水泥土地層凍融溫度場全過程發展影響研究

金修偉，鹿慶蕊，李棟偉，陳士軍，張海軍，洪進鋒

摘要：為研究水泥改良土地層凍融溫度場發展的影響因素，以廣州地鐵三號線某地鐵隧道凍結工程為背景，通過水、熱耦合的方式模擬隧道凍融溫度場，研究其凍融溫度場全過程發展影響規律，并與實測數據對比證明模型的精確性，分析導熱系數、容積熱容、原始地溫和水泥摻量等因素對凍融溫度場的影響。結果表明，土體在凍融溫度場全過程發展過程中，先是大幅度降溫，形成穩定凍結帷幕后，降溫速率變緩，有效凍結壁厚度緩慢增加，進入自然解凍階段后，溫度快速上升直至達到相變階段，在該階段維持一段長時間后，土體迅速恢復正溫；分析不同因素對凍結溫度場的影響規律，其中土體容積熱容，原始地溫對凍結溫度場凍結效果呈負相關，對于自然解凍溫度場影響不大；土體導熱系數的降低會抑制凍結溫度場的發展，但是可以縮短自然解凍的周期；在水泥摻量為12%時，土體凍結效果最好，且融沉溫度場發展速率最快，自然解凍周期最短。

關鍵詞：地鐵隧道；水泥改良土；凍融；溫度場；數值模擬

中圖分類號：U455文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2024）03-0184-13

Study on the Influence of the Whole Process Development of Freeze-thaw?Temperature Field in Cement Improved Soil Layer

JIN Xiuwei， LU Qingrui*， LI Dongwei， CHEN Shijun， ZHANG Haijun， HONG Jinfeng

（School of Civil & Architectural Engineering， East China University of Technology， Nanchang 330013， China）

Abstract：In order to study the influencing factors of the development of freeze-thaw temperature field in cement improved soil layer， this paper takes the freezing project of a subway tunnel in Guangzhou Metro Line 3 as the background， simulates the freeze-thaw temperature field of the tunnel through the coupling of water and heat， studies the influence law of the whole process development of the freeze-thaw temperature field， and proves the accuracy of the model by comparing with the measured data. The influence of thermal conductivity， volume heat capacity， original ground temperature， cement content and other factors on the freeze-thaw temperature field is analyzed. The results show that during the whole process of freeze-thaw temperature field development， the soil is greatly cooled first， and after forming a stable freezing curtain， the cooling rate slows down， and the thickness of the effective freezing wall increases slowly. After entering the natural thawing stage， the temperature rises rapidly until it reaches the phase transition stage. After a long period of time in this stage， the soil quickly returns to positive temperature. The influence of different factors on the freezing temperature field is analyzed. The volume heat capacity of the soil and the original ground temperature are negatively correlated with the freezing effect of the freezing temperature field， and have little effect on the natural thawing temperature field. The decrease of thermal conductivity of soil will inhibit the development of freezing temperature field， but it can shorten the period of natural thawing. When the cement content is 12 %， the soil freezing effect is the best， and the development rate of the thaw settlement temperature field is the fastest， and the natural thawing period is the shortest.

Keywords：Subway tunnel; cement improved soil; freeze-thaw; temperature field; numerical simulation

0引言

隨著國內地鐵建設項目的發展，不可避免地會在復雜的水文地質環境中建設更多的地鐵。人工凍結法因其可應對復雜地質條件、增強土壤強度和穩定性、控制地下水滲流等優勢廣泛應用于隧道開挖、地鐵施工等地下工程中[1]。然而，人工冷凍法施工時常伴隨著凍脹融沉效應，為有效地控制凍脹危害，相關工程人員采用水泥改良法得到了很好的效果[2-4]。由于水泥改良提高了土壤初始溫度，降低了土壤含水量，改變了其礦物成分和熱物理參數，因此水泥改良土層與原土層凍結溫度場的應用和分布存在著差異。

