軟黏土三維水-熱-力耦合凍融模型及應(yīng)用

周 潔，李澤垚,，唐益群，田萬君

(1.同濟大學 土木工程學院，上海 200092；2.中國建筑第二工程局有限公司，北京 100074)

中國地鐵建設(shè)的過程中，人工凍結(jié)法是針對沿海地區(qū)飽和地層加固的一種有效工法。沿海地區(qū)人工凍土具有溫度變化速率快、凍結(jié)范圍較小、水文地質(zhì)復(fù)雜的明顯特征[1-3]。人工凍土的凍結(jié)過程是一個復(fù)雜的不穩(wěn)定導(dǎo)熱問題[4]，溫度場、滲流場和應(yīng)力場相互耦合[5-7]。考慮滲透作用的人工凍土的研究有程樺等[8]基于Harlan水熱耦合模型，模擬了各向同性的飽和砂土在豎井凍結(jié)時凍結(jié)壁的擴展過程。攝宇[9]模擬了滲流作用下砂土單圈管凍結(jié)溫度場的凍結(jié)效果。崔灝[10]模擬了滲流作用下砂土和粉土凍結(jié)壁發(fā)育規(guī)律及對溫度場的影響。Vitel等[11]建立了一個完全熱力學一致的耦合熱-水-力數(shù)值模型，并模擬了滲流條件下飽和不可變形多孔介質(zhì)的人工地層凍結(jié)。Ahmed等[12]建立了一種水-熱耦合有限元模型，可在滲流情況下通過尋找最佳位置來優(yōu)化砂土地層凍結(jié)管的排布。目前，針對滲流影響的凍結(jié)效應(yīng)研究集中在飽和無黏性土。相比之下，細粒的黏性土在溫度梯度作用下會產(chǎn)生可觀的水分遷移，從而形成分凝凍脹，且分凝凍脹比原位凍脹大很多[9]。

考慮水分遷移的分凝凍脹理論廣泛應(yīng)用于天然正凍細粒土的模型計算[13-14]。與天然凍土不同，人工凍結(jié)區(qū)域范圍較小，溫度變化速率快，不能簡單抽象成一維的緩慢凍結(jié)，現(xiàn)有分凝凍脹模型的適用性較低。因此，在分凝凍脹理論的基礎(chǔ)上，通過對剛性冰模型的三維化，建立了考慮三維分凝凍脹的熱-水-力耦合作用模型，可以模擬計算沿海各向異性飽和地層使用人工凍結(jié)法應(yīng)用時的溫度場、應(yīng)力場、位移場。最后通過COMSOL有限元模擬上海楊樹浦路人工地層凍結(jié)法縮尺模型，并與縮尺試驗結(jié)果進行對比，驗證了模型的有效性。

1 考慮水分遷移的多場耦合模型建立

1.1 計算模型假定

軟黏土是一種細粒的黏性土，其顆粒表面具有一層吸附水，土顆粒通過吸附水傳遞土體應(yīng)力[13]。吸附水層之外的水為重力水，產(chǎn)生孔隙水壓并驅(qū)動孔隙水流動。土體發(fā)生凍結(jié)時，首先重力水發(fā)生相變，隨著溫度的進一步降低，冰水相界面向吸附膜內(nèi)侵入，分凝冰產(chǎn)生[14]。當冰相生長至完全隔絕分凝方向上土顆粒之間的聯(lián)系時，暖端一側(cè)的水分不能補給冷端一側(cè)，從而致使冷端一側(cè)的分凝冰停止生長[13]。由此，依據(jù)孔隙水的凍結(jié)狀態(tài)可將土體分為未凍結(jié)區(qū)、相變區(qū)和已凍結(jié)區(qū)。土體孔隙水的凍結(jié)狀態(tài)如圖1所示。

圖1 凍結(jié)土體凍結(jié)狀態(tài)Fig.1 Frozen state of frozen soil

人工凍結(jié)土多為飽和土，故假設(shè):土體中的土骨架、孔隙水、孔隙冰皆為剛性且不可壓縮，土體壓縮僅與孔隙率的變化有關(guān)；水分遷移僅發(fā)生在未凍結(jié)區(qū)和相變區(qū)，已凍結(jié)區(qū)不發(fā)生水分遷移。

