人工凍結(jié)對南京砂液化特性的影響

周 潔，李澤垚,，田萬君，孫佳瑋

（1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092；2.中國建筑第二工程局有限公司，北京 100074）

在沿海城市地下空間的建設(shè)中，人工地層凍結(jié)法能起到加固土層、快速隔水止水的效果，常用于地鐵聯(lián)絡(luò)通道及地下泵房的建設(shè)。雖然人工地層凍結(jié)法是一種綠色工法，具有適用性強(qiáng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，但是凍結(jié)作用也會改變土體的物理力學(xué)性質(zhì)[1]，可能給隧道及相近建筑帶來地基承載力不足、變形加大等問題。

飽和粉細(xì)砂在河流沿岸廣泛分布[2]，是人工地層凍結(jié)法常常應(yīng)用的土層。目前國內(nèi)外針對凍融飽和砂動(dòng)力學(xué)特性的研究有：嚴(yán)晗等[3]分析了凍融循環(huán)對青藏鐵路那曲段粉砂土的動(dòng)模量和阻尼比的影響；何菲等[4]以青藏鐵路抗震為背景，基于低溫動(dòng)三軸試驗(yàn)儀分析了原狀凍土動(dòng)彈性模量、阻尼比及其與振動(dòng)頻率和試驗(yàn)負(fù)溫的關(guān)系；唐益群等[5]立足于人工地層凍結(jié)法，采用動(dòng)三軸系統(tǒng)進(jìn)行凍融飽和粉砂的動(dòng)力試驗(yàn)，得到了軸向應(yīng)變與動(dòng)孔隙水壓力密切相關(guān)，提高凍結(jié)溫度、增大振動(dòng)頻率和圍壓、減小動(dòng)荷載幅值都能顯著減小粉砂累積塑性變形的結(jié)論；JOHNSON 等[6]、孫靜 等[7]、LI JC 等[8]也做過凍融土動(dòng)彈性模量與阻尼比等方面的研究。可以看出，當(dāng)前國內(nèi)外針對凍融飽和粉細(xì)砂動(dòng)力學(xué)特性的研究大多關(guān)注動(dòng)彈性模量、阻尼比、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等方面，對液化特性的研究相對較少。

南京砂是一種飽和片狀粉細(xì)砂，具有液化的可能[9]，在長江下游地區(qū)廣泛分布。研究凍融作用對南京砂液化特性的影響，有助于長江下游地區(qū)地鐵聯(lián)絡(luò)通道的人工地層凍結(jié)法的施工，有助于確保地鐵隧道及其聯(lián)絡(luò)通道的施工安全和使用安全。

本文以南京砂為研究對象，采用水積-飽和-凍融裝置制樣，并使用GDS動(dòng)三軸系統(tǒng)，分別在地震和地鐵列車振動(dòng)荷載2種類型荷載作用下進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)，研究凍融次數(shù)、凍結(jié)溫度、有效圍壓對南京砂液化特性的影響。

1 試驗(yàn)材料與制樣

1.1 試驗(yàn)材料

選用南京鼓樓區(qū)沿江地帶上元門地鐵站附近的南京砂為研究對象，該砂層屬于典型的河漫灘相土層，水環(huán)境沉積[2]。該區(qū)域地下水位高，砂層飽和，中密。南京砂的顆粒級配和形狀如圖1所示，其主要成分為石英碎屑，具有片狀結(jié)構(gòu)，各向異性，相較于普通圓粒砂更容易液化[10]?；疚锢碇笜?biāo)見表1。

圖1 南京砂的顆粒特性

表1 南京砂基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 制樣

試驗(yàn)所用南京砂結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)且相對松散，為保證片狀顆粒排列的結(jié)構(gòu)性，使用砂雨法進(jìn)行重塑制樣。先將原狀樣進(jìn)行烘干、過篩，然后進(jìn)行制樣。砂雨法制樣裝置如圖2所示，制樣裝置由可調(diào)節(jié)落距和落量的撒砂裝置、水箱、可移動(dòng)的小車平臺以及裝砂的雙瓣膜等組成。水箱的水位高于積砂試樣高度1 m[11-12]。為避免初始撒砂時(shí)粗粒與細(xì)粒砂的降落速率不同導(dǎo)致最先沉積的砂出現(xiàn)分選現(xiàn)象[13]，特設(shè)計(jì)制造了可移動(dòng)的小車平臺，當(dāng)撒砂經(jīng)歷一段時(shí)間（30 s）后，再將小車移動(dòng)至積砂區(qū)進(jìn)行積砂。試驗(yàn)通過控制落距和落量可初步控制砂樣的密實(shí)度，再通過壓樣器精確控制土樣的密實(shí)度。試樣直徑39.1 mm，高度80 mm。壓樣完成后，將砂樣放入真空飽和器中飽和12 h。