國內外學者對于凍結場溫度場特性研究大部分還停留在天然土階段，Yu等[5]研究了地鐵聯絡通道水平凍結溫度場的發展特征，驗證了有限元數值模擬人工凍結法溫度場變化的可靠性。夏才初等[6]運用現場實測和數值模擬方法，對聯絡通道的溫度場分布和凍結壁厚度進行研究，研究發現不同埋深對于凍結溫度場的影響規律。Li等[7]通過數值模擬與試驗結果對比驗證了人工凍結法施工過程中水流對凍結帷幕形成的影響規律。王祥等[8]采用有限元軟件對聯絡通道進行溫度場分析，證明了凍結工藝設計的合理性。閆冰等[9]、李珂等[10]、Ziegler等[11]通過數值模擬和實測數據對比驗證模型的準確性，進而分析凍結管排布對溫度場發展的影響，研究表明凍結孔越密集，形成的凍結帷幕越厚。董新平等[12]在對凍結溫度場發展過程中凍結壁的發展規律進行研究，得出聯絡通道各部位在不同凍結時間下的發展規律。張世雷等[13]分析了鹽水和測溫孔溫度變化規律，然后對凍結法施工過程進行了數值模擬，得出了凍結壁溫度變化的4個階段。孫佳琪等[14]通過開展接收端土層熱物理試驗，研究了杯型凍結壁有效厚度、平均溫度及溫度場發展與分布規律，研究發現在凍結25 d時凍結壁達到有效厚度，具有可靠的安全性；黃潔等[15]通過現場實測與有限元數值計算相結合方法，開展凍結溫度場凍融全過程發展特性及影響因素分析研究，研究結果表明，聯絡通道凍結溫度場發展受不同因素影響較大，在積極凍結階段早期主要受地層初始地溫度影響，積極凍結階段后期主要受土層導熱系數影響。黃建[16]通過數值分析軟件模擬了土體參數單一變化時的溫度場分布情況，分別得到了土體物理參數及地表溫度等對凍結時間的影響規律。

水泥改良土地層的研究大多數停留在凍結溫度場方面，高珍珍[17]、陳曉鵬[18]通過室內試驗，測定土體導熱系數、凍結溫度和滲透系數等熱物理參數隨水泥摻量及養護齡期的變化規律。黃建華等[19-21]驗證了在水泥預加固地層采用人工凍結法的可行性，研究了水泥土與加固地層各參數影響性分析，得出導熱系數的變化對于水泥預加固地層影響性最大，且水泥摻量為10%時，土體的凍結性能最佳。王效賓等[22]研究了導熱系數、比熱容和相變潛熱等因素變化對融化溫度場的影響規律，結果表明，凍結水泥土解凍速度受凍土位置影響較大。

在水泥預加固地層中，溫度場的發展受到多個因素制約，已有的研究還停留在各影響因素單個溫度場的敏感性分析中，但實際工程中凍結與融沉溫度場之間是連續不間斷的。本研究依托廣州地鐵三號線某地鐵隧道水平凍結工程，對地鐵隧道凍融溫度場進行模擬，并結合實測數據，分析天然土地層中凍融溫度場的發展規律，研究水泥預加固后導熱系數、容積熱容、原始地溫和水泥摻量等因素對凍融溫度場的影響，為類似工程水泥預加固地層的施工提供理論參考。

1工程概況

該工程為廣州地鐵三號線某折返線隧道斜下穿廣汕公路和沙河立交橋，附近有新天河商貿城和其他建筑商鋪。廣汕公路是連接廣州與汕頭之間的重要交通干道，交通繁忙，不能封路施工。且隧道上覆地層中的地下市政管線縱橫交錯，數目較多，其中有電信管線、給水管線、電力管線、排水管線和煤氣管線等。因此隧道不能采用明挖法施工，且該隧道所處地層為含水豐富的砂層和殘積土層，地質條件非常復雜，環境特別差，采用常規的超前管棚法和小導管注漿等工法很難確保該工程安全可靠地按期完成，最終選擇全斷面水平凍結帷幕暗挖工法。

