凍結(jié)法施工中的凍土特性試驗(yàn)研究

朱現(xiàn)磊　 吳云龍　 郝振群

摘要：

為獲得凍結(jié)法施工中土體凍脹融沉特性規(guī)律，以某地下聯(lián)絡(luò)通道工程為原型，根據(jù)相似理論，進(jìn)行了水平凍結(jié)模型試驗(yàn)。結(jié)果表明，凍脹融沉過程中，土體溫度先迅速降低后升高，維持在0 ℃一段時(shí)間后，繼續(xù)緩慢升高至室溫；土壓力值先增加后減小，其中，豎向土壓力值隨深度的增加而增大，相同埋深下，距凍結(jié)管越近，水平土壓力值越大；土體融化固結(jié)沉降值明顯大于凍脹位移值，土體豎向位移較水平位移變化顯著。積極凍結(jié)期內(nèi)土體溫度降低速率變慢，且埋深越大、距凍結(jié)孔越近，土體溫度降低越快、降幅越大；無側(cè)限土體壓力值先增加后減小，側(cè)限土體壓力值則逐漸增大，全封閉土壓力值變化率更顯著。

關(guān)鍵詞：人工凍結(jié)；凍脹；融沉；模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU443

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2018）03003806

Abstract：

In order to obtain frost heave and thawing settlement of frozen soils behavior， an underground connected aisle was studied through the model test based on similarity theory. The results indicate that， the soil temperature firstly decreases rapidly， then increases and maintains 0 ℃ for a while， at last continues to slowly rise to room temperature in the whole process. The soil pressure value goes up firstly and then goes down， and that of vertical pressure increases exponentially with the increasing of depth， meanwhile the distance from the freezing tube is more closer， the horizontal pressure is more bigger. Contrast with frost heave displacement， the thawing settlement value is greater， and the vertical displacement is more significant than the horizontal as well. In positive frozen period， the temperature reducing rate becomes slower， the greater depth and closer distance from the freezing hole， the greater decline speed and amplitude come up. Unlike vertical restriction soil always increases， the soil pressure value of unlimited presents a first increasing and then decreasing trend， while the variable rate is bigger with complete restriction situation.

Keywords：

artificial frozen； frost heave； thawing settlement； model experiment

在市政巖土工程及地下空間開發(fā)中，往往會(huì)遇到地層含水、軟弱破碎、穩(wěn)定性差等復(fù)雜地質(zhì)條件，一般工法施工難度較大，工程事故時(shí)有發(fā)生[1]。人工凍結(jié)法具有技術(shù)可靠、工藝成熟和施工可控的特點(diǎn)，不受支護(hù)范圍和支護(hù)深度的限制，能在極其復(fù)雜的地質(zhì)條件下形成凍土墻，因此，成為該地質(zhì)特征下工程施工的主要技術(shù)手段之一[2]。然而，該工法施工后會(huì)引起地層溫度場的變化，使周圍地層產(chǎn)生凍脹融沉，可能造成地基失穩(wěn)、鄰近建筑物傾斜和產(chǎn)生裂縫、地下管線破壞等不良后果，甚至關(guān)系到工程成敗[3]。

學(xué)者們對(duì)凍土凍脹理論和土體凍脹預(yù)測模型進(jìn)行了大量研究，取得了諸多成果。楊維好等[4]、馬巍等[5]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，揭示了人工凍結(jié)壁解凍過程中凍土物理力學(xué)特性及正融土機(jī)制過程；Hansson等[6]通過高含冰凍土路基解凍實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場研究，得出了適用的計(jì)算模型；姚曉亮等[7]基于 R.E.Gibson飽和黏土一維固結(jié)理論，對(duì)凍土解凍的三維固結(jié)大變形計(jì)算方法進(jìn)行研究；Zhou等[8]通過研究環(huán)境對(duì)凍脹性的影響，得出了當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)凍脹速率與溫度梯度有著近似線性關(guān)系的結(jié)論；胡向東等[911]對(duì)單排管凍結(jié)溫度場公式以及雙排管凍結(jié)溫度場公式進(jìn)行了完善與應(yīng)用性研究，并獲得了環(huán)形凍結(jié)管中的單圈管凍結(jié)溫度場解析解；Klinova等[12]研究了含水率、孔隙率等對(duì)土體融沉特性的影響；王效賓等[13]利用自制的凍脹融沉試驗(yàn)裝置，對(duì)南京地區(qū)典型土質(zhì)進(jìn)行了融沉特性室內(nèi)試驗(yàn)；陶祥令等[14]研究人工鑿井凍結(jié)法施工中凍結(jié)壁解凍融沉效應(yīng)的產(chǎn)生而導(dǎo)致井筒壁后的變化。