圖2 砂雨法制樣裝置示意圖

對于不需凍融的試樣，飽和后可直接將試樣移至動(dòng)三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)。對于需要凍融的試樣，首先放在凍融裝置（如圖3所示）上進(jìn)行預(yù)壓，打開裝置的排水通道，選用適量的砝碼為砂樣加載，砝碼加載荷重與該試樣擬進(jìn)行三軸試驗(yàn)的軸壓相匹配；其次預(yù)壓2 h 后關(guān)閉排水通道，將凍融裝置連同砝碼一起放入DW-40型低溫試驗(yàn)箱中凍結(jié)24 h[5]；然后，在凍結(jié)結(jié)束后，立即取下保護(hù)模具，將試樣安放在動(dòng)三軸儀上加載圍壓并等待融化；最后，待融化時(shí)間達(dá)到24 h 且土樣應(yīng)變不再增長時(shí)，便可施加振動(dòng)荷載對砂樣進(jìn)行不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)。

圖3 凍融裝置示意圖

2 試驗(yàn)方案

沿海地區(qū)地鐵及其聯(lián)絡(luò)通道的平均埋深為10～15 m，采用人工地層凍結(jié)法時(shí)凍結(jié)帷幕的平均溫度為-15℃[5]。絕大多數(shù)工況僅需要對地層進(jìn)行1次凍結(jié)，極少數(shù)工況可能因?yàn)楣こ虄?nèi)部原因需要對地層進(jìn)行2次凍結(jié)，以對首次凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生的問題加以彌補(bǔ)。下文僅考慮凍融1次、凍融2次的情況，不考慮更多次的凍融循環(huán)。

2.1 地震荷載作用下的試驗(yàn)方案

地震具有爆發(fā)突然、持續(xù)時(shí)間短、振幅高的特點(diǎn)，試驗(yàn)采用單向激振正弦波加載。以隧道埋深12.5 m 即圍壓250 kPa、反壓125 kPa、凍結(jié)溫度-15℃、動(dòng)荷載振動(dòng)頻率1 Hz、凍融1次的工況為基準(zhǔn)，進(jìn)行凍融次數(shù)、凍結(jié)溫度、有效圍壓對南京砂液化特性的影響試驗(yàn)。液化破壞標(biāo)準(zhǔn)為雙幅應(yīng)變達(dá)5%[12]。試驗(yàn)方案見表2。

表2 地震荷載試驗(yàn)方案

模擬地震荷載的加荷類型為恒定的正弦式荷載。以A4 試樣為例，其動(dòng)荷載時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 A4試樣動(dòng)荷載時(shí)程曲線

2.2 地鐵列車振動(dòng)荷載作用下的試驗(yàn)方案

地鐵列車振動(dòng)荷載的振幅相對較低，但作用時(shí)間長。地鐵列車本身具有自重，可將地鐵列車振動(dòng)荷載模擬成動(dòng)荷載基準(zhǔn)值與動(dòng)荷載幅值的疊加?，F(xiàn)場資料顯示[14]，地鐵列車行進(jìn)時(shí)對隧道周圍土體振動(dòng)的頻率為0.2～2.0 Hz，地鐵列車振動(dòng)荷載基準(zhǔn)值約為30 kPa，動(dòng)荷載幅值為10～20 kPa。試驗(yàn)采用單向激振等壓固結(jié)。以隧道埋深12.5 m 即圍壓250 kPa、反壓125 kPa、凍結(jié)溫度-15℃、振動(dòng)頻率1 Hz、動(dòng)荷載基準(zhǔn)值30 kPa、動(dòng)荷載幅值為15 kPa、凍融1次的工況為基準(zhǔn)，進(jìn)行凍融次數(shù)、凍結(jié)溫度、振動(dòng)頻率、有效圍壓對南京砂液化特性的影響試驗(yàn)。液化破壞標(biāo)準(zhǔn)為雙幅應(yīng)變達(dá)5%[9]，試驗(yàn)方案見表3。

