廈門地區(qū)含鹽地層凍土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

蘇文德, 周建軍

(1. 廈門軌道交通集團(tuán)有限公司, 福建 廈門　361026； 2. 盾構(gòu)與掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州　450001)

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廈門地區(qū)含鹽地層凍土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

蘇文德1, 周建軍2

(1. 廈門軌道交通集團(tuán)有限公司, 福建 廈門361026； 2. 盾構(gòu)與掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州450001)

摘要：在海底地層中進(jìn)行凍結(jié)法施工時(shí)，海水浸漬使地層中的含鹽量增加，從而影響到形成凍土帷幕的物理力學(xué)性質(zhì)。為了獲得海底含鹽地層的凍土物理力學(xué)參數(shù)，針對廈門地區(qū)地鐵建設(shè)中涉及的含鹽地層，從施工現(xiàn)場采集了原裝土樣，在試驗(yàn)室中完成了原狀土及重塑土凍結(jié)后的物理力學(xué)參數(shù)測試，獲得了不同地層的單軸抗壓強(qiáng)度值。試驗(yàn)結(jié)果表明，重塑土樣和原狀土樣的試驗(yàn)過程具有較好的一致性，獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和強(qiáng)度值相差不大。同時(shí)，砂性土具有較高的強(qiáng)度和較大的彈性模量，而黏性土的單軸抗壓強(qiáng)度相對較低，并呈現(xiàn)出明顯的峰值現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：含鹽地層； 人工凍土； 物理力學(xué)性能； 單軸抗壓強(qiáng)度

0引言

人工凍結(jié)法是通過預(yù)先埋置的凍結(jié)管將冷量傳遞到地層中，吸收凍結(jié)管周圍土體的熱量，使土體結(jié)冰，以達(dá)到加固土體和隔絕地下水目的的一種特殊施工方法，在北京、上海、廣州等地的地鐵建設(shè)中發(fā)揮了良好的作用[1]。由于凍結(jié)法可適用于任何含水地層，所以在城市地鐵、過江隧道、軟土深基坑等市政工程施工中遇到復(fù)雜的工程地質(zhì)條件時(shí)，人工地層凍結(jié)法更能顯示出其優(yōu)越性[2]。

廈門軌道交通2號線一期工程西起蘆坑站，止于五緣灣站，其中海滄大道站—東渡路站區(qū)間穿越海底，區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道的建設(shè)需要穿越砂層，施工時(shí)采取凍結(jié)法來加固相應(yīng)地層，可形成良好的封水效果，以隔絕海水與施工環(huán)境之間的聯(lián)系，為后續(xù)開挖施工創(chuàng)造條件。由于聯(lián)絡(luò)通道位于海底，海水的長期浸潤會導(dǎo)致地層含鹽量增加，影響到土體的結(jié)冰溫度及形成凍土的物理力學(xué)性質(zhì)，使凍結(jié)法施工、設(shè)計(jì)與普通地層差別較大，而凍土的物理力學(xué)參數(shù)又是凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工中需要掌握的重點(diǎn)參數(shù)，與凍結(jié)設(shè)計(jì)、施工的質(zhì)量關(guān)系密切； 所以，在一個(gè)地區(qū)進(jìn)行凍結(jié)施工前，都需要針對相關(guān)的地層進(jìn)行專門的物理力學(xué)測試，以獲得相關(guān)參數(shù)。

凍土是由各種成分組成的天然多相體系，其基本成分包括固體礦物顆粒、冰、水(包括未凍水和強(qiáng)結(jié)合水)和水汽。由于凍土屬于流變體，凍土單軸抗壓強(qiáng)度是由冰和土顆粒膠結(jié)后形成的黏結(jié)力和內(nèi)摩擦力所組成，受到顆粒大小、含水量、含鹽量等因素的影響密切。齊吉琳等[3]、姜忠宇等[4]通過試驗(yàn)室內(nèi)的凍土試驗(yàn)，研究了單軸抗壓強(qiáng)度與主要影響因素之間的關(guān)系，介紹了凍土試驗(yàn)的基本過程和要求。針對煤礦凍結(jié)法施工的特點(diǎn)，戚家忠等[5]、林斌等[6]、鄭明等[7]分別研究了祁東礦區(qū)和淮南礦區(qū)煤礦建設(shè)中穿越不同地層時(shí)的凍土物理力學(xué)性質(zhì)，獲得了相應(yīng)地層的凍土單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)。對于城市市政工程中的凍結(jié)法應(yīng)用，汪崇鮮[8]、賀俊等[9]、王星童等[10]進(jìn)行了上海、蘇州、杭州等城市軟土地層物理力學(xué)參數(shù)的測試，獲得了隧道聯(lián)絡(luò)通道及旁通道凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工需要的基本參數(shù)。邵晨晨等[11]、李凱等[12]對廣州、天津等城市的地層進(jìn)行了凍土的力學(xué)參數(shù)測試，研究了不同影響因素下的凍土物理力學(xué)參數(shù)。另外，張海東等[13-14]、陳文峰[15]對凍土在動荷載下的力學(xué)性能開展了相關(guān)研究，獲得了一些有意義的結(jié)論。