目前，已開展的凍土特性研究多偏于理論計(jì)算或有限尺寸的凍結(jié)模型試驗(yàn)，對(duì)于水平凍結(jié)溫度場的耦合作用、不同深度土體位移及側(cè)限影響下的凍土特性研究相對(duì)較少。本文運(yùn)用大尺度真三維人工凍結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)，在考慮水平凍結(jié)溫度場和側(cè)限影響工況下，進(jìn)行了人工凍土凍脹融沉試驗(yàn)研究。

1試驗(yàn)系統(tǒng)簡介

1.1主試驗(yàn)臺(tái)

主試驗(yàn)臺(tái)采用中國礦業(yè)大學(xué)（北京）完全真三維城市地下工程模型試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模擬箱、加載裝置、地下水模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)主體為2 030 mm×2 030 mm ×2 000 mm的密閉箱體，可容土砂相似材料20 t。模擬箱內(nèi)設(shè)有水平和垂直加載板，可實(shí)現(xiàn)模型體的三維加載。若干層水平進(jìn)水管能根據(jù)地下水的實(shí)際情況分別模擬不同含水層地下水位與水壓，進(jìn)行地下水影響試驗(yàn)。

1.2凍結(jié)系統(tǒng)

凍結(jié)系統(tǒng)由制冷壓縮系統(tǒng)、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、冷媒循環(huán)系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成。制冷系統(tǒng)最大制冷量>8.5 HP，可實(shí)現(xiàn)模型箱體全部或部分體積土樣的凍結(jié)，最低溫度-35 ℃。冷媒（CaCl2溶液）循環(huán)系統(tǒng)選用進(jìn)口防腐耐低溫水泵一臺(tái)，通過去回路主管道與分水器連接，接高壓橡膠管，再接凍結(jié)管，形成循環(huán)回路。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)使用鈦金屬管材，凍結(jié)管采用紫銅管。通過主控制面板對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并顯示主要溫度值。

1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的敏感元件有微型土壓力盒、溫度傳感器、位移計(jì)。土壓力盒和位移計(jì)測得的數(shù)據(jù)由便攜式數(shù)據(jù)采集儀TDS303采集，溫度傳感器的數(shù)據(jù)由萬用表測量。

2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1工程背景

某城市地鐵聯(lián)絡(luò)通道主要穿過第四系全新統(tǒng)下組河床～河漫灘相沉積層，所處土層為粉質(zhì)粘土、粉土，土層含水量大，強(qiáng)度低，且地面為交通繁忙的道路，無地面施工條件，設(shè)計(jì)采用隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體、暗挖法施工。聯(lián)絡(luò)通道處左線、右線盾構(gòu)隧道中心距19.12 m，左線隧道中心標(biāo)高為-14.63 m，右線隧道中心標(biāo)高為-14.63 m，地面標(biāo)高約+3.236 m。

2.2相似準(zhǔn)則

1）凍結(jié)溫度場相似準(zhǔn)則

φ（K0， F0， θ， R）=0（1）

式中：K0= Q/（cτ）為柯索維奇準(zhǔn)則，Q為單位土體凍結(jié)放熱，c為巖土比熱容，τ為溫度；F0= at/r2為溫度場傅里葉準(zhǔn)則，a為導(dǎo)熱系數(shù)，r為凍結(jié)壁位置，t為時(shí)間；R為幾何準(zhǔn)則；θ=t0/ty=tD/ty為溫度參數(shù)，t0為巖土初始溫度，ty為鹽水溫度，tD為凍結(jié)溫度。

