本文是一篇工程硕士论文，本文在饱和软黏土地层表面冻结形成具有承载力的冻土地基硬壳层，可供车辆运输通行这一背景下，开展了常规冻结试验和液氮快速冻结试验，对比分析了常规冻结试验与液氮冻结试验，突出了液氮冻结试验的快速性。
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
我国软土广泛分布于东部沿海、河流沿岸以及湖泊附近，例如长江、珠江三角洲地区。软黏性土、淤泥质土、淤泥、泥炭质土等软土在物理特性上表现为粒径较细，黏土矿物含量高，含水率高；其力学性质多为压缩性大，抗剪强度低，渗透性低[1, 2]，不能直接用于道路路基以及建筑物地基建设。
随着沿海城市人口的增加，陆地建设面积成为了制约城市发展的重要因素，许多国家通过围海造陆工程来解决城市陆地资源稀缺这一重大难题。海域吹填是围海造陆的主要方式。围海造陆工程所形成的浅层吹填土在工程特性上与下覆软土层表现出相似的性质，需要经过固化措施才能满足工程建设的要求。如何将吹固化设备、材料运至吹填区域并提供行车道路是需要解决的一项重大问题。另外，当发生一些需要快速抢险的自然地质或生产灾害时，物资车辆、救灾车辆需要通过软弱地层时，软弱地层条件不能保证车辆平稳、安全通过，这就需要对软弱地层采取加固措施，提高地基承载力。
人工冻结法适用土质条件范围广、抗渗性好、可隔绝地下水、对环境无污染，是绿色环保型施工方法。冻结地层加固技术在工程实践中得到了越来越广泛的应用，在实际工程中的加固效果也十分出色[3-8]。传统的人工冻结法需冻结的土体范围广，土体临时支护设置时间长，因而冻结工作时间长。传统的人工冻结法主要利用氨作为制冷剂，制备低温CaCl2盐水作为冷媒剂，通过低温盐水在管路中循环流动将冷量传递到待冻结的地层中，通过与土体发生热交换达到降低土层温度的效果。液氨制冷冻结温度一般为-10℃~-30℃，积极冻结时间在35天左右，使土中水有了充分的迁移时间，容易引起土体发生冻胀灾害，而且传统的人工冻结法需要构成制冷循环、盐水循环和冷却水循环，制冷装备复杂、需要场地大、电力需求量大，冻结时间长难以达到抢险救灾对时间的紧迫要求。为此，使用一种能够快速加固软弱土层并能形成一定强度的施工方法对快速抢险抢修是迫切需要的。
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1.2 研究现状
1.2.1 冻土问题研究
冻土体是由土、冰、水、气四相构成的复杂地质体，当温度低于土的冻结温度时，土中的水会发生相变形成冰晶体。冻土与普通土体区别的最显著的特质是其冰相的存在，冰的存在提升了冻土的强度。与液态纯水不同的是，土中的水往往会在一个低于0℃的温度才开始结冰。此外，在较低的温度条件下，土中仍有一部分的未冻水存在，且随着温度处于动态变化中[12]。
J.R.Philip[13]通过对土中固、液、气不同相态成分对温度场影响的研究，首次提出了水热迁移耦合模型。
Cai H、Konrad J M、Neaupane K M等[14-16]分别建立了人工冻结工程中不同的多场耦合模型，并依据研究结果与实测值进行了比较。
尚松浩等[17, 18]通过热量传递基本方程和能量、质量守恒方程建立并改进了土体在冻结与融化时的水热耦合模型并提出了计算方法。指出含水率较低时可忽略冰的影响，同时对土体冻结过程中液态水与温度的关系进行了模拟研究。
Fu Y等[19]以南宁地铁3号线联络通道的冻结加固工程为背景，采用有限元法研究了人工冻结法施工过程中温度场的时空演变规律。定义了冻土和未冻土的临界区，计算了联络通道周边冻土帷幕厚度发展与时间的关系。
Song H等[20]在考虑地面边界温度、冰水相变潜热、地面热对流等初始条件和边界条件的基础上，建立了三维有限元数值模型，研究了上海地铁13号线联络通道冻结施工温度场的详细分布，并与实测值进行了比较，验证了有限元数值模型的可靠性。
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2 物理试验系统搭建与土样参数测定
2.1 相似模拟实验推导
采用相似模型试验更为直接、更为真实地研究高含水率软土地层冻结温度场规律。近年来，多数地层冻结研究主要集中于隧道、联络通道的安全加固，对高含水软土地层冻结后的承载力研究较为少见。本文研究高含水率软土地层在不同管埋深、冻结管根数等条件下温度场发展规律以及冻结后承载能力研究，为此搭建相似模型试验平台进行研究。
2.1.1 相似理论概述
同类相似物理现象不仅遵循相同的数学规律，而且各自描述现象的对应物理参数意义相同。相似模型试验是通过构建同类相似物理现象，将原物理现象进行尺寸放大或缩小建立相似模型，通过对新建立模型的研究，得到与原物理现象相同规律的一种常见的科学研究方法。
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2.2 物理模拟试验系统