從已有的研究來看，目前對地層單軸抗壓強(qiáng)度的研究主要針對內(nèi)陸地區(qū)不含鹽地層開展，對海底含鹽地層的物理力學(xué)參數(shù)，特別是對含鹽地層的原狀土樣和重塑土樣的對比研究開展得較少。廈門地鐵2號線作為我國第一個(gè)穿越海底的地鐵隧道，其聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)法是第一次在海底的含鹽地層中進(jìn)行施工，不僅無成熟經(jīng)驗(yàn)可供參考，而且也缺少相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工參數(shù)。

本文依托廈門地鐵2號線海滄大道站—東渡路站區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道工程，現(xiàn)場取樣后在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了原狀土樣和重塑土樣的單軸抗壓強(qiáng)度測試，獲得相關(guān)地層的凍土單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)，可作為凍結(jié)工程設(shè)計(jì)和施工的強(qiáng)度取值依據(jù)，也可為類似地層的相關(guān)研究提供參考。

1試驗(yàn)過程

1.1現(xiàn)場取樣

為了獲取施工現(xiàn)場地層的單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，選取現(xiàn)場原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測試相關(guān)參數(shù)。原狀土樣指土樣取出后，其顆粒、含水量、密度、膠結(jié)性和結(jié)構(gòu)等物理性能保持不變的土樣，由于取樣地層位于海底，所以使用駁船從水面進(jìn)行回轉(zhuǎn)方式鉆進(jìn)，在設(shè)計(jì)深度處進(jìn)行原狀土的取樣工作。

根據(jù)土樣的性質(zhì)差別，從不同深度的鉆孔土樣中選取了4種土層進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)土層的基本性質(zhì)見表1。

表1　試驗(yàn)土層基本性質(zhì)

土樣取樣后，在現(xiàn)場進(jìn)行初加工，裝入專用試樣盒，并用防水膠帶密封后再進(jìn)行蠟封，保證存放過程中水分不損失。密封完成后，將試樣盒表面貼上標(biāo)簽，放入專用存放儀器箱，運(yùn)回試驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.2原狀土樣的加工

將從現(xiàn)場運(yùn)回的土樣在-30 ℃溫度下快速凍結(jié)6～8 h，再調(diào)整溫度到-10 ℃維持24 h后，在負(fù)溫環(huán)境下小心開啟原狀土包裝，辨別土樣上下層次，用鋼鋸平行鋸平土樣兩端。用削土刀、切土盤和切土器將土塊修整成形，試驗(yàn)土樣規(guī)格為φ61.8×125 mm的圓柱體，確保該圓柱體試樣的兩端平整，其長度尺寸誤差不超過1 mm，兩端面平行度誤差小于0.5 mm，直徑誤差不超過1 mm。

試樣制備過程中，細(xì)心觀察土樣情況，并記錄層位、顏色、有無雜質(zhì)、土質(zhì)是否均勻和有無裂縫等，制備過程按MT/T593.1《人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)》的規(guī)定進(jìn)行。制備好的試樣密封后在試驗(yàn)溫度下保持24 h，使土樣溫度均勻，供后續(xù)試驗(yàn)使用。