2）應(yīng)力場相似準(zhǔn)則

P=ρ·h·k（2）

式中：ρ為巖土的密度；h為深度；k為側(cè)推力系數(shù)。

3）位移場相似準(zhǔn)則

F（σ， E， ε， u， μ， γ， H， SD，P）=0（3）

式中：σ為應(yīng)力；E為彈性模量；ε為應(yīng)變；u為位移；μ為泊松比；γ為土的重度；H為隧道埋深；SD為凍結(jié)壁厚；P為土壓力。

2.3模型相似比及參數(shù)確定

1）模型幾何相似比根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道現(xiàn)場尺寸和試驗(yàn)臺(tái)尺寸，經(jīng)多次試驗(yàn)研究得到幾何相似比CI=1∶10，即聯(lián)絡(luò)通道模型高400 mm、寬350 mm、弧頂半徑220 mm、厚度15 mm。根據(jù)位移相似準(zhǔn)則，位移相似比Cu=CI。

2）時(shí)間比試驗(yàn)選取與現(xiàn)場巖土材料近似的粉質(zhì)粘土，根據(jù)傅里葉準(zhǔn)則可知，時(shí)間相似比為Ct=C2I=1∶100。本工程的積極凍結(jié)時(shí)間為50 d，故試驗(yàn)的積極凍結(jié)時(shí)間為12 h。

3）溫度比模型試驗(yàn)所用巖土材料、含水量與現(xiàn)場近似，土體凍結(jié)放出的熱量相等，因此，模型溫度不需縮比，只要將溫度改為無因次量。

4）應(yīng)力模擬根據(jù)應(yīng)力場相似準(zhǔn)則，應(yīng)力相似比、荷載相似比和彈性模量相似比Cσ=CP=CE=1。原型上覆土厚度為15.74 m、重度18 kN/m3，上覆土自重應(yīng)力為285 kPa。模型選取與現(xiàn)場接近的粉質(zhì)粘土，將粉質(zhì)粘土制作成直徑61.8 mm、高100 mm的土樣進(jìn)行試驗(yàn)，得到模型土重度為20 kN/m3。凍結(jié)試驗(yàn)聯(lián)絡(luò)巷上覆土層厚0.6 m，故模型上覆土自重力為12 kPa，因此，加載系統(tǒng)需提供273 kPa垂直壓力。

2.4凍結(jié)管布置

原型中聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔數(shù)為70個(gè)，模型試驗(yàn)在滿足溫度要求和凍結(jié)帷幕厚度要求的同時(shí)，借鑒王運(yùn)剛凍結(jié)壁內(nèi)外壁的厚度基本相同的試驗(yàn)結(jié)論 [15]，將凍結(jié)管布設(shè)在距聯(lián)絡(luò)通道模型100 mm位置。使單管凍結(jié)壁外緣與相鄰凍結(jié)管中心相交，模型凍結(jié)管與聯(lián)絡(luò)通道近似平行布置，如圖1所示，凍結(jié)管D1、D1、…、D20共布置20個(gè)，間距100 mm。

2.5測點(diǎn)布置

如圖1所示，在聯(lián)絡(luò)通道模型周邊布置C1、C2、…、C8共8個(gè)測點(diǎn)，并在豎向受側(cè)限雙管凍結(jié)耦合裝置中布設(shè)C9、C10、C113個(gè)測點(diǎn)，在封閉式雙管凍結(jié)耦合裝置中布設(shè)C12、C13、C143個(gè)測點(diǎn)，各測點(diǎn)分別埋裝溫度傳感器和土壓力盒，測量不同深度和位置處的溫度、土壓力值及變化規(guī)律。同時(shí)，在C1～C33個(gè)測點(diǎn)及土體表面布置豎向位移測點(diǎn)，在C7、C8、C113個(gè)測點(diǎn)布置水平位移測點(diǎn)。為便于對(duì)比說明，將各測點(diǎn)歸為4個(gè)測區(qū)，其中，C1～C4為第1測區(qū)；C5～C8測點(diǎn)為第2測區(qū)；C10～C11測點(diǎn)為第3測區(qū)；C12～C14測點(diǎn)是第4測區(qū)。

2.6溫度控制方案

傳感器及模型埋設(shè)完成后，放置7 d進(jìn)行固結(jié)，自然室溫（約10 ℃）條件下開始試驗(yàn)。壓縮機(jī)工作，冷媒（CaCl2溶液）溫度逐漸降低，當(dāng)其溫度達(dá)-25 ℃時(shí)關(guān)閉壓縮機(jī)，進(jìn)入凍結(jié)維護(hù)期，凍結(jié)維護(hù)期冷媒溫度控制在-25～-23 ℃，凍土最低溫度達(dá)-15 ℃。凍結(jié)帷幕形成后，即可進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道開挖，開挖完畢即停機(jī)進(jìn)行自然解凍。隨解凍時(shí)間的增加，土體溫度最終升高至室溫。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1土體溫度變化規(guī)律

