常州典型土層凍脹融沉特性試驗(yàn)研究

黃 俊 湯國毅 嚴(yán) 剛 徐 鈺 薛陳軍

(江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 210041)

0 引言

近年來，隨著地下工程的快速發(fā)展，凍結(jié)法逐漸被應(yīng)用于地鐵的隧道搶險(xiǎn)與修復(fù)、車站暗挖、盾構(gòu)接收與始發(fā)端頭加固、聯(lián)絡(luò)通道施工等工程中[1]。但人工凍結(jié)法對(duì)周邊環(huán)境和地層存在著明顯的凍脹融沉不良現(xiàn)象[2]，凍脹及融沉量過大或不均勻，會(huì)造成鄰近建筑物或管線的不均勻沉降與破壞，甚至對(duì)工程的安全造成影響。

由于地層的復(fù)雜性，人工凍結(jié)帶來的土體膨脹以及解凍引起的工后沉降控制問題仍未得到很好的解決。本文以常州市軌道交通2號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工涉及的典型土層為研究對(duì)象，對(duì)不同土層在封閉和開發(fā)條件下進(jìn)行凍脹融沉試驗(yàn)，研究其特性，為今后常州地鐵在凍結(jié)法的使用過程中提供指導(dǎo)性建議。

1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)為解決常州地鐵所穿越典型土層人工凍結(jié)法設(shè)計(jì)施工時(shí)有關(guān)凍脹融沉的參數(shù)取值問題，研究了各土層在補(bǔ)水(開放)和不補(bǔ)水(封閉)狀態(tài)下凍脹融沉特性。

凍脹率試驗(yàn)采用無約束的軸向凍脹實(shí)驗(yàn)，即試件可以在軸向自由膨脹。在試驗(yàn)過程中，按規(guī)定的時(shí)間測(cè)量了軸向位移與時(shí)間的關(guān)系，并得到了最大凍脹量，最大凍脹量與原長的比值就是凍脹率。

融沉試驗(yàn)分為土樣融化下沉和壓縮沉降兩個(gè)階段。融沉是由土樣的自重引起的，而壓縮沉降與外部壓力有關(guān)，本次試驗(yàn)主要為土樣融化下沉試驗(yàn)部分。本文人工凍土融沉試驗(yàn)是每個(gè)土樣在凍脹試驗(yàn)后一體完成的，土樣在某個(gè)負(fù)溫下完全凍結(jié)后自然解凍，采集數(shù)據(jù)計(jì)算凍土融沉系數(shù)。

試驗(yàn)步驟主要包括樣品制備、樣品恒溫、樣品降溫與數(shù)據(jù)采集、樣品融沉4個(gè)步驟。

1)樣品制備。

直接取出原狀土樣后，在調(diào)好尺寸的削土器上削制成φ80 mm×50 mm規(guī)格的樣品。

2)樣品恒溫。

樣品置于1 ℃低溫柜中，并用3 cm厚泡沫塑料保溫包裹在樣品筒周圍，將7個(gè)熱電偶插入樣品筒側(cè)邊小孔內(nèi)，在樣品頂部加上薄濾紙和透水石，確保樣品上下兩面與裝置各部分緊密接觸，然后通過加壓砝碼對(duì)樣品加壓。在開放系統(tǒng)中，兩只數(shù)顯式位移傳感器對(duì)稱安置在試樣筒頂端安裝架上并記錄初始讀數(shù)，樣品在0 ℃環(huán)境中恒溫12 h。

Study on Targeted Poverty Alleviation Model of Rural Tourism in Deyang City from the Perspective of Integration of Agriculture and Tourism______________________ZHANG Dan,WANG Su 29

3)樣品降溫與數(shù)據(jù)采集。

樣品在低溫環(huán)境下恒溫12 h，啟動(dòng)溫度與位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，計(jì)算試樣恒溫過程中壓縮變形量；在開放系統(tǒng)中，當(dāng)樣品首先出現(xiàn)凍結(jié)鋒面時(shí)，進(jìn)行第一次補(bǔ)水，從而保證在整個(gè)試驗(yàn)過程中有充足的供水，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣品不同深度處的溫度和凍脹量。

4)樣品融沉。

試樣在恒溫水循環(huán)狀態(tài)下，進(jìn)行強(qiáng)制解凍融沉，整個(gè)過程中記錄試樣高度變化量[3]。

本次試驗(yàn)土樣取自常州市軌道交通2號(hào)線KC2101標(biāo)段聯(lián)絡(luò)通道附近的⑤2層粉砂、⑤3層粉砂夾黏質(zhì)粉土、⑥2層粉質(zhì)黏土、⑧1層黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土，這4種土層是常州市軌道交通2號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道人工凍結(jié)法涉及的典型土層，其土層描述和基本物理參數(shù)見表1，表2。