2.2.1 数据采集设备
数据采集系统由温度传感器、位移计、DT85G采集仪、采集电脑组成。采集仪与电脑连接设置采样信号、频率，实时读取传感器感应的信号，获得实验中土中的温度、位移等试验数据。
（1）试验传感器
温度传感器：本试验采用T型康铜热电偶来采集冻结过程中土体的温度值。T型热电偶可采集-200~260℃范围内的温度，可用于液氮冻结试验测定土体超低温值。
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位移计：采用ZS110-DT40型位移计，用于测量冻结过程中土层承受荷载的沉降量。接线方式为半桥可以实现自补偿消除温度的影响；量程为0~40mm，测量精度可达0.01mm。
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3 液氮快速冻结与常规冻结模型试验研究 ...................... 26
3.1 相似模拟试验方案 ................................. 26
3.2 试验过程 ...................................... 28
3.3 双管冻结埋深 4cm工况结果分析 ......................... 29
4 液氮超低温冻结饱和软黏土数值模拟研究 ......................... 53
4.1 COMSOL 软件简介 ...................................... 53
4.2 冻土水热耦合模型 ................................... 53
4.3 COMSOL 数值计算 ............................ 59
5 结论与展望................................ 76
5.1 结论 .............. 76
5.2 展望 .................................. 77
4 液氮超低温冻结饱和软黏土数值模拟研究
4.1 COMSOL软件简介
近年来越来越复杂工程问题、科学问题开始涌现，很难在理论上获得解析解。数值软件以其计算方法多元、计算便捷而逐渐成为科研人员普遍使用的研究工具。
COMSOL是一款应用广泛的采用有限元法计算的数值模拟软件，内置了多种物理场接口，如力学接口、传热接口、流体接口等，可以求解多种多个复杂的物理场之间的耦合问题。研究人员既可以根据研究问题属性使用软件自带的各种模块，还可以利用各种数学方程接口进行二次开发，如偏微分方程、常微分和微分代数方程接口等。本文建立数学形式为偏微分方程的冻土温度场水分场耦合方程，采用COMSOL中的系数型偏微分方程（PDE）模块来求解液氮超低温冻结下的冻土温度场演变问题以及承载能力研究，更准确地获得超低温冻结条件下高含水率软土冻结温度场规律以及承载能力规律。
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5 结论与展望
5.1 结论
本文在饱和软黏土地层表面冻结形成具有承载力的冻土地基硬壳层，可供车辆运输通行这一背景下，开展了常规冻结试验和液氮快速冻结试验，对比分析了常规冻结试验与液氮冻结试验，突出了液氮冻结试验的快速性。通过物理模拟实验和数值模拟计算研究冻结管布设数量、冻结管埋深对土体冻结温度场分布、承载能力的影响。物理模拟实验通过两种冻结冷源系统对不同布管方式下的温度场规律进行了详细探讨，分析了物理实验几种典型路径的温度场演化规律，对冻结后的冻土体在自然融化条件下进行了加载试验，测定了各工况下的地表沉降。数值模拟扩大物理实验研究参数的水平数，研究了4×4全组合因素下的冻结和加载模拟，对不同因素组合下的各种工况的承载能力规律进行了归纳，评价了相同通氮量下的承载能力。对冻土地基宽度、厚度的发展以及冻土地基承载后的沉降与应变进行了分析。
物理模拟实验得到的结论主要有以下：
（1）冻结管高度处宽度方向路径温度受冻结管埋深影响较小。冻结管处竖向路径温度场发展受冻结管埋深影响较大。常规冻结方式与液氮冻结方式下，冻结管下方处深度路径温度均随距离增加成对数关系，冻结管上方土体的温度扩展速率大于冻结管下方土体。
（2）液氮冻结前期降温速率可达常规冻结方法的71.4倍。三种布管方式管间交圈速率，液氮冻结均为常规冻结的7倍以上。液氮冻结试验下冻结管处深度路径上冻结锋面扩展至冻结管下方各测点的平均速率约为常规冻结试验的11倍。
（3）常规冻结方式下的土表的冻胀位移大于液氮冻结方式。冻结完成后进行的自然融化状态下的加压试验，液氮冻结试验条件下开始沉降的时间更迟，沉降更少。不同布管方式下的承载能力排序为三管埋深8cm>双管埋深8cm>双管埋深4cm。
参考文献（略）