試驗(yàn)開始后，動(dòng)荷載基準(zhǔn)值在2 s內(nèi)加載完成。D4試樣的動(dòng)荷載時(shí)程曲線如圖5所示。

3 地震荷載工況下的試驗(yàn)結(jié)果

3.1 凍融循環(huán)對南京砂應(yīng)變、動(dòng)孔壓發(fā)展規(guī)律的影響

在地震荷載工況下共進(jìn)行了9個(gè)試驗(yàn)（試驗(yàn)編號A1-A9），以分析凍融循環(huán)對南京砂應(yīng)變、動(dòng)孔壓發(fā)展規(guī)律的影響。圖6—圖8為圍壓250 kPa、凍結(jié)溫度-15℃、動(dòng)荷載幅值75 kPa的地震荷載條件下的試驗(yàn)結(jié)果。圖6為未凍融（A1）、凍融1次（A4）和凍融2次（A7）南京砂的軸向應(yīng)變時(shí)程曲線。由圖6可知：未凍融、凍融1次、凍融2次南京砂的液化循環(huán)振動(dòng)次數(shù)分別為35，24 和22；經(jīng)過凍融的南京砂更容易液化，凍融次數(shù)越多，液化越容易，且首次凍融對南京砂的影響程度最大；在相同振動(dòng)次數(shù)下，未凍融砂的動(dòng)應(yīng)變（軸向應(yīng)變）值最小，凍融1次南京砂的動(dòng)應(yīng)變值明顯大于未凍融砂且略小于凍融2次的南京砂，說明凍融循環(huán)可以降低南京砂的剛度；相同振動(dòng)次數(shù)下，累計(jì)塑性量隨凍融次數(shù)的增多而增大，經(jīng)歷過凍融的南京砂更容易產(chǎn)生塑性變形。

表3 地鐵列車振動(dòng)荷載試驗(yàn)方案

圖5 D4試樣動(dòng)荷載時(shí)程曲線

圖7為未凍融（A1）、凍融1次（A4）和凍融2次（A7）南京砂的動(dòng)孔壓比時(shí)程曲線。南京砂動(dòng)孔壓比增長曲線大致分為3個(gè)階段：①初始時(shí)期，1次振動(dòng)下的平均動(dòng)孔壓比增長迅速，隨著振動(dòng)次數(shù)的增多，增長速率逐漸降低，同時(shí)1次振動(dòng)下動(dòng)孔壓比幅值也快速增長；②動(dòng)孔壓比平穩(wěn)增長階段，這個(gè)階段1次振動(dòng)下平均動(dòng)孔壓比和動(dòng)孔壓比幅值都平穩(wěn)增長，增長速率基本恒定；③當(dāng)動(dòng)孔壓比大約達(dá)到0.92時(shí)，土體進(jìn)入臨近液化階段，該階段最大動(dòng)孔壓比將會在0.95 左右保持不變，最小動(dòng)孔壓比急劇上升，直至完全液化，且隨著振動(dòng)次數(shù)的增多，1次振動(dòng)下動(dòng)孔壓比保持在最大動(dòng)孔壓比的時(shí)間也增長。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，在相同振動(dòng)次數(shù)下的南京砂，不論是平均動(dòng)孔壓比還是動(dòng)孔壓比幅值，未凍融時(shí)都最小，且凍融1次時(shí)明顯大于未凍融時(shí)且略低于凍融2次時(shí)。由此可見，凍融作用可以增大動(dòng)孔壓對動(dòng)荷載響應(yīng)的敏感度。

圖6 地震荷載工況下南京砂的應(yīng)變時(shí)程曲線

圖7 地震荷載工況下南京砂的動(dòng)孔壓比時(shí)程曲線

圖8為未凍融（A1）、凍融1次（A4）和凍融2次（A7）南京砂的滯回曲線。由圖8可知：不論南京砂凍融與否，振動(dòng)次數(shù)越多，滯回曲線的不對稱性越顯著。Figueroa 等[15]提出用滯回圈面積表征土體的能量耗散，將加載過程中所有能量耗散相加，即可得到土體液化所需的總能量。計(jì)算得到的未凍融、凍融1次、凍融2次南京砂的總能量耗散分別為1 271，977 和894 kJ·m-3，這說明經(jīng)歷凍融的南京砂需要消耗較少的能量便能發(fā)生液化，具有較差的結(jié)構(gòu)性，更易被破壞。