1.3重塑土樣的制備

重塑土樣是指土樣取出后經(jīng)重新制備，其膠結(jié)性、密度和結(jié)構(gòu)等物理性能有所改變的土樣。利用原狀土樣加工后的剩余部分，經(jīng)烘干、破碎、配土、加工成型，保證土樣的含水率和密度與原狀土相同。重塑土樣的制備過程按MT/T593.1的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)試樣的規(guī)格為φ61.8×125 mm，保證土樣中的最大顆粒粒徑小于試樣最小尺寸的1/10，同時(shí)要求外形尺寸誤差小于1.0%，試樣兩端面平行度不大于0.5 mm。

1.4試驗(yàn)加載過程

試驗(yàn)在帶有恒溫裝置的MTS815材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)加載設(shè)備見圖1。

恒溫裝置使試驗(yàn)過程的溫度穩(wěn)定在-10 ℃，波動范圍不超過±0.2 ℃。試驗(yàn)使用單軸應(yīng)變速率0.001/s方式進(jìn)行加載控制，試驗(yàn)過程中嚴(yán)格保證凍土試件軸線與試驗(yàn)機(jī)加載軸線重合，避免偏心加載。試驗(yàn)過程中的位移和荷載通過計(jì)算機(jī)自動采集，當(dāng)荷載值達(dá)到峰值穩(wěn)定或下降時(shí)，再繼續(xù)增加3%～5%的應(yīng)變值后停止試驗(yàn)。如果荷載值一直增加，則試驗(yàn)進(jìn)行到軸向應(yīng)變大于20%時(shí)停止。試驗(yàn)完成后停機(jī)卸載取下試樣，對試樣破壞后的情況進(jìn)行描述，并采用烘干法對破壞后的試件進(jìn)行含水率測定。

圖1　試驗(yàn)加載設(shè)備

2試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1原狀土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)中獲得的典型原狀土樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2　原狀土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2可以看出： 土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為2個(gè)主要階段，即線性增加階段和穩(wěn)定階段。在線性增加階段，土樣的凍土強(qiáng)度隨應(yīng)變的增長而線性增加； 當(dāng)強(qiáng)度增加到一定數(shù)值后，隨著凍土試樣應(yīng)變的增加，凍土強(qiáng)度增加幅度變緩或者逐漸減小，表現(xiàn)為強(qiáng)度變化的穩(wěn)定階段。從曲線的變化形式來看，僅有砂質(zhì)黏性土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在穩(wěn)定階段出現(xiàn)強(qiáng)度下降的趨勢，呈現(xiàn)出強(qiáng)度峰值，其他試樣在整個(gè)加載過程中未出現(xiàn)峰值，強(qiáng)度處于一直增長狀態(tài)。

從原狀土樣的強(qiáng)度值來看，黏土質(zhì)粗砂土樣強(qiáng)度最大，而黏土土樣的強(qiáng)度最??； 從土樣的變形來看，黏土質(zhì)粗砂土樣的強(qiáng)度最早達(dá)到穩(wěn)定階段，其線性段的土樣應(yīng)變僅為2%左右，而黏土線性段土樣的應(yīng)變達(dá)到6%以上。兩者差別的主要原因是土樣顆粒尺寸大小不同引起的，對于顆粒尺寸較大的砂性土，形成凍土后顆粒之間的滑動較難，所以表現(xiàn)出較大的強(qiáng)度值，而土顆粒之間的滑動小，也使土樣的整體應(yīng)變值較小，所以土樣強(qiáng)度大小的排列順序和土顆粒尺寸大小的順序是一致的。

一般取應(yīng)力-應(yīng)變曲線線性段的斜率作為凍土的彈性模量。從圖2可以看出，不同土樣彈性模量的大小順序?yàn)轲ね临|(zhì)粗砂、砂質(zhì)黏性土、粉質(zhì)黏土、黏土，即土顆粒的大小不僅會影響到土樣的強(qiáng)度，也會影響到土樣的彈性模量。

2.2重塑土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對于重塑土樣，試驗(yàn)過程獲得的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3　重塑土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖3可以看出，重塑土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與原狀土樣相差不大，僅黏土土樣的曲線與原狀土存在差別。原因是黏土原狀土樣中易出現(xiàn)分層、節(jié)理甚至微裂縫等缺陷，所以在試驗(yàn)過程中首先是節(jié)理和裂縫的閉合，表現(xiàn)出土樣出現(xiàn)較大的變形，而缺陷的存在也會使土樣強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的降低。相對而言，重塑土樣在試驗(yàn)內(nèi)制備，加工的質(zhì)量高，形成的試樣更均勻，所以強(qiáng)度和彈性模量相對較高。對比圖2中的曲線可以看出，原狀黏土土樣的強(qiáng)度值偏小，且未出現(xiàn)明顯的峰值，其原因是原狀土樣中易出現(xiàn)缺陷，而缺陷的存在會造成凍土強(qiáng)度的降低，所以在試驗(yàn)中對于強(qiáng)度值明顯偏小的黏土土樣，應(yīng)做針對性的分析和處理。

