变潜热变化对解冻初期土体升温阶段基本没有影响，但对相变阶段影响显著；随含水率增加，相变时间大幅延长；当环境温度升高时，土体升温阶段时间和相变阶段时间都相应缩短，土体融化速度加快；在影响融化温度场的各因素中，导热系数的影响最为显著，比热容的影响最小；地表最大沉降和最大水平位移随地面超载、隧道外径、冻土壁长度、冻土壁厚度、融沉系数和含水率增大而增大，随覆土厚度增大而减小；地表最大沉降位置始终位于隧道中心线正上方，随覆土厚度增加，与出洞口间的水平距离增大；含水率、隧道埋深和冻结帷幕尺寸等因素对由人工冻土融沉引起的地表沉降影响非常显著，可以通过降低冻结区土体中的初始含水率，增加隧道埋深，严格控制冻结帷幕尺寸等措施来减小由融沉引起的地表沉降；地面超载对融沉引起的地表沉降影响不显著，不易通过减小地面超载来控制冻土融沉；地表沉降速度随导热系数和环境温度的增加而增加；比热容增加可以使地表沉降速度减缓，但是幅度不大；随着含水率的增加，完成沉降需要的时间大幅度延长；随着渗透系数的增加，完成沉降需要的时间缩短；覆土厚度变化对地表沉降的速度影响较小；融化速度越快，融化结束时的沉降量占总沉降量的比例就越小。
（6）以数值模拟为手段，分析了解冻方式（自然解冻、强制解冻、分区强制解冻）、注浆位置、注浆量、注浆次数和注浆方式对地表沉降的影响规律。
模拟结果表明：自然解冻和强制解冻的融化面形式有很大的区别，自然解冻的冻融面从冻结帷幕外围向冻土中心推进，解冻热量主要来自于与隧道管片和混凝土槽壁接触的大气温度，强制解冻主要以冻结管轴面为中心向外扩散，同时也受来自隧道管片、混凝土槽壁和周围土体热量的影响；强制解冻速度远大于自然解冻速度；采用分区强制解冻时，每个分区的温度变化趋势和整体强制解冻基本相同，每个分区的解冻时间基本等于整体强制解冻的时间；整体强制解冻时，地表沉降时间最短，沉降速度最快，沉降速度不均匀；自然融化解冻时，地表沉降时间最长，沉降速度最慢，沉降速度也不均匀；分区强制解冻时，地表沉降时间适中，沉降速度非常均匀；相同注浆量情况下，注浆位置越高，地表抬升效果越明显，但是抬升范围减小；随着注浆位置的升高，地表最大抬升处离由融沉产生的最大沉降处越远，采用融沉注浆防止地表沉降时，注浆位置最好选在冻结区；分区强制解冻、跟踪注浆是防治人工冻土融沉的有效方法。
关键词：人工冻土， 融沉， 融土， 物理力学特性， 温度场， 地层位移， 融沉注浆Study on the property and the influence to surrounding environment of artificial freezing soil's thaw-settlementAbstractArtificial freezing technology is a widely used assistant method in current urban subway construction. However, ground freezing will cause the frost heaving and thaw settlement in upper ground. The underlying negative effect and destruction to the surrounding constructions and underground pipelines will exist if this deformation is out of control. So, the way for prediction and control to frost heaving and thaw settlement has become an urgent and key technological problem in application of artificial freezing technology in subway and urban underground engineering.The paper based on the case of shield tunneling horizontal freezing reinforcing engineering of Nanjing Subway Branch No.2 Yixianqiao Station. A comprehensive analysis approach, consisting of laboratory experiment, field measurement, theoretical analysis and numerical simulation calculation, was employed to study the property of artificially frozen soil thaw settlement, the physical and mechanical property of freezing thaw soil. In addition, the influence to surrounding environment and the prevention measurements of the freeze-thaw effect were also proposed.The main research work and conclusions as followed.1.The thaw settlement property laboratory experiment was carried out to test some typical soil of Nanjing with the self-made thaw settlement testing devices. The cod junction temperature, water content, dry density, load and melting temperature were tested for the influence to thawing settlement coefficient. The results show that there is thawing phenomenon only when soil moisture reaches a certain boundaries and thawing rate coefficient increasing with the water content increasing but not all soil has thawing phenomenon. The thawing coefficient decreases with the cold-side temperature lower when freeze-thaw is open-type but the thawing coefficient increases with the cold-side temperature lower when freeze-thaw is close-type. There is a critical dry density between thawing coefficient and the dry density when freeze-thaw is under closed-non-saturated one-way, and the critical dry density corresponding to the smallest soil thawing coefficient. The thawing coefficient decreased with the dry density increased when freeze-thaw is under closed-non-saturated one-way. But the thawing coefficient increases with increasing dry density when freeze-thaw is under open-non-saturated one-way. The thawing coefficient decreased in an exponential law with increased of the load upper, if it use the unloading way prior to freeze-thaw. The thawing coefficient increased with the upper load increased, if it use the way of freeze-thaw with loading. If you already have the overlying load in the melting process of frozen soil, the final settlement is larger than that imposed thesame load immediately after thawing. The freeze-thawing coefficient of open-type is larger than that of closed-type when it under the same condition. Melting temperature only affects the speed of thawing and does not affect the size of thawing coefficient. The thawing coefficient of soil is near to the thawing coefficient of remodeling soil, so it is reasonable to study the artificial permafrost with remodeling soil instead of soil.Prediction model of artificial