人工凍融軟弱土融沉特性研究

莊惠敏， 楊　平，何文龍

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

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人工凍融軟弱土融沉特性研究

莊惠敏， 楊平，何文龍

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

摘要：隨著人工凍結(jié)法在地鐵建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，控制工后融沉已成為軟弱地層凍結(jié)需要解決的難題.以蘇州地鐵典型軟弱土層為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究，得出不同補(bǔ)水條件下原狀土開(kāi)放融沉系數(shù)大于封閉融沉系數(shù)；融前卸載加壓方式下，融沉系數(shù)隨上部荷載增大呈指數(shù)型減??；無(wú)黏性重塑土融沉系數(shù)與原狀土接近，黏性土重塑后融沉系數(shù)變大，其差值隨該土靈敏度增大而增大；對(duì)于非飽和黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，開(kāi)放凍融條件下融沉系數(shù)與干密度變化關(guān)系均存在臨界干密度，對(duì)應(yīng)土體融沉系數(shù)最小.

關(guān)鍵詞：人工凍土；融沉系數(shù)；補(bǔ)水條件；荷載；干密度

0引言

軟弱地層地鐵建設(shè)中，聯(lián)絡(luò)通道施工常需進(jìn)行地層加固，加固方法有旋噴樁、深層攪拌樁、人工凍結(jié)法等，其中人工凍結(jié)法在軟土地層中加固效果顯著[1-5].凍結(jié)法形成的凍結(jié)壁強(qiáng)度高，可有效隔絕地下水對(duì)施工的影響，但凍結(jié)易使地層產(chǎn)生凍脹融沉現(xiàn)象，引起聯(lián)絡(luò)通道和隧道主線的不均勻沉降，從而使隧道產(chǎn)生彎曲變形、接縫錯(cuò)開(kāi)，發(fā)生漏水漏泥現(xiàn)象，最終造成鄰近建筑物傾斜和開(kāi)裂、地下管線破壞等危害[6-8].如南京地鐵四號(hào)線穿越的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土補(bǔ)水條件下的融沉系數(shù)可達(dá)16.08%[9]，故對(duì)于這種軟弱土層，凍結(jié)法施工后的融沉控制尤為重要.

地處長(zhǎng)三角的蘇州地區(qū)土層較為軟弱，因此在地鐵聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)中常使用凍結(jié)法加固土層.目前，對(duì)多次凍融循環(huán)條件下的人工凍土研究較多，主要分析了凍融特性[10]、滲透特性[11]等與凍融次數(shù)之間的關(guān)系；對(duì)單次凍融，主要研究了不同因素對(duì)人工凍土的抗壓強(qiáng)度[12]、抗剪強(qiáng)度[13]等物理力學(xué)特性以及動(dòng)力特性[14]的影響，而不同因素對(duì)凍土的融沉特性影響研究甚少.因此，針對(duì)不同補(bǔ)水條件、不同荷載條件，取蘇州地鐵典型土層原狀土進(jìn)行融沉特性研究，并配制不同干密度的重塑土，從理論上研究分析干密度與融沉系數(shù)之間的關(guān)系，以更好地對(duì)凍結(jié)法施工后的融沉進(jìn)行控制.

1試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容及方法

1.1研究?jī)?nèi)容

以蘇州地鐵典型軟弱土層③黏土、④1粉土、④2粉砂、⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(取自蘇州軌道交通一號(hào)線濱河路站)為研究對(duì)象，對(duì)各土層原狀土進(jìn)行不同補(bǔ)水條件(開(kāi)放和封閉系統(tǒng))、不同荷載條件下的融沉特性研究；對(duì)原狀土和重塑土相同含水率、相同干密度以及相同凍融條件下的融沉系數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究；對(duì)重塑土進(jìn)行不同干密度對(duì)其融沉系數(shù)的影響規(guī)律研究；并從理論上分析其規(guī)律變化的內(nèi)在機(jī)理.

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用土的基本物理參數(shù)見(jiàn)表1.其中，試樣尺寸φ80 mm×H50 mm，試驗(yàn)儀器采用南京林業(yè)大學(xué)研制的凍脹融沉儀，示意圖如圖1.試驗(yàn)前先將土樣放在1 ℃恒溫環(huán)境下恒溫處理6 h，具體根據(jù)GB/T50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行不同條件下的凍脹融沉試驗(yàn)[15].

