福州地鐵隧道凍結(jié)工程凍土物理力學(xué)性質(zhì)研究

程 庭

(福州市勘測院 福建福州 350001)

0 引言

根據(jù)《福州市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃》(2012 年修編)，福州市軌道交通線網(wǎng)擬由9條線組成，總長338.12km，設(shè)站 216個[1]。大規(guī)模的地鐵工程建設(shè)帶來了大量的巖土工程問題，其中福州地區(qū)遍布的軟土地層和強(qiáng)透水砂層、卵石地層的加固問題，就是修建地鐵必須面臨的首要問題[2]，常用的加固方法有高壓噴射注漿法、三軸深層攪拌法、SMW 工法、注漿法、素砼灌注樁法和降水法[3-4]。但當(dāng)土層屬于富含水砂層時，采用普通加固法難以完成，工程中常需采用人工凍結(jié)法[5]。

人工凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，將天然巖土變?yōu)閮鰩r土，從而形成具有強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好、不透水的臨時支撐結(jié)構(gòu)——凍結(jié)壁，用以抵抗地壓、水壓等外部荷載，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘進(jìn)施工的特殊施工技術(shù)[6-7]。

人工凍土過程中，隨著天然巖土變?yōu)閮鰩r土，其物理力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生顯著變化[8]。因此，為了確保凍結(jié)法施工過程的安全，必須給凍結(jié)壁的設(shè)計和施工提供準(zhǔn)確可靠的凍土物理力學(xué)參數(shù)，從而確定合理的凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)時間以及隧道開挖過程中應(yīng)注意的事項。在之前的福州地鐵建設(shè)過程中一直未開展凍土的物理力學(xué)性質(zhì)專項研究，導(dǎo)致在地鐵隧道凍結(jié)工程的施工過程中或多或少出現(xiàn)過問題，直至福州地鐵2號線才開展此項工作。本文以該專項研究成果為依據(jù)，總結(jié)了福州地區(qū)隧道凍結(jié)工程相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)的分布規(guī)律，以及這些參數(shù)與常規(guī)土工試驗成果之間的對應(yīng)關(guān)系。

1 試驗制備和基本物理性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)福州地鐵2號線的整體地層分布特征，經(jīng)過業(yè)主、勘察、設(shè)計單位反復(fù)篩選，最終確定了8種具有代表性的地層，分別為粉質(zhì)黏土、淤泥夾砂、粗中砂、卵石、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、泥質(zhì)粉細(xì)砂和砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

1.1 試樣制備

根據(jù)煤炭部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《人工凍土物理力學(xué)性能試驗》 (MT/T593-2011)要求，對擬進(jìn)行分析測試的地層進(jìn)行鉆孔取芯，獲得尺寸為 φ110mm ×200mm 的土樣。為了防止土樣運(yùn)輸過程中顛簸損壞，首先將土樣用雙層塑料袋包裝密封并用報紙包緊，再用膠帶捆扎；然后將捆扎好的土樣浸入石蠟中再次密封，并用報紙包裹，裝入運(yùn)輸專用的土樣筒內(nèi)。最后，將土樣筒用膠帶密封,填寫土樣標(biāo)簽并貼于土樣筒上，運(yùn)回凍土實驗室。

試驗所用試驗樣品為原狀土和重塑土(含水率和天然密度與原狀土一致)， 試樣尺寸為 φ50mm×100mm(要求試樣長度誤差≯±1mm，直徑誤差≯±0.5mm)。試樣制作嚴(yán)格按照重塑土的要求進(jìn)行，首先配置試樣的含水率，稱出每個試樣的重量，再按試樣規(guī)格進(jìn)行搗實，并做好樣品編號，然后按試驗規(guī)范和所進(jìn)行的溫度水平進(jìn)行樣品的負(fù)溫養(yǎng)護(hù)(養(yǎng)護(hù)時間為 48 h)，制成試驗所需的凍土樣。其中，單軸抗壓試驗土樣制作 3～5個平行樣，在試驗結(jié)果處理過程中，根據(jù)情況剔除個別離散性較大的數(shù)據(jù)，然后取其平均值為最終試驗結(jié)果。

1.2 基本物理性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)規(guī)范要求，在進(jìn)行凍結(jié)狀態(tài)下試樣物理力學(xué)性能測試前，應(yīng)對各土層的密度、含水率、孔隙比等基本物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測試，其測試實驗結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，試樣普遍具有天然含水量大、孔隙比大的特點(diǎn)。