1.2 考慮三維分凝凍脹的水-熱-力耦合模型

飽和細粒黏性土的凍脹，可以看成由原位孔隙水相變膨脹所產(chǎn)生的原位凍脹與由水分遷移所產(chǎn)生的分凝凍脹的疊加。

1.2.1 原位凍脹模型

原位凍脹是由孔隙水相變時比容差所引起，即dV=Δνd[W/(1+W)]，其中，V為單位質(zhì)量土體的體積，W為土體的未凍結(jié)水的含水率，Δν為H2O的比容差。

1.2.2 分凝凍脹模型

由于孔隙內(nèi)冰、水處于相壓力平衡狀態(tài)，即冰、水兩相應(yīng)符合Clapeyron方程[13]：

(1)

式中：pw為相界面水相壓強，L為相變潛熱。將方程積分并展開，取液態(tài)水在273.15 K、100 kPa時會發(fā)生的相變作為積分下限。

(2)

(3)

在凍結(jié)區(qū)，為保證任意一微分凝冰層顆粒處于靜力平衡狀態(tài)，且能完成應(yīng)力傳遞(如圖2所示)，需要在分凝冰暖端的相界面水相壓力與外荷載之間引入一個平衡項uw，即

圖2 土體分凝狀態(tài)Fig.2 Soil segregation state

uw+pw=σl

(4)

其中σl為凍結(jié)區(qū)域土體的主應(yīng)力。

Miller等[13]認為平衡項uw即為相變區(qū)致使未凍結(jié)水遷移的驅(qū)動壓力，從而有

duw+dpw=0

(5)

即相變區(qū)驅(qū)動孔隙水流動的水力梯度應(yīng)為

(6)

冷端需要為土體中提供足夠的冷量才足以產(chǎn)生分凝冰。當該位置土體冷端吸熱能力使得凍結(jié)鋒面處水分遷移過來的孔隙水完全發(fā)生相變時，分凝冰發(fā)育迅速。土體體積應(yīng)變速率應(yīng)為水分遷移所引起的體積變化，即

(7)

針對某一個微單元體，倘若冷端沒有的冷量以支持孔隙水發(fā)生相變，該微單元體不產(chǎn)生分凝冰。倘若微單元體冷端傳遞過來的冷量不足以支持分凝所需，該微單元體就不能為凍結(jié)方向上后一個微單元體傳遞冷量，下一個微單元體就不產(chǎn)生分凝。這也表明凍結(jié)方向上的前一個微單元體有足夠的冷量支持孔隙水發(fā)生相變。在這個凍結(jié)方向上，這種微單元體有且僅有一個，不能形成有效凍結(jié)帶，故而可以忽略此類型的單元體。

溫度梯度所引起的水分遷移是土體產(chǎn)生凍脹的原因，水分遷移的方向是溫度梯度方向，垂直于溫度梯度方向可以近似地視為等溫線，不具備能使水分發(fā)生遷移的動力因素。但是凍結(jié)鋒面擴展前后都是一個連續(xù)的曲面。在溫度梯度方向上遷移動力因素的影響下，為保證凍結(jié)鋒面前后的連續(xù)性，垂直于溫度梯度方向上會獲得一個補償應(yīng)變量，如圖3所示。

圖3 土體分凝凍脹量示意Fig.3 Segregation frost heave of soil

單元土體由于水分遷移所產(chǎn)生的總分凝凍脹量與凍結(jié)垂向和徑向分凝凍脹關(guān)系應(yīng)滿足：

dε=dεH+dεHdεV1+dεHdεV2

(8)

式中dεV1、dεV2分別為凍結(jié)鋒面上徑向的應(yīng)變量和緯向上的應(yīng)變量。

對于單元土體，dεH相對較小，忽略去高階無窮量dεHdεV1+dεHdεV2的影響，得dε=dεH。則該位置所產(chǎn)生凍結(jié)方向上的分凝凍脹速率為

(9)

垂直于凍結(jié)方向上補償應(yīng)變量應(yīng)與凍結(jié)方向上的應(yīng)變量和凍結(jié)鋒面曲率相關(guān)。該位置所產(chǎn)生垂直于凍結(jié)方向上的補償應(yīng)變速率為

(10)

式中Fs1、Fs2為凍結(jié)鋒面上的徑向的曲率半徑與緯向的曲率半徑，可根據(jù)微分幾何學公式進行計算(各向凍脹計算見圖4)。

圖4 各向凍脹計算示意Fig.4 Schematic of calculation of frost heave in all directions

其中

1.2.3 軟黏土的融沉模型

土體融化時相變界面水相壓力差依然存在，但遷移的水分無法有效被消耗，即水分遷移路徑上沒有泄水出口，從而在根本上抑制了水相壓力差引起的水分遷移。因此，不考慮融化時水熱耦合關(guān)系引起的水分遷移。