該折返線隧道長138.8 m，軌面縱向坡度為2%，為雙線馬蹄形隧道，隧道凈高9.146 m，凈寬11.4 m。為避免明挖施工導致的地下管線改線，以及受限于立交橋引橋，該折返線隧道采用凍結法加固地層后實施淺埋暗挖法施工，凍結隧道的長度約為140.0 m，凍結斷面為86.0 m2。該折返線隧道初期支護采用網噴混凝土，混凝土標號為C20，厚度為0.4 m。二次襯砌為現澆鋼筋混凝土，厚度為0.45 m，標號為C30。隧道最小埋深約為8.0 m，最大跨度達到了11.4 m。

1.1工程地質條件

隧道地質縱斷面如圖1所示，地層分層及主要特征見表1，隧道開挖范圍內土層從地表至下部基巖分別為人工填土層（1），淤泥質土層（4-2），粉質黏性軟土（4-1），砂性土（3-2），可塑性砂質黏性軟土（5H-1），硬塑性砂質黏性土（5H-2），全風化花崗巖基巖（6H）。隧道主要穿越砂性軟土和砂質黏性軟土。其中，砂性土密實度較差，富水性較強，而砂質黏土飽水性較好，透水性較弱。地層的地下水補給來源主要是大氣降水，水位平均埋深為1.76 m。隧道底板所在地層深度范圍9.1～18.4 m，該范圍地層溫度基本不受大氣溫度的影響，自然氣溫為25 ℃。

2凍結方案設計

2.1凍結孔及測溫孔布置

該折返線隧道在南、北兩端的凍結孔中安設凍結管實施凍結，選擇隧道南端的實測溫度開展代表性分析，如圖2所示，具體設計如下。

1）水平凍結長度設計：凍結管長度均為75.0 m，末端搭接大于5.0 m。

2）凍結壁設計：凍土帷幕設計厚度為2.5 m，平均溫度需要低于-8℃。

3）水平凍結孔位設計：該隧道共布置46個凍結孔，沿隧道周圍環形分布，頂拱凍結孔開孔間距為0.7 m，側壁和底板開孔間距為0.85～0.95 m。

4）測溫孔設計：隧道南端設長76.0 m的測溫孔4個，末端搭接凍結范圍為5 m，分別用CW-N-1、CW-N-2、CW-N-3和CW-N-4表示。CW-N-1和CW-N-4處于凍結帷幕外側，距凍結孔距離分別為1.18 m和0.88 m，CW-N-2和CW-N-3處于凍結帷幕內側，距凍結孔距離分別為0.66 m和0.87 m。

將測溫孔布置在凍結帷幕內外側的目的是檢測凍結帷幕內外側的凍結發展情況。各測溫孔內每3.0 m布置一個測溫點，觀測頻率為每天一次。

鹽水降溫曲線如圖3所示。通過對鹽水降溫曲線圖進行分析，1～60 d屬于凍結降溫階段，此時土層熱交換最為劇烈，熱負荷大；61～150 d屬于凍結強化階段，土層熱交換比較穩定，凍結速度加快，凍土平均溫度大大降低，凍土強度迅速增大。

3凍融溫度場數值模擬

3.1模型建立

本研究選取廣州地鐵某折返線隧道作為本次數值模擬分析對象，該折返線隧道斷面為馬蹄形，長138.8 m，寬11.4 m，高9.146 m，埋深8～10 m，屬于淺埋大斷面隧道。隧道內輪廓線為五心圓拱形，拱部曲率半徑為5.256 m，腰部曲率半徑為2.6和5.2 m，底部仰拱曲率半徑為9.13 m，腰部與底部連接處曲率半徑為1.6 m。隧道支護結構采用復合式襯砲，初期支護由C20噴射混凝土、鋼筋網和格柵鋼架組成，厚約350 mm，二次襯砌采用c30厚450 mm的s8模筑鋼筋混凝土。