frozen soil thawing settlement coefficient was built up with BP artificial neural network and calculation sheet for thawing settlement coefficient of Nanjing typical soils was propose, which both can provide a reference for frozen engineering in Nanjing in future.2.Another laboratory experiment was taken on the widely distributed silt clay in Nanjing. The difference of physical and mechanical properties between intact soil and thawed soil was studied systematically. Furthermore, the effects of initial water content, initial dry density, opening condition, cold junction temperature, melting temperature to the physical and mechanical property of thawed soil were also detected. The results show that the permeability of clay increased 3-7 times after it freezing thawing and the effect of open-type freezing thawing is greater than it of close-type freezing thawing. The freeze-thaw cycles have two-way influence on soil dry density: increasing the dry density of loose low-density soil and decreasing the dry density of dense high-density soil. The dry density variation after freezing and thawing in open system is larger than that in close system. The dry density variation after freezing and thawing of soil is smaller than that of remodeling soil. The compression of soil increased after freezing and thawing. The greater the changes in compression of soil with the cold-side temperature is lower when the freeze-thaw in close-system. Under the same conditions, the influence of open-system on compression of soil is larger than the influence of closed-system on compression of soil, but the melting temperature has no influence on the compression of soil. The freezing and thawing has two influences on the reshaping clay of different dry density: decreased the compression of loose low-density soil and increased the compression of dense high-density soil. The freeze-thaw has smaller influence on the compression of clay when the water content is low but the influence increasing with the water content increasing. The cohesion of clay is lower and the internal friction angle of clay increases after it freezing and thawing. The internal friction angle of clay changed greater when the cold-side temperature is lower after it freeze-thaw in closed system. The influence of melting temperature on the strength of melted soil is very small.3.Three finite element schemes for artificial frozen soil melting temperature field, freezing thaw soil stress and deformation, and 3-D consolidation of artificial frozen soil thawing were deduced, providing a theoretical basis for constructing the finite element model of the relationship between artificially frozen soil thawing settlement and surrounding environment. Meanwhile, referring to the features of artificial freezing method, a finite element modeling method, which is able to respond to the environment-influencing factors including frozen soilthawing settlement, changes of thawed soil constitutive relation, consolidation of thawed soil, soil body opening uninstall, was proposed.4.A finite element analysis was made to the actual case of hield tunneling horizontal freezing reinforcing engineering of Nanjing Subway Branch No.2 Yixianqiao Station by using the 3-D finite element modeling method mentioned above. The results show that the temperature rises faster in early stage of soil freeze-thaw of freeze zone, the increased rate℃℃slowing down when the soil temperature rose to -1.42~ 0 and the increased rate fast again℃-freeze zone has been when the soil temperature above 0. The temperature of soil of the nonrising away from the freezing zone. The temperature of soil increased first and decreased than near the freezing zone. Areas farther away from the freeze zone, changes in soil temperature more slowly, the smaller the magnitude of changes. There is large difference in phase-change time of soil at different positions. The length of phase-change time affected by the initial temperature is less significant than that by the location of soil. The soil phase-change time is shortest near the tunnel segment. The promote rate of melting permafrost surface near the segment tunnel and the out of hole is far greater than that near the non-frozen soil. The binding of concrete trough of the hole wall is very obvious to the soil displacement and the soil deformation has a clear three-dimensional