表1　試驗(yàn)土樣基本物理參數(shù)

1—制冷板; 2—試樣盒; 3—補(bǔ)水裝置;

補(bǔ)水條件為封閉系統(tǒng)(凍結(jié)時(shí)不補(bǔ)水)和開(kāi)放系統(tǒng)(凍結(jié)時(shí)補(bǔ)水)，當(dāng)試樣中開(kāi)始出現(xiàn)凍結(jié)鋒面時(shí)進(jìn)行第一次補(bǔ)水，隨后持續(xù)單向補(bǔ)水；荷載條件為加載和無(wú)載，加載時(shí)采用融前卸載方式，通過(guò)固結(jié)儀改裝的杠桿式加壓系統(tǒng)對(duì)土體進(jìn)行加壓；凍結(jié)冷端溫度均為-10 ℃.試樣凍結(jié)完成后，關(guān)掉制冷板電源，啟動(dòng)50 ℃熱水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行解凍.

2融沉特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

融沉系數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：α0為凍土融沉系數(shù)，%；Δh0為凍土融化下沉量，mm；h0為凍土初始高度，mm.

各土層原狀土不同條件下的融沉系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2　原狀土不同條件下的融沉系數(shù)

2.1原狀土不同補(bǔ)水條件下的融沉特性

對(duì)無(wú)荷載作用相同含水率的各土層原狀土進(jìn)行封閉和開(kāi)放系統(tǒng)條件下單向凍脹融沉試驗(yàn)，其融沉系數(shù)比較見(jiàn)圖2.

由圖2可見(jiàn)，黏土、粉土、粉砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土開(kāi)放融沉系數(shù)均大于封閉融沉系數(shù)，增長(zhǎng)量分別為4.85%、4.30%、1.52%和3.72%，其增長(zhǎng)量排序?yàn)轲ね?粉土>淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土>粉砂.

土體凍脹是由于土中的水凍結(jié)成冰體積增大，土中水分包括孔隙水和凍結(jié)時(shí)的水分遷移，孔隙水凍結(jié)成冰，自身體積增大9%，水分遷移聚集在凍結(jié)鋒面處，形成冰透鏡體，使體積增大1.09倍.因此，在初始含水率相同的條件下，開(kāi)放系統(tǒng)中有水源不斷補(bǔ)給，水分增加且遷移作用大，使土樣產(chǎn)生較大凍脹，從而產(chǎn)生較大融沉.同時(shí)，在相近含水率條件下粉砂融沉系數(shù)小于其他土層.原因是砂土顆粒大，顆粒間黏聚力小，土中孔隙水毛細(xì)作用弱，導(dǎo)致水分遷移動(dòng)力小，致使砂土補(bǔ)水凍脹不明顯；而粉土和黏性土中顆粒較細(xì)，凍結(jié)過(guò)程中已凍區(qū)對(duì)土中未凍水有較強(qiáng)的吸附力，使得水分積聚凍結(jié)，體積膨脹增大.由此可知，對(duì)軟弱土層進(jìn)行加固時(shí)可用砂土換填，在砂土層使用人工凍結(jié)法加固，效果明顯.

圖2　 各原狀土層不同補(bǔ)水條件下融沉系數(shù)比較

2.2原狀土不同荷載條件下的融沉特性

人工凍結(jié)法施工地層上方已有荷載會(huì)對(duì)工后的融沉特性造成影響，為此研究了融沉系數(shù)與上部荷載關(guān)系，如圖3所示.其中補(bǔ)水條件均為開(kāi)放系統(tǒng).

圖3　 融沉系數(shù)與上部荷載關(guān)系曲線

由圖3可見(jiàn)，對(duì)于蘇州典型的4種土層，其融沉系數(shù)均隨荷載的增大而減小，經(jīng)回歸，得減小規(guī)律呈指數(shù)型變化，具體關(guān)系式如表3所示.且上部荷載小于100 kPa時(shí)融沉系數(shù)隨荷載變化較大，大于100 kPa之后變化減小，說(shuō)明初期荷載對(duì)土體融沉影響較大.