表1 土層描述

表2 土層基本物理參數(shù)

2 試驗(yàn)裝置

采用凍土實(shí)驗(yàn)室凍脹融沉儀進(jìn)行凍脹融沉一體化試驗(yàn)，儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意及裝置見圖1。

3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)

其中，η為凍脹率，%；Δh為凍脹量，mm；Hf為凍結(jié)深度，不包括凍脹量，mm；試驗(yàn)中為樣品初始高度減恒溫過程土體在荷載作用下變形量。

土體融化下沉系數(shù)計(jì)算見式(2)。

(2)

其中，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，為50 mm。

對(duì)于每一種土樣，通常進(jìn)行3個(gè)樣品的凍脹融沉試驗(yàn)。如果測(cè)試數(shù)據(jù)具有較大的離散性，則通過增加樣品數(shù)量并剔除具有較大離散性的數(shù)據(jù)。各層土在開放和封閉兩種狀態(tài)下的凍脹率和融沉系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果和算術(shù)平均值如表3所示。

3.1 凍脹率

凍脹的原因是土體凍結(jié)過程中水分向凍結(jié)區(qū)的遷移和積聚。由于土壤中水分為兩種：結(jié)合水和自由水，當(dāng)土中溫度降至負(fù)溫時(shí)，自由水首先凍結(jié)成冰晶。隨著溫度繼續(xù)下降，弱結(jié)合水的最外層開始凍結(jié)，冰晶逐漸擴(kuò)大，使冰晶周圍土顆粒的結(jié)合水膜減薄，土粒產(chǎn)生剩余的分子引力[5]。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

圖2～圖9分別為各土層在封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)下凍脹率與時(shí)間的變化曲線。通過試驗(yàn)曲線和成果可見砂性土的凍脹率普遍小于黏性土，砂性土的凍脹率為黏性土的1/2～1/3，分析原因是水分遷移特征在不同土質(zhì)中呈現(xiàn)完全不同的狀態(tài)。砂性土相對(duì)黏性土具有顆粒大、比表面積小、表面能低的性狀，因此吸附作用較弱，而且孔隙中主要是毛細(xì)水，很難形成薄膜結(jié)構(gòu)。在相同的條件下，毛細(xì)水的負(fù)壓要比薄膜水小得多，因而水分遷移能力較弱，表現(xiàn)出較小的凍脹性[6]。開放系統(tǒng)下，由于外界的水源補(bǔ)給，其水分就會(huì)向凍結(jié)區(qū)不斷地遷移聚集，使冰晶體增大，形成冰夾層，土體呈現(xiàn)吸水凍結(jié)，其凍脹率明顯高于封閉系統(tǒng)。

3.2 融沉系數(shù)

隨著溫度的上升，土壤中的冰逐漸融化成水，并在自身重量的作用下，作用在土壤骨架上的有效應(yīng)力增加，土顆粒之間的膠結(jié)度降低，并且土壤中的孔隙受壓后體積變小，出現(xiàn)融沉現(xiàn)象；凍土融化包括冰的消失以及土體骨架重新調(diào)整后達(dá)到新平衡的孔隙率；相變現(xiàn)象和融土中超孔隙水的排出均將導(dǎo)致土體積的變化或者沉降；當(dāng)融土的體積調(diào)整到一個(gè)新的平衡孔隙率后整體完成總沉降[7]。

圖10～圖17分別為各土層在封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)下融沉系數(shù)與時(shí)間的變化曲線。從圖10～圖17中可以看出：開放系統(tǒng)下融沉系數(shù)均大于封閉系統(tǒng)下的融沉系數(shù)，這與凍脹率變化相似。砂性土的融沉系數(shù)小于黏性土，這說明了砂性土與黏性土相比是非凍脹融沉敏感性土。

4 結(jié)語

通過對(duì)常州典型土層在封閉和開放系統(tǒng)下的凍脹融沉試驗(yàn)，得到了以下結(jié)論，對(duì)常州市軌道交通后期凍結(jié)法設(shè)計(jì)和施工具有積極的指導(dǎo)作用。1)砂性土的凍脹率和融沉系數(shù)普遍小于黏性土。2)無論哪種土性在凍結(jié)過程中供水充足時(shí)，凍脹率和融沉系數(shù)都會(huì)明顯增大。土中水的遷移是土層凍脹融沉的直接原因。3)無論是封閉還是開放系統(tǒng)，土體經(jīng)過凍脹融沉后無法恢復(fù)至初始狀態(tài)，總有一定的殘余變形。