characteristics resulting from the artificial permafrost thawing soil. The surface subsidence increases first and then decreased as with increasing distance from the hole in axis above of the tunnel. The distribution of surface subsidence in the cross-sectional was similar to the normal distribution curve, the surface subsidence decreases as an increase in the horizontal distance from the central axis and there is an obvious point in the curve of anti-bend. The soil settlement increases with the soil depth increases but the soil settlement trough width decreases with the soil depth increases and it focus on the tunnel axis position in the centerline of the tunnel. The soil settlement decreased with the horizontal distance increases in tunnel axis in different depth.5.The 3-D finite element modeling was employed to systematically analyze the relationship between thermophysical parameters, environmental temperature, thickness of covering soil, ground overload, tunnel outer diameter, thickness of frozen soil flank, thawing settlement coefficient,permeability coefficient,water content ratio and melting temperature field, ground displacement field,ground settlement speed. It can be found by sensitivity analysis that thawing process can generally be divided into three phases:the initial stage, phase stage and positive temperature stage;thermal conductivity changes have a significant impact on initial stage and phase stage, with the increase of thermal conductivity, the time of initial stage and phase stage reduce ;with the increase of specific heat capacity, thawing time extended, but the magnitude of the extension is not too great; the initial stage can be affected by specific heat capacity,while the phase stage will not be affected;latent heat has a significant impact on phase stage and has little effect on initial stage , with the increase of latent heat, the time of phase stage extended ;the increase of water content can much longer the time of phasestage;with the increase of environmental temperature, the time of initial stage and phase stage reduce ;maximum surface settlement and horizontal displacement increase with the increase of ground overload, tunnel outer diameter, length of frozen soil flank, thickness of frozen soil flank, thawing settlement coefficient and water content;when thickness of covering soil increase, maximum surface settlement and horizontal displacement reduce ;the location of the maximum surface settlement is always at the top of the tunnel centerline, with the thickness of covering soil increase ,the distance between structural opening and the location of the maximum surface settlement increases;water content, tunnel depth and thickness of frozen soil flank have a significant impact on ground settlement caused by thaw settlement, you can reduce the ground settlement by reducing the initial water content, increasing the tunnel depth, and strictly control the thickness of frozen soil flank;the ground settlement caused by overloading of the ground is very little,it is invalid to control thaw settlement by reducing overloading of the ground; with the increase of thermal conductivity and environmental temperature,the speed of ground settlement increase;when specific heat capacity increase, the speed of ground settlement can be slowed down;with the increase of water content, the time required to complete the settlement substantially extended; with the increase of permeability coefficient, the time required to complete settlement shortened;thickness of covering soil changes have little impact on speed of ground settlement; the proportion of soil settlement to the total soil settlement is smaller with the melting faster when the end of melting.6.In the application of numerical simulation, the influence of the thawing methods,position of grouting, quantitiy of grouting, the times of grouting and grouting mode to ground settlement were analyzed, pointing out the method of thaw settlement grouting after divisional forced thaw is the effective measures to prevent artificial frozen soil from thawing settlement. Meantime, the application method of thaw settlement grouting after divisional forced thaw was proposed.Key words: Artificially frozen soil, Thaw settlement, Thawed soil, Physical and mechanical property, Temperature field, Ground settlement, Thaw settlement grouting。
