封闭系统中饱和黏土冻胀率的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及人工冻±技术领域，具体设及一种封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算 方法。
【背景技术】
[0002] 在人工冻结法加固地层的过程中，随着热交换进行，地层溫度逐渐下降，当±体溫 度达到冰点时，伴随着±中因孔隙水和迁移水冻结的结晶体、透镜体、冰夹层等冰侵入体的 形成，±体体积增加，进而使±体产生冻胀现象。人工地层冻结法应用过程中的±体冻胀现 象一直W来都是实际工程中所关注的焦点。
[0003] 特别对于采用冻结法施工的地铁隧道工程，由于地铁隧道多位于城市繁华地段， 地面建筑物和周边设施较多，同时地层埋设的管线各种各样、错综复杂。如果出现设计考虑 不周详或施工手段不当，导致地层冻胀量未得到有效地预估和监测，将对工程周边环境产 生直接的不良影响，造成巨大的经济和人员损失。运就要求在人工地层冻结法施工前，对于 ±体冻胀效应进行预测。因此，研发一种饱和黏±的冻胀率计算方法，对可能引起的地层冻 胀效应进行模拟预测，把冻结法应用的成本和风险降到最低，具有重大工程实用价值。
[0004] 在工程认知实践中，人们发现±在开放系统中和封闭系统中饱和黏±的冻胀变形 是不一样的。开放系统下饱和黏±的冻胀除了水结冰后体积膨胀约9%，还有在冻结过程中 水分迁移使细黏粒±的含水量增加，迁移水的体积加剧了饱和黏±的冻胀。但是±在冻胀 过程中的水分迁移，目前还没有比较完整可靠的计算理论，对水分迁移规律的认识，还停留 于定性解释，在很多方面尚未进行定量的研究，理论计算还很不成熟，且基本局限于用差分 法对一维问题进行探讨。因此，对于开放系统中饱和黏±冻胀率的计算方法的研发尚不成 熟，需要大量的科研人员不断对±体冻胀规律深入研究。
[0005] 封闭系统中饱和黏±的冻胀主要是由饱和±体中孔隙水原位冻胀引起的，而±中 毛细水由于没有外部补水，在冻结过程中水分迁移量极其微小，并不对饱和±体冻胀效果 产生影响。同时总结前人研究发现，虽然±中各组成物质由于溫度改变而有胀缩现象，但是 冻±中冰的体积膨胀系数约化20 X 1(TV1，水的体积膨胀系数约为200 X 1〇-心1，黏±粒的 体积膨胀系数约为20Χ10-6?Γ?，它们的胀缩效应非常小，可忽略不计，故仅需考虑±中水结 冰产生的体积膨胀变化。运些因素决定了封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算方法应用简单 和准确性高。
[0006] 因此，在总结现阶段众多学者对±的冻胀变化特性认知的基础上，研究封闭系统 中饱和黏±体冻胀率的一种计算方法，并应用该方法对可能引起的地层冻胀效应进行模拟 预测，把冻结法应用的成本和风险降低，具有重大理论意义和工程实用价值。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算 方法，W利于简便、快捷地计算±体冻胀率。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供封闭系统中饱和黏±冻胀率的 计算方法，该方法包括W下步骤：
[0009] 1)在现场黏±层中取±，按照指定规格将取±加工为标准±样，并保留一定量加 工后的剩余±;首先测得天然状态下所述标准±样的质量m和剩余±的质量心，然后利用烘 干法测得剩余±的±颗粒质量ms/，并对烘干后的剩余±的±颗粒利用比重瓶法测定其± 粒相对密度ds，通过下述公式得出标准±样的自然含水量*和±粒质量ms:
[0012] 2)利用抽真空法对标准±样进行浸水饱和，饱和时间为24h;
[0013] 3)饱和完成后，取出标准±样称重，测得标准±样的饱和质量msat，并计算其饱和 含水里Wsat ：
[0014]
饼
[0015] 4)将饱和的标准±样冻结前的体积Vo等效成饱和的标准±样中±颗粒的体积Vs和 水的体积Vw叠加，贝IJ
[0016]
(斗)
[0017] 式中，化为±粒密度，数值上等于±粒相对密度山;Pw为纯水的密度，Pw=lg/cm3;
[0018] 5)将饱和的标准±样冻结后的体积Vi等效成冻结完成后饱和的标准±样中±颗 粒的体积Vs和冰的体积Vi叠加，贝U
[0019]
巧
[0020] 式中，化为冰的密度，化= 0.917g/cm3;
[0021] 6)建立饱和的标准±样冻结前后体积变化率公式，并通过公式(4)(5)中饱和的标 准±样冻结前后体积等效变换，得到饱和标准±样的冻胀率α的计算公式：
[0024] 通过上述步骤得到了封闭系统中饱和黏±冻胀率α关于饱和含水量*33*和±粒相 对密度cU的计算公式。
[0025] 本发明的效果是弥补了人工冻结领域封闭系统中饱和黏±的体积膨胀计算的空 白，建立了 W饱和含水量和±粒相对密度为自变量的函数公式。将该方法应用于工程实践 中，可W更有效、更快速地对相对封闭环境中饱和黏±体引起的地层冻胀效应进行模拟预 测，把冻结法应用的成本和风险降到最低。因此，研发封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算方 法具有重大理论意义和工程实用价值。
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合实例对本发明的封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算方法做详细说明。
[0027] 本发明的封闭系统中饱和黏±的冻胀率的计算方法设计思想，主要是基于封闭系 统中饱和黏±的冻胀主要是由饱和±体中孔隙水原位冻胀引起的，而±中毛细水由于没有 外部补水，在冻结过程中水分迁移量极其微小，并不对饱和±体冻胀效果产生影响。同时总 结前人研究发现，虽然±中各组成物质由于溫度改变而有胀缩现象，但是冻±中冰的体积 膨胀系数约为120 X 1(TV1，水的体积膨胀系数约为200 X 1(TV1，黏±粒的体积膨胀系数约 为2〇xi(T6ri，它们的胀缩效应非常小，可忽略不计，故仅需考虑±中水结冰产生的体积膨 胀变化。运些因素决定了封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算方法应用简单和准确性高。因 此，采用±样的饱和含水量巧33*和±粒相对密度ds，作为影响封闭系统中饱和黏±冻胀率α 的参数。
[002引
[0029] 本发明的封闭系统中饱和黏±冻胀率的计算方法，该方法包括W下步骤：
[0030] 1)在现场黏±层中取±，按照指定规格将取±加工为标准±样，并保留一定量加 工后的剩余±;首先测得天然状态下所述标准±样的质量m和剩余±的质量心，然后利用烘 干法测得剩余±的±颗粒质量ms/，并对烘干后的剩余±的±颗粒利用比重瓶法测定其± 粒相