與原狀土樣相類似，從試驗(yàn)結(jié)果來說，黏土質(zhì)粗砂的強(qiáng)度最大，線性段的應(yīng)變值較?。?而黏土和砂質(zhì)黏性土的強(qiáng)度相對較小，線性段的應(yīng)變值較大。

2.3土樣的試驗(yàn)強(qiáng)度值

根據(jù)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，凍土的單軸抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度一般取應(yīng)力-應(yīng)變曲線準(zhǔn)線性段的最大值，而試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力(無峰值時(shí)取破壞應(yīng)變?yōu)?0%對應(yīng)的應(yīng)力值)較設(shè)計(jì)強(qiáng)度大，一般稱之為破壞強(qiáng)度。試驗(yàn)中每個(gè)地層進(jìn)行5個(gè)試樣的測試，取相差較小的3個(gè)強(qiáng)度值的平均值作為試驗(yàn)的強(qiáng)度取值，試驗(yàn)獲得的凍土設(shè)計(jì)強(qiáng)度見表2。

表2　凍土的單軸抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值

從表2可以看出，不同地層的原裝土樣的強(qiáng)度介于2.34～3.37 MPa，其中黏土質(zhì)粗砂的強(qiáng)度值最大，而黏土的強(qiáng)度值最小，這是由于不同地層土顆粒尺寸的大小差異造成的。一般來說，地層中含砂量的多少也會影響到土樣的強(qiáng)度值，含砂量越高，其強(qiáng)度值越大。

比較重塑土樣與原狀土樣的強(qiáng)度值可以看出，重塑土樣的強(qiáng)度值較原狀土樣稍大，其原因是重塑土樣在試驗(yàn)室內(nèi)加工，較高的制備質(zhì)量可以保證試樣的均勻和致密，特別是含水量的均勻性，可以在一定程度上保證凍土的強(qiáng)度。另外，重塑土樣存在裂縫等缺陷的可能性小，所以同一地層不同試樣之間的強(qiáng)度值相差不大，離散性較小。

2.4重塑土樣和原狀土樣的比較

為了進(jìn)一步研究重塑土樣與原狀土樣試驗(yàn)結(jié)果的差別，取黏土質(zhì)粗砂和砂質(zhì)黏性土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)過程中獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4　試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較

Fig. 4Stress-strain comparison and contrast between intact soil samples and the remoulded soil samples

從圖4可以看出： 對于黏土質(zhì)粗砂和砂質(zhì)黏性土地層，相同土層的原狀土樣和重塑土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本一致，其強(qiáng)度值也相差不大，僅在線性段存在少許差別； 比較黏土質(zhì)粗砂地層的試驗(yàn)曲線，重塑土樣線性段的設(shè)計(jì)強(qiáng)度值稍高，彈性模量較大，在強(qiáng)度變化的穩(wěn)定階段兩者幾乎一致； 對于砂質(zhì)黏性土來說，重塑土樣和原狀土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間的差別與黏土質(zhì)粗砂基本一致。原狀土樣和重塑土樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間出現(xiàn)差別的原因是重塑土樣制備質(zhì)量高，試驗(yàn)均勻致密，所以強(qiáng)度試驗(yàn)值較大； 而原狀土樣受到現(xiàn)場取樣的影響，試樣中可能存在缺陷，這會影響到試樣的強(qiáng)度和變形，在試驗(yàn)后期的強(qiáng)度變化穩(wěn)定階段，由于壓縮作用使原狀土樣中的缺陷閉合，土樣的致密性與重塑土樣基本一致，表現(xiàn)為2條應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合。所以，在實(shí)際工程中可以用重塑土樣來代替現(xiàn)場原狀土樣進(jìn)行試驗(yàn)，獲得的試驗(yàn)值可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3結(jié)論和建議