究其原因主要為：①隨著外部附加壓力的增加，土顆粒間接觸應(yīng)力變大，土中水分相態(tài)轉(zhuǎn)換受到影響，使凍土中未凍水含量增加，參與凍脹的水分減少，因而凍土整體凍脹融沉作用減弱;②外部荷載作用引起土內(nèi)水分重分布，未凍土中水分向凍結(jié)鋒面的遷移量減小，從而減小了凍脹，同時(shí)土體融化下沉?xí)r進(jìn)行卸載，致使融沉系數(shù)減小;③單向凍結(jié)自下而上，荷載作用自上而下，溫度梯度引起的水分遷移與應(yīng)力梯度引起的水分遷移部分抵消，使上部荷載增大時(shí)凍脹量減小，相應(yīng)的融沉系數(shù)隨之減小.

由以上規(guī)律可知，采用人工凍結(jié)法施工時(shí)，對(duì)施工部位上方進(jìn)行凍結(jié)時(shí)加壓、融化時(shí)卸壓的方式處理，可有效控制凍結(jié)法施工后的融沉.

2.3原狀土與重塑土融沉特性對(duì)比

對(duì)蘇州地鐵典型土層原狀土與重塑土進(jìn)行融沉特性對(duì)比試驗(yàn)，各土層相同含水率、干密度條件下的原狀土與重塑土融沉系數(shù)對(duì)比見(jiàn)表4，補(bǔ)水條件均為開(kāi)放系統(tǒng).

表4　各土層原狀土與重塑土融沉系數(shù)

由表4可知，無(wú)黏性土層粉土和粉砂相同條件下原狀土融沉系數(shù)與重塑土融沉系數(shù)非常接近；而黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土重塑后產(chǎn)生了較大變化，且原狀土融沉系數(shù)均小于重塑土融沉系數(shù)，黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土重塑土融沉系數(shù)分別為原狀土的1.09倍和1.22倍.

究其原因，粉土和粉砂土顆粒大，砂粒間缺少黏聚力，因而重塑后不會(huì)造成結(jié)構(gòu)性的破壞影響；而天然黏性土中土顆粒與孔隙的形狀和排列是有序的，顆粒之間存在黏結(jié)力，即黏性土有著很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，重塑后土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，其融沉特性受到影響.另外，從靈敏度的角度分析，土體靈敏度反應(yīng)土體強(qiáng)度因結(jié)構(gòu)破壞而降低的程度，靈敏度越高，土顆粒間膠結(jié)穩(wěn)定性越強(qiáng)，則重塑后土體結(jié)構(gòu)受到破壞越嚴(yán)重.淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土靈敏度3.4，大于黏土的1.9，相應(yīng)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù)變化也大，說(shuō)明靈敏度越高，對(duì)土體融沉特性影響越大.

因此，對(duì)于無(wú)黏性土和靈敏度較小的黏性土，重塑后對(duì)其融沉系數(shù)影響不大，可用重塑土代替原狀土來(lái)研究其融沉特性.

2.4不同干密度對(duì)融沉特性的影響研究

土體加固在最佳干密度時(shí)壓實(shí)效果最好，據(jù)此可對(duì)軟弱地層進(jìn)行有效加固，同時(shí)，干密度也是影響土體融沉特性的重要因素，對(duì)蘇州地鐵黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土進(jìn)行了不同干密度的融沉試驗(yàn).補(bǔ)水條件均為開(kāi)放系統(tǒng)，凍結(jié)冷端溫度為-10 ℃，試驗(yàn)條件和結(jié)果見(jiàn)表5.

表5　不同干密度重塑土融沉系數(shù)

圖4為融沉系數(shù)與干密度關(guān)系曲線.由圖4可見(jiàn)，相同含水率條件下，兩種土質(zhì)的融沉系數(shù)與干密度關(guān)系曲線類似，均存在一個(gè)臨界干密度，其對(duì)應(yīng)最小融沉系數(shù).當(dāng)干密度<臨界干密度時(shí)，隨干密度增大，融沉系數(shù)減?。幌喾?，隨干密度增大，融沉系數(shù)增大.