1）幾何模型建立：由于該隧道斷面較大，埋深淺，對于地表的影響較大，因此建立長150 m、高60 m二維有限元單元，并按照土層分界線進行劃分，如圖4所示，同時建立隧道模型以及外部凍結管模型。

2）參數賦值：本模型隧道施工區域為砂質黏土地層，土體性質較為接近，凍結帷幕大部分位于硬塑性砂質黏性土（5H-2）。為提高計算效率，在保證模型計算精確性、誤差在允許范圍內的情況下，適當簡化土層，在該地層中參數按照凍土、未凍土和融土進行設定，根據室內試驗研究，土體的熱力學參數見表2。

3）施加溫度場、水分場：溫度場與水分場采用添加上文推導的水熱耦合方程，即系數型偏微分方程，設定擴散系數、吸收系數以及源項等。

4）邊界條件與荷載：溫度場模型初始土體溫度設置為18 ℃，凍結管四周持續冷量輸送保持恒溫為狄里克萊第一邊界條件；凍結管中鹽水溫度參照實際工程用分段函數進行優化設置，模型頂部地表層溫度依據實際工程的平均大氣溫度設置為20 ℃，視為第二類邊界條件，模型兩側與底部距離因距離凍結區域較遠視為不發生熱量交換為第三類邊界條件，絕熱邊界熱流量為零，水分場四周邊界為零通量。在積極凍結150 d結束后，模擬周期為750 d自然解凍溫度場變化情況，此時第一類邊界條件，使凍結管不再提供冷量，僅靠第二類邊界條件大氣與地層的熱交換進行解凍。

3.2水熱耦合基本理論

溫度場控制方程如下。

ρsC·Tt-Lρiθit=λ·

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2（T）。 （1）

式中：ρs為土體的密度， g/cm3；C為土體的等效容積熱容量，J/（cm3·℃）；T為溫度，℃；L為冰水相變潛熱，J/g；ρi為冰的密度， g/cm3；λ為土體的導熱系數， J/（cm·s·℃）；θi為土體中冰的體積含量，m3 ；t為時間，s。

水分場控制方程如下。

θut+ρiρwθit=

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D（θu）

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θu+K（θu）。 （2）

式中：

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為哈密頓算子; ρw為水的密度， g/cm3；θu為土體中未凍水體積含量， cm3；ρi為冰的密度， g/cm3；θi為土體中冰的體積含量， cm3；D（θu）為水分擴散系數， cm2/s；K（θu）為土的滲透系數， cm/h。

同時選用相對飽和度S為變量代替θu進行水熱耦合求解，公式為

S=θu-θrθs-θr。 （3）

式中：θu為未凍水體積含量;θr為殘余含水率;θs為飽和含水率。

上述公式2個微分控制方程，包含3個基本變量，未凍水含量（θu）、含冰量（θi）和溫度（T），2個公式無法對3個變量進行求解，因此需要一個聯系方程，方可求出3個基本變量。

白青波[23]根據前人經驗提出 “固液比”的概念，表示土體中固態冰與液態水的比值，將其作為耦合方程

BI=θiθu1.1TTfB-1T

式中：系數1.1為水與冰的密度之比ρw/ρi；B為隨土質與含鹽量變化的常數；Tf為土體凍結溫度。

水熱耦合屬于強耦合，彼此相互影響，溫度的變化使得未凍水含量變化，含冰量與含水量產生改變，含冰量與含水量的改變引起土體的導熱系數與熱容發生改變，反過來對溫度造成影響。本研究采用的水熱耦合計算流程如圖5所示。