土體融沉的過程由原位融化和融化后土體的固結(jié)沉降構(gòu)成。原位融化與原位凍結(jié)相似，都是由土體孔隙冰相變所造成的體積變化引起，不同的是原位融化的水(冰)量不僅有凍結(jié)之前土體孔隙中的水分，還包括凍結(jié)過程中所遷移過來的水分量[14]。

排水固結(jié)的過程使用太沙基-倫杜利克三維固結(jié)微分方程：

(11)

式中：u為超孔隙水壓力，n為融化鋒面的法向，σ為融化時土體融化方向上的主應(yīng)力，Cv為固結(jié)系數(shù)。

飽和土體融化相變時孔隙水承擔所有的應(yīng)力傳遞，融化后的孔隙水壓力應(yīng)與融化時土體凍脹力相同，計算時與土體一次性賦予孔隙水壓力初值。隨著融化的進一步進行，凍脹力消散，超孔隙水壓力產(chǎn)生。當融化鋒面在Δt時間內(nèi)穿過一個長度增量時，在凍土層中排出的孔隙水體積為

(12)

式中：A為土體單位的橫截面面積，?u/?n為融化界面上的孔隙壓力梯度，γw為水的重度。

水流ΔV等于厚度為Δn土層體積的變化量，則體積應(yīng)變?yōu)?/p>

(13)

1.3 模型參數(shù)的計算取值

1)土體含冰率：I=n0-W。

2)土體骨架比率：S=1-I-W。

3)未凍土孔隙率與土體應(yīng)變的關(guān)系：n=n0-(εx+εy+εz)(1+n0)。其中,εx，εy，εz為土體各方向的應(yīng)變；凍結(jié)區(qū)與相變區(qū)的孔隙率：n=n0-W。

6)土體密度：ρ=ρwW+ρiI+ρsS，其中,ρw、ρi、ρs分別為水、冰、土顆粒的密度；土體熱傳導(dǎo)系數(shù)：λ=λwW+λiI+λsS，其中,λw、λi、λs分別為水、冰、土顆粒的熱傳導(dǎo)系數(shù)；土體比熱：C=CwW+CiI+CsS，其中,Cw、Ci、Cs分別為水、冰、土顆粒的比熱。

7)當土體完全凍結(jié)后，由于分凝作用土體出現(xiàn)了垂直于凍結(jié)方向與平行于凍結(jié)方向的分凝冰帶，層狀的分凝冰帶將隨機出現(xiàn)在凍結(jié)體中，宏觀可以體現(xiàn)一定的均勻性。將3個凍結(jié)方向上分凝冰帶、原狀土比擬成相互穿插的彈簧模型，從而對分凝凍結(jié)土的壓縮模量進行預(yù)測(計算模型示意如圖5)：

圖5 計算模型示意Fig.5 Schematic of the calculation model

(14)

(15)

(16)

式中：Ec為土體在封閉系統(tǒng)內(nèi)凍結(jié)完成后的壓縮模量，可以由實驗室測定得到；EH、EV1、EV2分別為凍結(jié)方向上的變形模量、垂直于凍結(jié)方向徑向上的變形模量、垂直于凍結(jié)方向緯向上的變形模量。凍結(jié)前土體、融化后土體的彈性模量可以由試驗測定得到。

1.4 本模型的優(yōu)點

使用未凍土孔隙率、相變界面的壓強、相變溫度、未凍結(jié)水含水率等作為模型的基本參量，對分凝凍脹理論分凝冰模型進行三維化。相較廣泛應(yīng)用的天然凍土分凝凍脹理論剛性冰模型，本模型更適用于凍結(jié)范圍小、溫度變化速率較快、土體各向異性明顯、水文條件復(fù)雜的人工凍結(jié)的應(yīng)用。具體為