圖8 地震荷載工況下南京砂的滯回曲線

3.2 凍融次數(shù)對南京砂液化特性的影響

通常在飽和砂土液化試驗(yàn)中，使用循環(huán)應(yīng)力比CSR表征砂土的液化特性。當(dāng)試樣處于等壓固結(jié)時(shí)，循環(huán)應(yīng)力比CSR為土體最大往返剪應(yīng)力面上的循環(huán)剪應(yīng)力幅值τd與有效圍壓p′的比值[20]，即

式中：σd為動(dòng)荷載幅值，kPa。

不同循環(huán)應(yīng)力比的地震荷載下，凍融次數(shù)與南京砂液化循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知：凍融次數(shù)不多于2次時(shí)，相同凍融次數(shù)下，循環(huán)應(yīng)力比越大、液化循環(huán)次數(shù)越小，即南京砂越容易液化；相同循環(huán)應(yīng)力比的地震荷載下，南京砂的液化循環(huán)次數(shù)隨著凍融次數(shù)的增多而降低。這說明凍融循環(huán)可以削弱南京砂的抗液化能力，且凍融前后南京砂抗液化能力差距較大。

圖9 不同凍融次數(shù)下的液化循環(huán)次數(shù)（地震荷載）

3.3 凍結(jié)溫度對南京砂液化特性的影響

不同循環(huán)應(yīng)力比的地震荷載下，凍結(jié)溫度與南京砂液化循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖10所示。由圖10可知：凍結(jié)溫度在-25～-5℃范圍內(nèi)，相同循環(huán)應(yīng)力比的地震荷載下南京砂的液化循環(huán)次數(shù)隨著凍結(jié)溫度的降低而減少。這說明凍結(jié)溫度越低，凍融循環(huán)后的南京砂越容易液化。

圖10 不同凍結(jié)溫度下的液化循環(huán)次數(shù)（地震荷載）

3.4 有效圍壓對南京砂液化特性的影響

不同循環(huán)應(yīng)力比的地震荷載下，有效圍壓與南京砂液化循環(huán)次數(shù)如圖11所示。由圖11可知：有效圍壓在100～150 kPa范圍內(nèi)，相同循環(huán)應(yīng)力比的地震荷載下有效圍壓越小的凍融南京砂所需的液化循環(huán)次數(shù)越少，這說明有效圍壓越小，凍融循環(huán)后的南京砂越容易液化。

圖11 不同有效圍壓下的液化循環(huán)次數(shù)（地震荷載）

3.5 地震荷載工況下南京砂的液化判別

黃永林[2]對南京砂液化特性的研究表明，Seed簡化判別法能有效地對南京砂的地震液化特性進(jìn)行判別。

Seed簡化判別法通過對比場地不同深度的地震剪應(yīng)力τE與砂土地震荷載下的液化強(qiáng)度τs的大小判斷土體是否液化。深度為ds的地震剪應(yīng)力τE可以根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算。

其中，

式中：amax為地表運(yùn)動(dòng)最大加速度，m·s-2；γ為上覆土層的天然重度，kN·m-3；g為重力加速度，m·s-2；K為深度折減系數(shù)[10]。

砂層的抗液化剪應(yīng)力τs可以由下式計(jì)算[2]。

式中：Cr為動(dòng)三軸的應(yīng)力差別系數(shù)，文獻(xiàn)[11]建議南京砂取0.65；CRR為動(dòng)三軸抗液化強(qiáng)度。

CRR可根據(jù)地區(qū)地震風(fēng)險(xiǎn)，采用一定荷載循環(huán)次數(shù)發(fā)生液化時(shí)的CSR表征[2，11]。以南京市為例，其地震設(shè)防烈度7級，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g，CRR取值為南京砂循環(huán)加載12次發(fā)生液化時(shí)的CSR。

動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，在南京市地區(qū)地鐵聯(lián)絡(luò)通道的埋深范圍內(nèi)（10～15 m），2次以內(nèi)的凍融循環(huán)都不能使南京砂在12個(gè)振動(dòng)循環(huán)下達(dá)到液化。12.5 m埋深下南京砂的液化判別結(jié)果見表4。