3.3計算結果及分析

3.3.1積極凍結期溫度場分布

該隧道實際凍結施工過程中，積極凍結期為150 d，隧道南端實測的凍結壁有效厚度為3.06 m。數值模擬中同樣取積極凍結時間為150 d，所形成的凍結壁總厚度為4.57 m，其中凍結管圈徑內側厚度為2.5 m，外側厚度為2.07 m，因凍結管圈徑距隧道外半徑為1.1 m，可知凍結壁有效厚度為3.17 m，與實際情況基本相符。積極凍結期內凍結壁的形成過程如圖6所示。

觀察圖6積極凍結期溫度場云圖可知，隨著凍結時間的增加，土體凍結的影響范圍逐漸增大；在積極凍結初期，土體的溫度迅速降低，凍結管周圍土體中孔隙水結成冰，并且互相膠結在一起，最終形成連續分布的止水帷幕；在積極凍結60 d后，凍結土體溫度降低速度逐漸減緩，凍結帷幕厚度緩慢增加，隧道土體中心溫度緩慢降低，根據成冰公式可推算出，此時凍結帷幕平均溫度降至-9.5 ℃，滿足設計凍結帷幕平均溫度要求。在積極凍結期后期，對比隧道側面及拱頂、拱底可知，隧道拱頂和拱底溫度場擴散速度相比側面擴散速度較慢，主要原因是，此時溫度場擴散進入了上方的砂土地層及下方的全風化花崗巖地層，相比于隧道所處的砂質黏土地層，這2個地層的含水率及導熱系數較低，因此溫度場的擴散速率較低。

3.3.2自然解凍期溫度場分布

在凍結期結束之后，迅速關閉凍結站，并停止冷凍鹽水循環，開始進入自然解凍期。由于本工程的凍結體量較大，加之地層自然解凍過程本身較為緩慢，因此，在本節的數值計算中，總共模擬了750 d自然解凍期的溫度場變化，圖7為隧道自然解凍10、50、100、200、750 d溫度場變化云圖。結果表明，自然解凍溫度場分為快速解凍、相變階段和穩定升溫3個階段，在自然解凍前期，土體處于快速解凍階段，土體內部不同位置溫差較大，自然解凍第10天時，凍土圈附近凍結帷幕平均溫度快速升至-10 ℃，之后隨著時間推移，凍結帷幕平均溫度繼續升高至-2 ℃，此時凍土帷幕處于冰水相變階段，土體中冰吸收大量熱量融沉成水，但是溫度不變，這一階段持續較長，從自然解凍溫度場100 ～600 d變化情況可以看出，溫度場基本沒有太大的變化。自然解凍期末期，土體進入穩定升溫階段，基本恢復正溫，土體中孔隙冰重新轉化成液態水的形式存在。

3.3.3模擬與實測數據對比

本工程積極凍結期為150 d，隧道南端共有4個測溫孔，長度為30～75 m，其中1號測溫孔布置在馬蹄形隧道拱頂，位于凍結管外側約0.8 m處，2號測溫孔位于馬蹄形隧道拱底，凍結管內側約0.8 m處，3號、4號測溫孔分別位于馬蹄形隧道右、左兩側凍結管內部約0.8 m和外部約0.8 m處。土體溫度的監測主要是為了進行凍結壁厚度計算，保證工程的安全穩定，為了驗證溫度場模擬結果的可靠性，將4個測溫孔得出的實際數據與模擬數據進行對比，具體數據如圖8所示。

對比4個測溫孔內溫度監測數據，可得出以下結論。

1）相對于凍結管圈徑外側，凍結管圈徑內側的土體溫降速度更快。

2）隧道拱頂、拱底的溫度下降速率高于隧道左右兩側。

3）有限元模擬溫度場數據與測溫孔實測溫度場數據整體趨勢一致，結果雖有誤差，但誤差較小。因此說明了本次數值模擬得到的瞬態凍結溫度場能夠較為真實地反映工程現場情況，并具有相當的精確性，更進一步表明數值模擬中熱物理參數依據凍土物理性能試驗取值，可靠性較高。