圖2為不同測區(qū)、測點(diǎn)溫度隨土體凍融相變的變化情況，其中，Tn為測點(diǎn)Cn處的溫度。從圖2（a）、（b）可知，凍融過程中，土體溫度先迅速降低后升高，并維持在0 ℃上下一段時(shí)間后，緩慢升高至室溫。這是因?yàn)椋簝鼋Y(jié)階段，當(dāng)土體溫度達(dá)到起始凍脹溫度時(shí)，土體中水迅速相變結(jié)晶，土體溫度迅速下降；融沉階段，凍土先達(dá)到0 ℃，部分開始融化，此時(shí)，冰、水共存的狀態(tài)需維持較長一段時(shí)間，待冰完全融化時(shí)，土體溫度繼續(xù)上升。

有效凍結(jié)時(shí)間內(nèi)，土體降溫速度先快后緩，并在較短時(shí)間內(nèi)降至最低溫度。這是因?yàn)?，隨凍結(jié)的不斷發(fā)展，土中凍結(jié)鋒面的發(fā)展速度趨于平緩。第1測區(qū)C3處土體溫度降低快、降幅大（約15 ℃），C4處次之，C1處土體溫度降低慢、降幅小。表明距地表越近、距凍結(jié)孔越遠(yuǎn)土體溫度降越慢、降幅越小，這是因?yàn)閮鼋Y(jié)鋒面到達(dá)該處時(shí)間遲、發(fā)展慢，且土體受地表溫度影響顯著。第2測區(qū)C5處土體溫度降低速度和幅度較C7處土體大，這是因?yàn)?，C5處土體在凍結(jié)壁交圈內(nèi)，C7處土體不僅受凍結(jié)管影響，還受到外部土體的熱源補(bǔ)給。

由圖2（c）、（d）可知，位置較淺土體與外界熱交換更多，土體溫度降幅較?。ㄗ畲蟛怀^5 ℃）。全封閉測區(qū)中心C13處土體較豎向受限測區(qū)C10處溫度降低值大，是因?yàn)槿忾]模具起到一定的保溫作用。

3.2土壓力變化分析

圖3為不同測區(qū)、測點(diǎn)土壓力值隨土體凍脹融沉相變的變化情況。其中，Pnb代表測點(diǎn)Cn處的豎向土壓力值；Pna代表測點(diǎn)Cn處的水平土壓力值。

由圖3（a）、（b）可知，土體凍融過程中，土壓力值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)?，土凍結(jié)時(shí)水結(jié)晶成冰，體積增大，推動(dòng)土顆粒移動(dòng)，產(chǎn)生凍脹變形，當(dāng)凍脹變形受到邊界及上覆荷載約束時(shí)，凍土就產(chǎn)生了凍脹力，融沉階段，結(jié)晶冰融化，土壓力回復(fù)至初始值。第1測區(qū)距離凍結(jié)管較近的C4測點(diǎn)土壓力變化值12 kPa，大于C1測點(diǎn)的6 Pa，第2測區(qū)埋深較大，土壓力變化值最小的C5測點(diǎn)近20 kPa，表明距凍結(jié)管越近、埋深越深，土壓力值變化越大。凍結(jié)管路附近位置水體首先相變結(jié)晶產(chǎn)生凍脹力，若該處深度較大，則上覆土體的壓力較大，導(dǎo)致土壓力值迅速增大到較大值，整個(gè)凍融過程體現(xiàn)的土壓力變化值也就更顯著。

如圖3（c）所示，第3測區(qū)位于豎向受側(cè)限的模具中，在積極凍結(jié)期，測點(diǎn)土壓力不斷增大。但是，在融解階段的土壓力比初始的土壓力要小，這是由于受豎向側(cè)限影響，測點(diǎn)正上方土體僅受模具內(nèi)土體的影響，而水平向是開放的，側(cè)向土體會(huì)給測點(diǎn)處土體一個(gè)相反作用力，使土壓力盒所測得的值偏小。待凍土融解至一定階段，水平土壓力值趨于初始土壓力值，該區(qū)C10測點(diǎn)位于豎向側(cè)限中間位置，現(xiàn)象更為顯著。