表1 土工試驗成果表

2 凍土熱物理指標(biāo)

人工凍土熱物理指標(biāo)，包括了土層的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、凍結(jié)溫度和人工凍土的凍脹率、凍脹力。

2.1 比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、凍結(jié)溫度測定

土的比熱，表示單位質(zhì)量的土體在溫度改變 1℃所需要的熱量。試驗采用BRR比熱容測試儀測定，測試成果如表2所示。通過測試表明：

(1)第四系土層的比熱與土的含水量呈正比關(guān)系型，而與滲透系數(shù)、壓縮模量之間呈反比關(guān)系；

(2)處于原位風(fēng)化的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層的比熱明顯小于第四系沉積地層。

土層的導(dǎo)熱系數(shù)表征了凍土體傳導(dǎo)熱量的能力，凍土結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)熱系數(shù)不同。本測試目的在于掌握凍土的發(fā)展速率。為確定凍結(jié)時間和計算凍結(jié)壁厚度提供基本參數(shù)，試驗儀器采用日本產(chǎn)QTM-PD2型導(dǎo)熱系數(shù)儀。通過測試表明：

(1)第四系土層的導(dǎo)熱系數(shù)與土的含水量呈反比關(guān)系型，而與滲透系數(shù)、壓縮模量之間呈正比關(guān)系；

(2)處于原位風(fēng)化的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層的導(dǎo)熱系數(shù)明顯優(yōu)于第四系風(fēng)化地層。

土體凍結(jié)溫度即為土中水的凍結(jié)溫度，土中水分子在土顆粒表面力場的作用下吸附在土顆粒表面，當(dāng)土體溫度低于自由水的凍結(jié)溫度時，土中水開始凍結(jié)，其數(shù)值主要受到土本身性質(zhì)如土顆粒的礦物成分、含水率、含鹽量以及外界壓力的影響[9]。本實驗采用低溫瓶與零溫瓶間進(jìn)行，低溫瓶溫度為-7.6℃，零溫瓶溫度為0±0.1℃，試驗杯采用黃銅制成。地層的凍結(jié)溫度表達(dá)式為：

T=V/K

(1)

式中：T表示凍結(jié)溫度(℃)，V表示熱電勢跳躍后的穩(wěn)定值(μv)，K表示熱電偶的標(biāo)定系數(shù)℃/μv。通過測試表明，土層的凍結(jié)溫度與土的含水量呈反比關(guān)系型，而與滲透系數(shù)、壓縮模量之間呈正比關(guān)系，即土層的凍結(jié)溫度越高，則天然含水量越低，滲透系數(shù)、壓縮模量則越大。各項測試成果如表2所示。

表2 凍土熱物理指標(biāo)成果表

2.2 凍土凍脹率和凍脹力測定

凍土的凍脹率和凍脹力兩個指標(biāo)，主要是用于衡量凍土由天然狀態(tài)變化為凍結(jié)狀態(tài)下其體積發(fā)生的變化情況，以及當(dāng)體積變化受限時對外產(chǎn)生的作用力。其中，凍脹率試驗又稱自由凍脹試驗，表示軸向無約束凍脹試驗，即樣品在軸向可以自由膨脹。在試驗過程中，按規(guī)定要求的時間測量樣品軸向位移與時間的關(guān)系，并得到樣品的最大凍脹量δmax。樣品的最大凍脹量δmax與樣品原長的比值為樣品的凍脹率。凍脹力試驗又稱有約束凍脹試驗，表示樣品在零位移約束下進(jìn)行凍土的凍脹試驗，在樣品的上端施加縱向約束，并用荷重傳感器量測凍土的凍脹約束力，同時記錄試驗過程中，凍土的凍脹約束力的發(fā)展與時間的關(guān)系，得到凍土最大凍脹約束力σmax。

通過測試表明：

(1)第四系土層的凍脹率和凍脹力與土的含水量呈正比關(guān)系型，而與滲透系數(shù)、壓縮模量之間呈反比關(guān)系，即土層的凍脹率和凍脹力越大，則天然含水量越高，滲透系數(shù)、壓縮模量則越小。

(2)處于原位風(fēng)化的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層的凍脹率和凍脹力明顯小于第四系沉積地層。凍脹率和凍脹力測試成果如表2所示。