通過現(xiàn)場取樣，在試驗(yàn)室內(nèi)完成了原狀土樣及重塑土樣的凍土力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，獲得了凍土的單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)，分析了試驗(yàn)過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特點(diǎn)，得到以下結(jié)論。

1)廈門地區(qū)含鹽地層在負(fù)溫條件下的凍土力學(xué)性能得到較大的提高，可以對軟土地層起到很好的加固效果。從試驗(yàn)結(jié)果來看，黏土質(zhì)粗砂地層的強(qiáng)度最高，達(dá)到3.37 MPa，而黏土地層強(qiáng)度最低，原狀土樣的強(qiáng)度僅為2.34 MPa。

2)對于黏土質(zhì)粗砂和砂質(zhì)黏性土層來說，重塑土樣的測試強(qiáng)度值較原狀土樣稍大，兩者應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線具有很好的一致性，所以，實(shí)際工程中可以用重塑土樣來代替原狀土樣進(jìn)行物理力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)。

3)土層的強(qiáng)度值、彈性模量及變形量主要受到土顆粒尺寸的影響，較大尺寸砂土顆粒含量的增加會提高土層的強(qiáng)度值和彈性模量，相應(yīng)地會使土樣變形線性段的應(yīng)變值變小。

本文研究獲得的參數(shù)可以直接用來指導(dǎo)工程的設(shè)計(jì)和施工，提高設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量。由于凍土單軸抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)受多因素的影響，特別是溫度的改變影響明顯，因此，應(yīng)進(jìn)一步開展不同含鹽量和溫度對地層影響的研究，從而為施工中采取提高強(qiáng)度的針對性措施提供依據(jù)。

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我國自主研發(fā)的世界最小直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)成功下線

近日，我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的世界最小直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)在鄭州成功下線，標(biāo)志著我國最小掘進(jìn)機(jī)研制和產(chǎn)業(yè)化水平已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

本次下線的硬巖掘進(jìn)機(jī)開挖直徑為3.53 m，組裝全長達(dá)到235 m，是目前我國自主研發(fā)制造的世界最小直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)，由于要在更小的空間布局?jǐn)?shù)百萬零件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)制造難度前所未有。該臺硬巖掘進(jìn)機(jī)將應(yīng)用于黎巴嫩大貝魯特供水隧道和輸送管線建設(shè)項(xiàng)目，是為其復(fù)雜的地質(zhì)情況而專門研制的，共計(jì)2臺掘進(jìn)機(jī)，價(jià)值1.2億元。2臺“歐標(biāo)”掘進(jìn)機(jī)將在鄭州進(jìn)行生產(chǎn)組裝，預(yù)計(jì)于2016年3月交付使用。

(摘自 中國工程機(jī)械商貿(mào)網(wǎng) http://www.chinastock.com.cn/yhwz_about.do?docId=5223778&methodCall=getDetailInfo2016-01-26)

Experimental Study on Mechanical Properties of

Salt-bearing Frozen Soil in Xiamen, China

SU Wende1, ZHOU Jianjun2

(1.XiamenRailTransitGroupCo.,Ltd.,Xiamen361026,Fujian,China;

2.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

Abstract:The effect of seawater soakage will increase the salt content of undersea strata and affect the mechanical properties of frozen soil curtain. To acquire the physical and mechanical parameters of frozen soil of salt-bearing strata, some tests are made on the intact salt-bearing soil samples collected from undersea tunnel of Haicangdadao Station-Dongdulu Station section in Xiamen and remoulded soil samples, and the uniaxial compressive strength of frozen soils are gained. The test results show that: 1) The properties of remoulded soil samples and that of intact soil samples are almost the same. The stress-strain curves and strength of remoulded soil samples and that of intact soil samples are almost the same. 2) The sandy soil has large strength and elastic modulus, and the cohesive soil has small uniaxial compressive strength and shows obvious peak value.

Keywords:salt-bearing strata; artificial frozen soil; physical and mechanical properties; uniaxial compressive strength

中圖分類號：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)01-0027-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.004

作者簡介：第一 蘇文德(1973—)，男，福建龍海人，1995年畢業(yè)于東南大學(xué)，交通工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事地下交通工程建設(shè)和管理工作。E-mail: 385651779@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA041802, 2012AA041803)

收稿日期：2015-09-30; 修回日期： 2015-11-10