第4測區(qū)的土體在水平向、豎向均有側(cè)限，可以看出，其土壓力變化與其他測區(qū)明顯不同。雖土壓力變化值最大僅為17 kPa，但其變化率較大，C13測點(diǎn)的土壓力變化量比初始土壓力還要大。這是由于側(cè)限的影響使土體的凍脹壓力無法更好地?cái)U(kuò)散，使測點(diǎn)處土壓力值增加比例較大。

3.3位移變化分析

圖4為不同測區(qū)、測點(diǎn)位移隨土體凍脹融沉相變的變化情況。其中，Dn代表測點(diǎn)Cn處的位移；D0表示土體表面位移。如圖4（a）所示，凍融過程中，土體先凍脹隆起后融化固結(jié)沉降。土體凍結(jié)過程是土體中水的相變過程，當(dāng)土體溫度達(dá)到起始凍脹溫度時(shí)，液態(tài)水相變結(jié)晶，土體體積增大，同時(shí)，周圍未凍結(jié)水分不斷向凍結(jié)峰面遷移、聚集，土體凍脹位移持續(xù)增加。聯(lián)絡(luò)通道開挖完成后，進(jìn)入土體融化固結(jié)沉降階段。此階段冰逐漸融化成水，土體壓實(shí)沉降，沉降位移逐漸增大。

由圖4（a）中可知，試驗(yàn)階段地表沉降值約10 mm（相當(dāng)于現(xiàn)場0.1 m），凍脹位移量約6 mm（相當(dāng)于現(xiàn)場0.06 m），融化固結(jié)沉降值明顯大于凍脹位移值。這是因?yàn)閮鐾寥诔岭A段的位移除來自凍土中冰水相變及自由消散帶來的沉降變形外，凍脹還破壞了土體原有的結(jié)構(gòu)，使其摩擦力和粘聚力減弱，在自重和外荷載的作用下產(chǎn)生進(jìn)一步壓縮沉降，導(dǎo)致融化固結(jié)沉降值更大。

由圖4（b）可以看到，在積極凍結(jié)階段土體水平位移不斷增大，在凍結(jié)維持及解凍階段，土體水平位移緩慢減小并總體處于平穩(wěn)。這是由于凍土豎向融化固結(jié)沉降量較大，側(cè)向擠壓使之水平位移變化較小。受豎向側(cè)限影響，C11測點(diǎn)處土體的水平位移（圖4（c））略增大，總體變化趨勢與無側(cè)限狀態(tài)下基本相同?？傮w來說，凍土在凍脹融沉過程中，豎向位移變化較大，水平方向位移變化較小。

4結(jié)論

以某地下聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)施工為工程背景，運(yùn)用物理相似模擬方法，研究了人工水平凍結(jié)工法凍結(jié)、融解過程中土體溫度、應(yīng)力和位移的變化規(guī)律，得到主要結(jié)論如下：

1）凍脹融沉過程中，土體溫度先迅速降低后升高，并維持在0 ℃上下一段時(shí)間后，繼續(xù)緩慢升高至室溫。積極凍結(jié)期內(nèi)土體溫度降低速度先快后慢，且埋深越大、距凍結(jié)孔越近，土體溫度降低越快、降幅越大；凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)土體較同位置外側(cè)土體溫度降低快、降幅大。

2）土體凍脹融沉過程中，土壓力值先增加后減小，最終趨于初始?jí)毫χ怠Ｆ渲?，豎向土壓力值隨埋深的增加而增大；相同埋深下，距凍結(jié)管越近水平土壓力值越大。

3）積極凍結(jié)期內(nèi)，無側(cè)限土體壓力值先增加后減小，豎向側(cè)限與全封閉土體壓力值則逐漸增大，且豎向側(cè)限內(nèi)凍土融解階段的最小土壓力值較初始值要小，全封閉測區(qū)內(nèi)土體壓力值變化率更大。

4）土體凍脹融沉過程中，土體先凍脹隆起后融化固結(jié)沉降，且融化固結(jié)沉降值明顯大于凍脹位移值；土體豎向位移變化顯著，水平位移在積極凍結(jié)階段不斷增大，在凍結(jié)維持及融解階段變化不大。

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（編輯王秀玲）