造成誤差的主要原因有以下原因：①在實際工程中土層的分布是不均勻的，而在模擬過程中的計算模型為理想模型，假定土層為均勻分布；②本研究在試驗測定熱物理參數時設置了凍土與非凍土2 種狀態，但實際上土體的熱物理參數是隨著時間不斷變化的，這需要更多的試驗數據進行精確減少誤差。

3.4土體熱物理參數改變對溫度場的影響

3.4.1導熱系數對凍融溫度場影響分析

為了分析導熱系數對凍融溫度場的影響效果，以實際工程為基礎進行分析，根據高珍珍[17]，陳曉鵬[18]研究經驗可知，導熱系數相較于注漿后地層是最大的，因此在天然土導熱系數基礎上降低10%、20%、30%進行模擬。為了對比不同導熱系數對土體溫度發展影響，選取1號測溫孔作為數據采集點，繪制溫度隨時間變化曲線，如圖9所示。

由圖9和圖10可知，不同導熱系數下，土體溫度隨時間變化趨勢大致相同，相同凍結時間下，導熱系數越小土體溫度最終越高，土體達到相變溫度時間越長，土體恢復正溫的時間也越長。其中，在 100%、90%、80%和70%導熱系數下，根據內插法導熱系數每降低10%時，對應達到土體相變的時間平均增加2 d，在經歷積極凍結后，相同自然解凍時間下，導熱系數高的土體較先達到冰水相變點且完成解凍的時間更短，平均導熱系數每降低10%時，自然解凍的時間增加30 d。天然土體經過水泥改良之后，土的導熱系數呈下降趨勢，因此單獨從導熱系數的改變對凍結溫度場發展分析，水泥的摻入對溫度場發展速度有一定抑制效果。由以上數據能得出，在積極凍結期溫度的下降速度與導熱系數的變化量基本呈正相關性，而最終自然解凍的時間與導熱系數呈負相關。

3.4.2容積熱容對凍融溫度場影響分析

根據已有經驗[19-21]，由于水泥與水發生反應，土體中一部分的自由水被消耗掉，從而導致土體的容積熱容，因此模擬以天然土模型為基礎，分析容積熱容降低10%、20%和30%時，對于凍融溫度場的影響，具體模擬計算結果圖11所示。

由圖11和圖12可知，在積極凍結期測溫孔內溫度逐漸降低，達到相變溫度后，測溫孔內溫度先是在一段時間內基本不變，隨后驟降，在積極凍結期末期，溫度降低速率變緩。進入自然解凍期后，測溫孔內溫度有明顯的上升趨勢，并快速提升到相變溫度，在相變階段維持一段時間后，測溫孔內溫度恢復正溫。以容積熱容為單一變量時，容積熱容越低，相同凍結時間下測溫孔內溫度越低，相同自然解凍時間下，溫度上升的速率越快。容積熱容越低土體溫度下降速度越快，達到相變溫度時間越短。在自然解凍期間容積熱容越小，解凍所需的時間也越短，但是減小的幅度不是很大，平均容積熱容降低10%自然解凍時間縮短20 d，當采用先注漿后凍結工法時，由于水泥與水發生反應，土體中一部分的自由水被消耗掉，從而導致土體的比熱容降低，容積熱容也隨之發生改變，因此在增加水泥摻量下，有助于凍結溫度場的發展，并縮短融沉周期。

3.5環境改變量對溫度場的影響

3.5.1原始地溫對凍融溫度場影響分析

在水泥預加固地層的實際工程中，原始地溫會受到水泥摻量的影響而發生改變，原因是，水泥與水發生反應會釋放出水化熱使地層溫度升高。水泥摻量的不同導致釋放的水化熱量也不一樣，因此為了更加貼合實際工程現狀，探討原始地溫升高至25、30、35 ℃時，對凍融溫度場的影響效果。