1)能為凍結(jié)鋒面曲率半徑小、凍結(jié)溫度變化迅速的工況更準確地預(yù)測(溫度變化、應(yīng)力應(yīng)變變化等)；

2)可以考慮凍結(jié)時具有強烈地下水滲流的工況，能夠?qū)哂袧B透各向異性地層不規(guī)則形狀的凍結(jié)進行模擬預(yù)測；

3)能夠預(yù)測各相異性凍結(jié)土的彈性模量，進而可以模擬凍結(jié)帷幕的變形特征、受力特征。

2 數(shù)值模型計算與結(jié)果分析

基于上述建立的三維分凝凍脹模型，通過COMSOL有限元模擬上海12號線楊樹浦路站人工地層凍結(jié)法縮尺模型，并與縮尺試驗結(jié)果進行對比，對模型的有效性進行驗證。

2.1 模擬工況

2.1.1 工程背景

上海市地鐵12號線楊樹浦路地鐵站是越江站(黃浦江)，隧道埋深15 m，地鐵聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)在淤泥質(zhì)軟黏土中。由于臨近黃浦江泄水通道，聯(lián)絡(luò)通道下伏著流速相對較高的微承壓水粉細砂層，平均流速為0.41 m/d。地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)管長為12 m，直徑為89 mm，凍結(jié)帷幕一排設(shè)置7根凍結(jié)管，凍結(jié)管中冷鹽水流量為3 m3/h，溫度為-30 ℃。對地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程有影響的土層為第④層淤泥質(zhì)黏土、第⑤層粉細砂，其巖土、水文特性如表1、2所示。

表1 淤泥質(zhì)黏土層特性Tab.1 Characteristics of silty clay layer

表2 粉細砂層特性Tab.2 Characteristics of silt fine sand layer

2.1.2 模擬試驗

縮尺模型試驗以現(xiàn)場凍結(jié)工況為基礎(chǔ)，采用考慮了材料、尺寸、滲流水頭、土體傳熱、泵送鹽水流量相似性的模型試驗系統(tǒng)[17]進行試驗。模型試驗系統(tǒng)相似比為1∶30，凍結(jié)管埋深50 cm，凍結(jié)管直徑8 mm，數(shù)量為7根，凍結(jié)鹽水泵流量經(jīng)熱流密度相似計算需為30 L/min，凍結(jié)冷鹽水溫度為-30 ℃。試驗裝置如圖6所示。試驗箱中填置重塑淤泥質(zhì)黏土與粉細砂以模擬現(xiàn)場施工地層，淤泥質(zhì)黏土的厚度為46 cm，下層砂土的厚度為40 cm。箱體兩側(cè)設(shè)置水槽，試驗通過抽水泵為土體兩側(cè)施加水頭差以模擬臨江地下水的流動。設(shè)置滲流速度為0、0.25、0.50、0.75、1.2、3.0 m/d的6種試驗工況。通過低溫恒溫箱為凍結(jié)管進行制冷以模擬現(xiàn)場凍結(jié)。試驗首先為重塑土進行預(yù)固結(jié)，對模型土體進行制冷后實時監(jiān)測土體內(nèi)部各傳感器的監(jiān)測指標變化規(guī)律。溫度傳感器在相同深度沿水平滲流方向以8 cm的間距(凍結(jié)管附近間距10 cm)串聯(lián)布置成一排測線，共布設(shè)了4排，分別位于凍結(jié)管、凍結(jié)帷幕上下邊緣及砂層處(縱向間距6 cm)。土壓力傳感器在凍結(jié)管、凍結(jié)帷幕上緣及砂層各位置的中心位置各布置1個，凍結(jié)帷幕下沿處由于滲流影響較大，以10 cm的間距沿滲流方向布置了3個。位移傳感器在土層上表面以8 cm的間距沿滲流方向均勻布置了5個。成排分布的土壓力傳感器、溫度傳感器使用細鐵絲進行固定，以使試驗過程中傳感器的位置不發(fā)生較大的偏移。傳感器排布位置如圖6(b)所示。溫度傳感器精度為0.01 ℃、土壓傳感器精度為0.2 kPa、位移傳感器精度為0.01 mm。傳感器精度較高且工作穩(wěn)定性較好、尺寸效應(yīng)不明顯、監(jiān)測頻率滿足試驗設(shè)計要求。凍結(jié)帷幕擴展到規(guī)定厚度或當滲流速度特別大時，即使凍結(jié)足夠長時間，凍結(jié)傳感器監(jiān)測的溫度仍然達不到-10 ℃(1 h內(nèi)溫度下降不超過0.1 ℃)，關(guān)閉制冷系統(tǒng)，凍結(jié)結(jié)束。當溫度全部回升到17 ℃左右且地表沉降不再增加時，試驗結(jié)束。