表4 地震荷載下的液化判別結(jié)果

由表4可知，凍融循環(huán)能降低南京砂的抗液化能力。在南京地區(qū)，人工凍融南京砂在7級地震、0.1g地震加速度下依然不會產(chǎn)生液化，這說明南京地區(qū)地震荷載對南京砂凍結(jié)施工的潛在危險(xiǎn)性較小。

4 地鐵列車振動(dòng)荷載工況下的試驗(yàn)結(jié)果

4.1 凍融循環(huán)對南京砂應(yīng)變、動(dòng)孔壓發(fā)展規(guī)律的影響

圖12 地鐵列車振動(dòng)荷載工況下南京砂的應(yīng)變時(shí)程曲線

地鐵列車振動(dòng)荷載工況下共進(jìn)行了9個(gè)試驗(yàn)（試驗(yàn)編號D1—D9），以分析凍融循環(huán)對南京砂應(yīng)變、動(dòng)孔壓發(fā)展規(guī)律的影響。圖12—圖14為有效圍壓125 kPa、凍結(jié)溫度-15℃、動(dòng)荷載基準(zhǔn)值30 kPa、動(dòng)荷載幅值15 kPa、頻率1 Hz的地鐵列車振動(dòng)荷載條件下的試驗(yàn)結(jié)果。圖12為未凍融（D1）、凍融1次（D4）和凍融2次（D7）南京砂的應(yīng)變時(shí)程曲線。由圖12可知：未凍融、凍融1次、凍融2次的南京砂液化所需的循環(huán)振動(dòng)次數(shù)分別為841，594 和528；受動(dòng)荷載基準(zhǔn)值的影響，南京砂在振動(dòng)初期便產(chǎn)生了約0.2%的應(yīng)變；與地震荷載下的試驗(yàn)現(xiàn)象類似，地鐵列車振動(dòng)荷載下也是經(jīng)歷過凍融的南京砂更容易液化，且凍融次數(shù)越多，液化越容易；首次凍融對南京砂的影響程度最深；凍融南京砂的剛度更低、更容易產(chǎn)生塑性變形。

圖13 地鐵列車振動(dòng)荷載工況下南京砂的動(dòng)孔壓比時(shí)程曲線

圖13為未凍融（D1）、凍融1次（D4）和凍融2次（D7）南京砂的動(dòng)孔壓比時(shí)程曲線。由圖13可知：南京砂液化前的動(dòng)孔壓發(fā)展規(guī)律與地震荷載大致相似，但土體達(dá)到液化條件后最小孔壓比依然會緩慢上升，并沒有產(chǎn)生急速上升的現(xiàn)象，說明地鐵列車振動(dòng)荷載致使南京砂液化后，南京砂短時(shí)間內(nèi)還具有一定的強(qiáng)度。

圖14為未凍融（D1）、凍融1次（D4）和凍融2次（D7）南京砂的動(dòng)荷載與軸向應(yīng)變的滯回曲線。由圖14可知：地鐵列車振動(dòng)荷載下，未凍融、凍融1次、凍融2次南京砂液化所需的總能量分別為1 189，929 和857 kJ·m-3。這說明經(jīng)歷凍融次數(shù)越多，南京砂液化所需的能量越少，結(jié)構(gòu)性越差，越易被破壞。

圖14 地鐵列車振動(dòng)荷載工況下南京砂的滯回曲線

4.2 凍融次數(shù)對南京砂液化特性的影響

在不同循環(huán)應(yīng)力比的地鐵列車振動(dòng)荷載工況下，南京砂的液化循環(huán)次數(shù)與凍融次數(shù)的關(guān)系如圖15所示。由圖15可知：凍融次數(shù)不多于2次時(shí)，循環(huán)應(yīng)力比相同的地鐵列車振動(dòng)荷載工況下南京砂的液化循環(huán)次數(shù)隨著凍融次數(shù)的增多而減少，且首次凍融時(shí)南京砂的液化循環(huán)次數(shù)降低得最為明顯。說明凍融循環(huán)可以削弱南京砂的抗液化能力，且首次凍融循環(huán)的影響最大。