由圖13和圖14可知，原始地溫發生變化后對于凍結溫度場有著顯著的影響，主要體現在土體發生冰水相變的時間方面，平均原始地溫提高5 ℃，冰水相變時間延長5 d。在積極凍結期末期不同原始地溫下土體的溫度基本一致。究其原因在于隨著原始低溫的升高，土體在降溫時所需冷量也就越多，因此土體達到凍結溫度的時間也就越長，但當冰水相變結束后，土體持續降溫階段的趨勢是一致的。對于融沉溫度場來說，原始地溫的改變對其影響微乎其微，不同的原始地溫下，土體解凍溫度變化規律基本一致，并且土體恢復正溫的時間也基本相同。因此在后期模擬分析水泥預加固地層對土體凍脹融沉位移影響時，不同水泥摻量下的原始地溫可以設置為相同溫度，其對于最終結果的影響基本可以忽略。

3.5.2水泥摻量對凍融溫度場影響分析

以上研究可知，人工凍結法中凍融溫度場的發展受到多因素影響，在先注漿后凍結工法施工時由于不同水泥摻量注漿的影響，土體的熱物理參數有所差異，會導致凍融過程中溫度場的發展不一致，水泥的摻入導致土體導熱系數、容積熱容等因素發生變化。因此為了更加直觀地體現水泥參量對凍融溫度場的綜合影響，有必要研究水泥摻量的變化對于凍融溫度場的影響，以便于在施工時選取最合適的水泥摻量進行注漿。

由圖15和圖16分析可知，在相同降溫條件下，不同水泥摻量積極凍結期末期達到的溫度也不同，隨著水泥摻量的增加，最終負溫呈現先增大后減小的趨勢，凍結末期12%水泥摻量下達到的負溫最高。在水泥摻量為12%內，平均水泥摻量增加3%，達到相變的時間減少2.5 d，在水泥摻量為12%以上，平均水泥摻量增加3%，達到相變的時間增加2 d，對于融沉溫度場而言，在12%水泥摻量下土體恢復正溫的時間最短，相對于原狀土減少了84 d。

對于凍結溫度場而言，不同水泥摻量下土體達到相變的時間及降溫速率不同；對于自然解凍溫度場分析，不同水泥摻量下土體的解凍時間具有一定差異。水泥土凍融時存在凍結最佳水泥摻量，砂質黏土凍融最佳水泥摻量為12%，該摻量時土體凍結效果最好，且自然解凍周期最短。

4結論

本研究分析水泥改良土地層凍融溫度場全過程發展影響性分析主要結論有以下幾點。

1）通過模擬地層溫度場全過程發展規律分析，在積極凍結前60 d的地層迅速凍結，之后土體降溫速度緩慢，凍結150 d是有效凍結壁厚度達到3.17 m；在自然解凍前期，土體處于快速解凍階段，土體內部不同位置溫差較大，之后隨著時間推移凍土帷幕達到冰水相變階段，這一階段持續較長，溫度場基本沒有太大的變化，自然解凍期末期，土體進入穩定升溫階段，基本恢復正溫。

2）有限元模擬溫度場數據與測溫孔實測溫度場數據整體趨勢一致，對于同一測溫孔實測數據與模擬數據接近，說明使用該數值模型模擬凍融溫度場全過程發展是可行的，可為廣東地鐵軌道交通類似地質條件工程提供理論參考。

3）由溫度場全過程敏感性分析可知，第一， 對于水泥改良土來說，其導熱系數低于天然土地層，導致抑制凍融溫度場發展，相同凍結時間下，溫度場下降速度與導熱系；第二，容積熱容與凍融溫度場呈負相關性，容積熱容降低，土壤溫度下降速率增加，且解凍速率更快；第三，原始地溫變化對于凍結溫度場具有顯著的影響，但對于融沉溫度場而言其影響微乎其微，土體恢復正溫的時間也基本相同；第四，水泥摻量的改變涉及到影響溫度場的多個因素隨之改變，通過研究發現在水泥摻量為12%時，土體凍結效果最好，且融沉溫度場發展速率最快，自然解凍周期最短。

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