圖6 縮尺試驗裝置Fig.6 Reduced-scale test device

數(shù)值模擬的模型工況與縮尺模型試驗工況完全相同，其等尺寸建立的模型如圖7所示。模擬凍結(jié)管溫度為-30 ℃，數(shù)值監(jiān)測點位置、地下水流速、凍結(jié)厚度控制、凍結(jié)溫度控制等皆與縮尺模型試驗相同。試驗土體物理力學參數(shù)[18]如表3所示。

圖7 幾何模型示意Fig.7 Geometric model diagram

表3 模擬參數(shù)Tab.3 Simulation parameters

2.2 物理場控制方程

使用COMSOL有限元的PDE模塊對物理場方程進行編譯。滲流在未凍結(jié)區(qū)連續(xù)性方程為

(17)

滲流在相變區(qū)的連續(xù)性方程為

(18)

傳熱方程：在一個土體單元內(nèi)，質(zhì)量累積量的改變量、熱傳導(dǎo)量、熱對流量與潛熱釋放量的總和為0，即

(19)

土體應(yīng)力場采用彈塑性本構(gòu)模型。

2.3 結(jié)果分析

模擬結(jié)果表明，滲流對凍結(jié)效果存在臨界點，即當滲流小于1.2 m/d時，凍結(jié)帷幕才能凍結(jié)完成。

2.3.1 組合地層滲流對凍結(jié)溫度場的影響

凍結(jié)穩(wěn)定時數(shù)值模擬區(qū)域等溫線分布如圖8所示。可以看出，沒有滲流作用時模型土體的等溫線相對水平；有滲流存在時，等溫線呈一定程度的不均勻化偏移，上游等溫線密集，下游等溫線稀疏。滲流對凍結(jié)帷幕的厚度整體都有削弱作用，對上游削弱最為明顯。

圖8 不同滲流速度下等溫線Fig.8 Isotherm diagram under different seepage velocities

2.3.2 組合地層滲流對軟黏土凍脹力的影響

土體凍結(jié)過程發(fā)生凍脹后，由于膨脹受限從而會產(chǎn)生向四面擴張的內(nèi)應(yīng)力。凍結(jié)工程中將土體凍脹受限所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為凍脹力。

不同滲流作用下土體凍結(jié)穩(wěn)定時，凍結(jié)管中心位置土體所產(chǎn)生凍脹力的切片云圖見圖9?？梢钥闯觯瑑鼋Y(jié)管附近凍脹力集中效應(yīng)明顯，凍結(jié)帷幕下沿下游凍脹力明顯大于上游，帷幕上沿變化不明顯。凍結(jié)帷幕上沿的凍脹力整體均大于凍結(jié)帷幕下沿。

圖9 不同滲流速度下凍脹力云圖Fig.9 Cloud diagram of frost heave force under different seepage velocities

針對能夠凍結(jié)完成的工況，凍結(jié)帷幕下上沿監(jiān)測點A、B在不同滲流速度下凍脹力的增長如圖10、11所示。結(jié)果表明，監(jiān)測點A、B凍脹力發(fā)展模式存在較大不同。監(jiān)測點A凍結(jié)階段的凍脹力開始時增長迅速，后期增長緩慢。對于監(jiān)測點B，凍脹力在整個凍結(jié)階段都在緩慢增長，凍脹力平穩(wěn)不變的階段不明顯。在融沉階段，滲流速度大的工況凍脹力消散得更快。

圖10 監(jiān)測點A凍脹力監(jiān)測圖Fig.10 Monitoring results of frost heave force at point A

圖11 監(jiān)測點B凍脹力監(jiān)測圖Fig.11 Monitoring results of frost heave force at point B

產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是：靠近滲流邊界的地方，滲流抑制凍結(jié)方向上的溫度變化，從而抑制了孔隙冰的生成速率，致使凍結(jié)帷幕下沿凍脹力增長速率緩慢。同時，滲流減少了靠近滲流邊界地區(qū)凍結(jié)方向上分凝冰生成的質(zhì)量，從而減小了凍脹力的最終值。

