近海含盐地层冻结二次相变特征及冻土强度性质

人工地层冻结技术广泛应用于软土隧道等地下工程，近年来在一些河口、近海甚至海底地下工程中得到越来越多的应用。由于河口、近海、海底地层受到海水侵蚀具有较高的含盐量，土的冻结温度降低、冻土强度下降、导热性能降低。这些含盐效应会对冻结效果造成不利影响，如冻土帷幕厚度减小、强度降低等，甚至构成安全威胁。课题以实验手段为主系统研究近海含盐地层的人工冻土基本性质，包括土的冻结温度、冻土强度、热物理参数和冻胀性质，并重点研究冻土二次相变时力学强度随温度下降突增的有利现象，建立"海盐-水-地层"系统共晶点强度突变模型，以挖掘冻土强度潜力。以此为基础，借助理论分析与数值分析手段，完善考虑冻结温度下降、热物理参数变化的温度场理论，通过冻土材料性质与温度的关系确定人工冻土结构的非均质的空间形态，建立考虑冻土非均质性、蠕变和冻胀特性的冻土结构应力-应变状态及承载力的力学模型，解决近海地下工程冻结法理论的基本问题。

人工地层冻结技术广泛应用于软土隧道等地下工程，近年来在一些河口、近海甚至海底地下工程中得到越来越多的应用。河口、近海、海底地层受到海水侵蚀具有较高的含盐量，对冻结效果造成不利影响。课题以实验手段为主研究近海含盐地层的人工冻土基本性质，重点研究冻土二次相变时力学强度随温度下降突增的有利现象，建立了“海盐-水-地层”系统共晶点强度突变模型。另一方面，建立了人工地层冻结稳态温度场解析解求解方法——势函数叠加法，求解了人工地层冻结法常用的冻结管布置方式下的稳态温度场解析解，并建立了排形冻结管和圈形冻结管布置方式想稳态温度场的等效模型，推导了人工冻土结构平均温度的计算方法，形成了人工地层冻结温度场理论体系。以此为基础，结合冻土力学性质与温度的关系，获得了人工冻结冻土结构非均质特性的解析描述。进而，引入功能梯度材料概念，进行人工冻结非均质冻土结构力学性质的解析解求解，掌握了冻土结构应力-应变状态及承载力的变化规律。