3 凍土力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)規(guī)范要求，凍土的力學(xué)指標(biāo)包括了以下3個方面的內(nèi)容。

3.1 凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗

凍土單軸抗壓強(qiáng)度是一種短時荷載下的強(qiáng)度，是凍土試驗中最直觀、最基本的試驗內(nèi)容，也是目前設(shè)計部門進(jìn)行凍結(jié)壁設(shè)計的主要依據(jù)。試驗設(shè)備為WDT-100凍土試驗機(jī)，試驗按應(yīng)變控制加載方式進(jìn)行，應(yīng)變速率控制在1%。為了克服加載時間長短對試驗結(jié)果的影響，凍土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度取試樣破壞時的加載時間大約等于(30±5)s的強(qiáng)度值。計算公式為：

σ=F/Aα

(2)

式中：σ為軸向應(yīng)力，MPa；F為軸向荷載，N；Aα為校正后試樣截面積，mm2。

凍土的彈性模量表示凍土在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系(即符合胡克定律)，其比例系數(shù)稱為彈性模量。本次試驗取抗壓強(qiáng)度一半與其所對應(yīng)的應(yīng)變值的比值。凍土的泊松比是指凍土在單向受拉或受壓時，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對值的比值，也叫橫向變形系數(shù)，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。

根據(jù)試驗結(jié)果表明：

(1)單個凍土地層的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比均與溫度具有良好的線性關(guān)系，隨著凍土凍結(jié)溫度的降低，單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量呈線性增大，而泊松比則呈線性下降，如圖1和表3～表5所示。

(2)第四系土層的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與土的含水量呈反比關(guān)系，而與滲透系數(shù)、壓縮模量之間呈正比關(guān)系；泊松比與土的含水量呈正比關(guān)系，而與滲透系數(shù)、壓縮模量之間呈反比關(guān)系。

(3)處于原位風(fēng)化的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比均高于第四系沉積地層。

圖1 凍土溫度與凍土強(qiáng)度對應(yīng)關(guān)系曲線(部分)

MPa

注：該表的統(tǒng)計樣本數(shù)為n=3。

表4 不同溫度下凍土彈性模量試驗成果統(tǒng)計表 MPa

注：該表的統(tǒng)計樣本數(shù)為n=3。

表5 不同溫度下凍土泊松比試驗成果統(tǒng)計表

注：該表的統(tǒng)計樣本數(shù)為n=3，括號里為范圍值。

3.2 凍土的蠕變試驗

凍土的蠕變試驗包括了單軸和三軸蠕變試驗，其目的是為了獲得凍土在應(yīng)力的作用下，隨著時間推移其應(yīng)變發(fā)生的規(guī)律。對于一個完整的凍土蠕變試驗，其試樣變形過程一般會經(jīng)歷明顯的3個階段： 非穩(wěn)定蠕變階段 (應(yīng)變速率逐漸減少) ，穩(wěn)定蠕變階段(應(yīng)變速率保持常數(shù)) ，加速蠕變階段(應(yīng)變速率逐漸增大)。凍土在加速蠕變階段產(chǎn)生的變形會超出容許變形值，會發(fā)生破壞。故，在工程實踐中，從安全的角度考慮，一般不允許凍土出現(xiàn)加速蠕變階段。根據(jù)《人工凍土物理力學(xué)性能》(MT/T593.6-2011)規(guī)范要求，對于單軸凍土蠕變試驗采用多試樣單級應(yīng)力加載方式，本試驗采用W3Z-200型三軸試驗機(jī)進(jìn)行試驗，蠕變加載系數(shù)大致按0.2、0.3、0.5、0.7取值。在凍土蠕變試驗中，具有實際工程意義的僅為其前2個蠕變階段，即凍土發(fā)生破壞以前的變形過程。大量的研究結(jié)果表明，當(dāng)僅考慮蠕變前2個階段的變形時，凍土的單軸蠕變過程可按冪函數(shù)方程[10]:

ε=AσBtC

(3)

式中:ε為軸向應(yīng)變(%),σ為軸向應(yīng)力(MPa) ,t為時間(min)，A、B、C為與土質(zhì)及溫度有關(guān)的試驗參數(shù)，可以通過回歸分析求得，其測試成果如表6所示。