圖15 不同凍融次數(shù)下的液化循環(huán)次數(shù)（地鐵列車振動(dòng)荷載）

4.3 凍結(jié)溫度對南京砂液化特性的影響

在不同循環(huán)應(yīng)力比的地鐵列車振動(dòng)荷載作用下，南京砂的液化循環(huán)次數(shù)與凍結(jié)溫度的關(guān)系如圖16所示。由圖16可知：凍結(jié)溫度在-25～-5℃范圍內(nèi)，相同循環(huán)應(yīng)力比的地鐵列車振動(dòng)荷載工況下南京砂的液化循環(huán)次數(shù)隨凍融溫度的降低而減少。說明凍結(jié)溫度越低，凍融后的南京砂越容易液化。

圖16 不同凍融溫度下的液化循環(huán)次數(shù)（地鐵列車振動(dòng)荷載）

4.4 振動(dòng)頻率對南京砂液化特性的影響

在不同循環(huán)應(yīng)力比的地鐵列車振動(dòng)荷載工況下，振動(dòng)頻率與南京砂液化循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖17所示。由圖17可知，振動(dòng)頻率在0.2～2.0 Hz的范圍內(nèi)，相同循環(huán)應(yīng)力比的地鐵列車振動(dòng)荷載下，南京砂的液化循環(huán)次數(shù)隨振動(dòng)頻率的增高而減少。說明高頻振動(dòng)更易使凍融后的南京砂發(fā)生液化。

圖17 不同振動(dòng)頻率下的液化循環(huán)次數(shù)（地鐵列車振動(dòng)荷載）

4.5 有效圍壓對南京砂液化特性的影響

不同循環(huán)應(yīng)力比的地鐵振動(dòng)荷載下，有效圍壓與南京砂液化循環(huán)次數(shù)關(guān)系如圖18所示。

圖18 不同有效圍壓下的液化循環(huán)次數(shù)（地鐵列車振動(dòng)荷載）

由圖18可知：有效圍壓在100～150 kPa范圍內(nèi)，相同循環(huán)應(yīng)力比的地鐵列車振動(dòng)荷載下有效圍壓越小的凍融南京砂所需的液化循環(huán)次數(shù)越少。說明有效圍壓越小，凍融后的南京砂越容易液化。

4.6 地鐵振動(dòng)荷載工況下南京砂液化的評價(jià)建議

與地震荷載持續(xù)幾十秒所不同，地鐵列車振動(dòng)荷載會間歇式的持續(xù)十幾個(gè)小時(shí)，每天地鐵列車振動(dòng)荷載的振動(dòng)次數(shù)便能達(dá)到上萬次。倘若砂層透水性不足或排水通道不暢，地鐵列車振動(dòng)荷載便有可能使南京砂發(fā)生液化。對于南京砂來說，采用人工地層凍結(jié)法可加劇其液化的可能，且凍融次數(shù)越多、凍結(jié)溫度越低，南京砂越容易液化。

綜合地鐵列車振動(dòng)荷載下凍融對南京砂液化影響，提出如下工程建議：①凍結(jié)作用將加劇南京砂液化的可能，因此對于具有潛在液化的區(qū)域，每完成1次凍結(jié)施工，都應(yīng)該對南京砂進(jìn)行液化判別與處理；②倘若砂層透水能力不足，或地鐵周圍滿布地下連續(xù)墻等隔水結(jié)構(gòu)，應(yīng)對南京砂進(jìn)行更深度的防液化處理，且地鐵建設(shè)周圍區(qū)域要盡量保證排水通道的暢通。

5 南京砂凍融特性及液化機(jī)理

5.1 南京砂的凍融特性

南京砂具有一定的凍脹融沉特性。凍結(jié)完成后，使用游標(biāo)卡尺對試樣進(jìn)行測量，可以得到南京砂的凍脹率；試樣在動(dòng)三軸儀上融化完成后，可根據(jù)動(dòng)三軸試驗(yàn)的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果求得南京砂的融沉率[16]。不同凍結(jié)溫度、有效圍壓、凍融次數(shù)下的試樣凍融特性見表5，有效圍壓為圍壓與反壓之差。

由表5可知：南京砂的凍脹率在3.3%左右，融沉率在3.7%左右。經(jīng)歷過1次凍融循環(huán)后試樣體積減小約0.5%，土體被壓縮，孔隙比降低；第2次凍融循環(huán)后試樣同樣會產(chǎn)生凍脹融沉，孔隙比進(jìn)一步降低。