究其原因，當(dāng)干密度小于臨界干密度時(shí)，土中孔隙率較大，又因?yàn)轲ば酝羶鼋Y(jié)時(shí)水分遷移作用顯著，使其凍脹量增大，隨后土體融化不僅包括自由水排出引起的下沉，還包括土體自重應(yīng)力引起的下沉，因此干密度較小時(shí)，干密度越小融沉系數(shù)越大.當(dāng)干密度大于臨界干密度時(shí)，孔隙率變小，因自重應(yīng)力引起的下沉不再明顯；從土體熱傳導(dǎo)能力的角度，干密度越大，土體熱容量越大，熱傳導(dǎo)能力減弱，使非飽和凍土降溫減慢[16].由此可以解釋，在補(bǔ)水條件下凍結(jié)時(shí)，干密度越大，土體凍結(jié)降溫越慢，凍結(jié)鋒面移動(dòng)越慢，因此水分遷移增多，冰透鏡體體積增大，且非飽和凍土孔隙水凍結(jié)成冰也增多，使得土體體積膨脹增大，最終造成凍脹率及融沉系數(shù)增大.

臨界干密度與土質(zhì)、含水率等凍結(jié)融化條件有關(guān)，隨以上條件變化而變化.對(duì)蘇州黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土不同干密度條件下的融沉試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得融沉系數(shù)與干密度關(guān)系如下.

黏土：α0=476.79ρd2-1 388.2ρd+1 020.4 .

(2)

淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：

α0=378.57ρd2-1 092.1ρd+800.68 .

(3)

適用范圍：1.4 g/cm3<ρd<1.5 g/cm3.

通過(guò)上式求得，黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的臨界干密度分別為1.456 g/cm3和1.442 g/cm3.

3結(jié)論

(1)各土層單向凍脹融沉的開(kāi)放系統(tǒng)融沉系數(shù)均大于封閉系統(tǒng)，③黏土、④1粉土、④2粉砂和⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土開(kāi)放系統(tǒng)較封閉系統(tǒng)的融沉系數(shù)增長(zhǎng)量分別為4.85%、4.30%、1.52%和3.72%.

(2)融前卸載加壓方式下，土體融沉系數(shù)隨上部荷載增大呈指數(shù)型減小，且荷載小于100 kPa時(shí)對(duì)土體融沉特性影響較大.

(3)原狀土與重塑土對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)黏性重塑土融沉系數(shù)與原狀土接近，黏性土靈敏度大小直接影響重塑后融沉系數(shù)的變化，靈敏度越高，對(duì)土體融沉特性影響越大；對(duì)于無(wú)黏性土和靈敏度較小的黏性土，重塑后對(duì)其融沉系數(shù)影響不大，可用重塑土代替原狀土進(jìn)行融沉試驗(yàn).

(4)對(duì)于非飽和黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，開(kāi)放系統(tǒng)補(bǔ)水條件下融沉系數(shù)與干密度變化關(guān)系均存在臨界干密度，其值大小分別為1.456 g/cm3和1.442 g/cm3.

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Study on Thaw Settlement Behavior of Soft Frozen Soil

ZHUANG Huimin， YANG Ping， HE Wenlong

(College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037,China)

Abstract:With the extensive application of the artificial freezing method in subway construction, the thaw settlement controlling has become a problem to be solve in soft-soil freezing. The typical soft soil in Suzhou subway is taken as the research object. Related conclusions are obtained on the basis of the laboratory tests, which are as follows. The thaw-settlement coefficients with water supply are larger than those without, and it decreases exponentially with the increase of upper loads under the condition of loads removed before melting. The clay’s thaw-settlement becomes larger after remolded and the difference increases with soil’s higher sensitivity, while the non-cohesive soil has little change. As for the unsaturated clay and muddy silty clay, there existed a critical dry density between thaw-settlement coefficient and dry density change with water supply. And this corresponds to the minimum thaw-settlement coefficient.

Key words:artificial frozen soil; thaw-settlement coefficient; water source supply; load; dry density

中圖分類號(hào)：TU445

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201506022

作者簡(jiǎn)介:莊惠敏(1989—)，女，江蘇徐州人，南京林業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向：環(huán)境巖土與地下工程，E-mail:15295575668@163.com.通訊作者:楊平(1964—),男，南京林業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土與地下工程教學(xué)與研究，E-mail:yangping@njfu.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(51478226)；江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

收稿日期:2015-06-11；

修訂日期：2015-08-07

文章編號(hào):1671-6833(2016)02-0062-05

引用本文:莊惠敏， 楊平，何文龍.人工凍融軟弱土融沉特性研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016,37(2):62-66.