在實際工程施工中，凍脹力是監(jiān)測預(yù)警的關(guān)鍵指標。對于凍結(jié)帷幕上沿部分，凍結(jié)前期就應(yīng)重點關(guān)注凍脹力的突變增長，采取預(yù)警及措施；而凍結(jié)帷幕下沿更應(yīng)該關(guān)注的是凍結(jié)后期，因為前期凍脹力增長較緩慢且數(shù)值較小。在融沉初始階段，凍結(jié)帷幕上沿凍脹力的快速消散應(yīng)是工程注意的重點。同時，滲流速度增大時，土體產(chǎn)生的凍脹力較小，特別是靠近滲流邊界的凍結(jié)帷幕下沿。凍脹力的降低可以減小土體對隧道產(chǎn)生的壓力，增強工程的安全性。

2.3.3 組合地層滲流對地表沉降的影響

針對能夠凍結(jié)完成的工況，不同滲流速度地表最終沉降量如圖12所示。可以看出，沿著滲流方向，地表最終沉降越來越大，且滲流速度越大，最終沉降越低。因此，當存在下覆較大滲流砂層情況的軟黏土凍結(jié)，不均勻沉降也是需要關(guān)注的重要方面。

圖12 不同滲流速度地表位移Fig.12 Surface displacement at different seepage velocities

產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是：下游區(qū)域溫度較低，該區(qū)域生成了更多的孔隙冰從而最終沉降量更大。滲流可以抑制分凝冰的生成，從而使?jié)B流大的工況分凝冰含量低，也就產(chǎn)生了滲流速度越大，凍脹、沉降量越低的現(xiàn)象。

3 模型驗證

選取監(jiān)測點A在0.25 m/d滲流速度下的溫度、凍脹力及位移分別與模型試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖13所示。可以看出，溫度場與應(yīng)力場的數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果接近度較大。而位移的計算結(jié)果發(fā)展規(guī)律基本一致，凍脹位移存在一定誤差，融沉位移相對接近。主要原因為數(shù)值模型模擬的是完全考慮了三維水分遷移的理想開放系統(tǒng)，而模型試驗需要對滲流進行控制，并沒有做到在各個方向上給軟黏土同時補水,出現(xiàn)了試驗測定的凍脹量要小于數(shù)值模擬估計值的現(xiàn)象。

圖13 數(shù)值模擬與模型試驗結(jié)果對比Fig.13 Comparison of numerical simulation and model test

4 組合地層滲流對凍結(jié)法安全影響分級

以上海市地鐵12號線楊樹浦路地鐵站為工程背景，針對不同滲流速度的凍結(jié)工況進行數(shù)值模擬，對照現(xiàn)行隧道安全體系，分別對隧道位移、隧道附加凍脹應(yīng)力、地表隆起、地表沉降進行預(yù)測并分級。各指標的管理等級可分為：等級Ⅰ為所有滲流工況下，物理指標處于極限值的2/3～極限值，是安全隱患較高的等級階段；等級Ⅱ為所有滲流工況下，物理指標處于極限值的1/3～2/3，是安全隱患發(fā)展的等級階段;等級Ⅲ為所有滲流工況下，物理指標小于極限值的1/3，是不利因素產(chǎn)生的初始階段，相對安全。分級結(jié)果如表4、5。

表4 凍結(jié)階段安全控制Tab.4 Safety control during freezing phase

表5 融沉階段安全控制Tab.5 Safety control during thawing phase

分級預(yù)警可以提前對工程地質(zhì)不利因素的嚴重程度進行預(yù)先評估，從而指導(dǎo)工程及時應(yīng)對工程地質(zhì)不利因素，增強凍結(jié)施工的安全性，降低地質(zhì)災(zāi)害的影響程度。

5 結(jié) 論

1)在組合地層條件下，滲流會削減凍結(jié)穩(wěn)定時凍結(jié)帷幕的厚度，且上游削弱最明顯；當速度大于1.2 m/d時，凍結(jié)工程將不能達到設(shè)計厚度。

2)在組合地層條件下，凍結(jié)工程靠近滲流邊界的一側(cè)凍脹力增長緩慢、最大值較低。

3)滲流會致使地表產(chǎn)生不均勻沉降，下游區(qū)域的沉降量更大。對于實際工程而言，地表的不均勻沉降也是組合地層滲流凍結(jié)法需要關(guān)注的危害。

4)通過建立的熱-水-力三場耦合模型對組合地層滲流作用下凍結(jié)法施工及周圍環(huán)境的影響進行參數(shù)分析，提出了結(jié)合組合地層滲流因素的隧道安全凍結(jié)法分級標準，可以為工程建設(shè)提供參考依據(jù)。