相比于粉土、黏土的凍脹融沉量（5%～7%）來說[17]，南京粉細(xì)砂的凍脹融沉相對較小。這是粉細(xì)砂毛細(xì)水含量相對較少，無法產(chǎn)生強(qiáng)烈的分凝凍脹作用所致。較大的圍壓、較高的凍結(jié)溫度都會使凍脹融沉減小。但總體來說，人工地層凍結(jié)法施工區(qū)域內(nèi)圍壓、凍結(jié)溫度、凍結(jié)次數(shù)發(fā)生變化時(shí)，南京粉細(xì)砂凍脹率、融沉率的變化幅度不大。有效圍壓、凍結(jié)溫度、凍結(jié)次數(shù)對南京粉細(xì)砂的凍脹融沉特性影響輕微。

表5 南京砂凍融特性

5.2 凍融作用影響液化特性的機(jī)理

凍融作用會對土體的顆粒特性、孔隙特性產(chǎn)生影響，從而影響其液化響應(yīng)。由于試樣在動(dòng)三軸上融化并經(jīng)歷振動(dòng)后，發(fā)生了液化破壞，無法及時(shí)對其顆粒特征和孔隙特征進(jìn)行測量。因此，另外設(shè)置新試樣在凍結(jié)裝置上進(jìn)行凍融，并測定凍融后試樣的顆粒特征見表6。由表6可知：凍融次數(shù)較多的南京砂的粒徑相對更小。

表6 南京砂凍脹融沉試驗(yàn)后級配表

凍融南京粉細(xì)砂經(jīng)風(fēng)干后使用壓汞試驗(yàn)儀對其孔隙特征進(jìn)行測定，結(jié)果如圖19所示。由圖19可知：南京砂的孔徑主要分布在10～100 μm范圍內(nèi)；凍融可以使粉細(xì)砂的大孔隙孔徑增大數(shù)量增多，小孔隙孔徑減小。

圖19 凍融砂土孔隙特征

土體凍結(jié)過程中，大孔隙中的自由水首先發(fā)生相變，體積膨脹從而產(chǎn)生凍脹力[1，17]。凍脹力使得大孔隙擴(kuò)張，砂土顆粒以及含未凍水的小孔隙受到擠壓，顆粒變得破碎、小孔隙縮小[18]，同時(shí)破壞土體自身的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。融化后，砂土在凍結(jié)時(shí)對孔隙的影響并不能完全消除；同時(shí)被凍結(jié)作用破壞的土體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造也不能完全恢復(fù)，從而產(chǎn)生凍融南京砂粒徑減小、大孔隙孔徑增大、小孔隙孔徑減小的現(xiàn)象。粒徑減小、大孔隙孔徑增大致使凍融砂更易液化；小孔隙孔徑減小會抑制液化。然而由于粒徑減小、大孔隙增大對凍融南京粉細(xì)砂液化的影響更為明顯，凍融南京砂整體體現(xiàn)出更易液化的特性。

6 結(jié) 論

（1）在地震荷載和地鐵列車振動(dòng)荷載作用下，凍融循環(huán)均會明顯降低南京砂的剛度和抗液化能力，首次凍融時(shí)降低得最為明顯；凍融南京砂更容易產(chǎn)生塑性變形，且凍融循環(huán)將增大南京砂動(dòng)孔壓對動(dòng)荷載響應(yīng)的敏感度。

（2）凍融次數(shù)、凍結(jié)溫度和有效圍壓均會影響凍融砂的液化特性。凍融次數(shù)越多、凍結(jié)溫度越低、有效圍壓越小，凍融粉細(xì)砂的結(jié)構(gòu)性越差，越易發(fā)生液化。

（3）人工地層凍結(jié)法會降低南京砂的液化強(qiáng)度，但南京地區(qū)地震荷載對南京砂凍結(jié)施工的潛在危險(xiǎn)性較小。

（4）地鐵列車振動(dòng)是南京砂的潛在液化源。人工地層凍結(jié)法加劇了地鐵列車振動(dòng)荷載作用下南京砂液化的可能，且高頻振動(dòng)更易使南京砂發(fā)生液化。凍結(jié)施工時(shí)，每次凍結(jié)施工完成后，都應(yīng)對南京砂進(jìn)行液化判別與處理，并盡量保證排水通道的暢通。

（5）凍融循環(huán)會使南京砂粒徑減小、大孔隙孔徑增大、小孔隙孔徑減小，且凍融次數(shù)越多該作用越明顯。