表6 凍土在-10℃條件下各項參數(shù)成果表

注：該表的統(tǒng)計樣本數(shù)為n=3，括號里為范圍值。

三軸蠕變試驗試驗則是模擬凍土存在圍壓的情況下發(fā)生的蠕變規(guī)律，圍壓的大小一般根據(jù)凍土的深度確定，通過同一個地層、同一凍結(jié)溫度(-10℃)下的凍結(jié)巖土單軸蠕變曲線和三軸蠕變曲線表明，兩者具有相似的變化規(guī)律，試樣在經(jīng)過很短的持續(xù)蠕變變形后，立即進(jìn)入穩(wěn)定階段；二者之間的存在的區(qū)別是三軸蠕變的軸向變形量明顯小于單軸蠕變量，如圖2所示。

圖2 砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層單軸和三軸蠕變曲線對比圖

3.3 凍土三軸強(qiáng)度試驗

為了獲得凍土地層在地下存在圍壓狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行了該項測試。試驗在W3Z-200型三軸試驗機(jī)中進(jìn)行，試驗機(jī)由低溫箱、自動加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀等組成。分別對8組地層進(jìn)行-10℃溫度水平下的凍土三軸剪切強(qiáng)度實驗，根據(jù)所取土樣的埋置深度圍壓采用了1Mpa或2Mpa進(jìn)行剪切試驗，以便獲得土層的三軸剪切強(qiáng)度規(guī)律。根據(jù)研究結(jié)果表明，在圍壓較小時土層的三軸剪切強(qiáng)度特征可以用莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則：

τ=σ·tgφ+C

(4)

式中:τ為三軸抗剪強(qiáng)度，MPa；σ為剪切面上的正應(yīng)力，MPa；φ、C為內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。通過對-10℃溫度下的人工凍土抗折實驗，獲得了凍土的抗折強(qiáng)度，如表6所示。

根據(jù)試驗結(jié)果表明：

(1)第四系土層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、抗折強(qiáng)度與土的含水量呈反比關(guān)系，而與滲透系數(shù)、壓縮模量之間呈正比關(guān)系；泊松比與土的含水量呈正比關(guān)系，而與滲透系數(shù)、壓縮模量之間呈反比關(guān)系。

(2)處于原位風(fēng)化的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與第四系沉積地層較為接近，而抗折強(qiáng)度明顯優(yōu)于第四系沉積地層。

4 結(jié)論

本文通過對福州地鐵8種典型地層進(jìn)行凍土物理力學(xué)試驗，獲得了這些地層的凍土物理力學(xué)參數(shù)，填補(bǔ)了福州地區(qū)凍土相關(guān)參數(shù)的空白；同時，通過對比凍土的物理力學(xué)參數(shù)與常規(guī)土工試驗成果之間的關(guān)系，獲得了以下結(jié)論：

(1)第四系土層的比熱、凍脹率、凍脹力、凍土的泊松比與含水量呈正比關(guān)系型，而與滲透系數(shù)、壓縮模量呈反比關(guān)系。處于原位風(fēng)化的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層的比熱、凍脹率、凍脹力明顯小于第四系沉積地層。

(2)第四系土層的導(dǎo)熱系數(shù)、凍結(jié)溫度、凍土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、凍土抗折強(qiáng)度與土的含水量呈反比關(guān)系型，而與滲透系數(shù)、壓縮模量呈正比關(guān)系；處于原位風(fēng)化的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層的導(dǎo)熱系數(shù)、抗折強(qiáng)度明顯優(yōu)于第四系風(fēng)化地層，凍結(jié)溫度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)則無明顯差異性特征。

(3)凍土地層的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比均與溫度具有良好的線性關(guān)系，隨著凍土凍結(jié)溫度的降低，單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量呈線性增大，而泊松比則呈線性下降；第四系土層的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與土的含水量呈反比關(guān)系，而與滲透系數(shù)、壓縮模量呈正比關(guān)系；泊松比與土的含水量呈正比關(guān)系，而與滲透系數(shù)、壓縮模量呈反比關(guān)系；處于原位風(fēng)化的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比均高于第四系沉積地層。

(4)凍土的單軸蠕變過程可按冪函數(shù)方程表示，單軸蠕變和三軸蠕變試驗下同一個地層在同一凍結(jié)溫度下的凍結(jié)巖土具有相似的變化規(guī)律，二者之間的差別是三軸蠕變的軸向變形量明顯小于單軸蠕變量。