土質(zhì)對人工凍土凍結溫度影響的試驗研究

司軒昂，楊 平，劉健鵬

(南京林業(yè)大學土木工程學院，江蘇南京 210037)

0 引言

人工凍結法作為一種常用的地基加固方法,目前已被廣泛應用于隧道洞門端頭、聯(lián)絡通道加固等地鐵隧道工程。在我國東南沿海及長三角地區(qū)，需采用人工凍結法加固的土層主要是砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(楊平和張婷，2015)；在福州、成都和南京等地隧道施工常穿過礫石地層(宋杰，2020；唐少輝等，2020)。在盾構法施工中，隧道洞門或聯(lián)絡通道常在水泥土加固后，使用人工凍結法進行補充加固(程知言等，2002；王杰等，2011)。在近海和跨海海底隧道工程中采用人工凍和結法，加固地層常為含氯鹽的鹽漬凍土(楊平等，2019)。其中，凍結溫度是判斷凍結帷幕是否達到要求的重要指標。研究不同土質(zhì)的凍結溫度，不僅有助于合理設計人工凍結法凍結壁參數(shù)，也對揭示水分遷移規(guī)律十分重要(Kozlowski，2003)，因此需要對不同性質(zhì)土的凍結溫度進行深入研究。

關于土的凍結溫度，國內(nèi)外學者已開展了較多研究，多集中在凍結溫度的影響因素上(Setzer，2001;程知言等，2005;Kozlowski，2009;趙景峰，2011；張婷等，2012；周家作等，2015；劉振亞等，2017；楊國清等，2017；魏堯等，2018)。土的凍結溫度變化規(guī)律與冰水界面自由能、孔隙半徑以及凍融循環(huán)次數(shù)也有一定關系(Wan et al.,2015;Han et al.，2018)。盡管關于凍結溫度研究已有不少成果，但選取的土層均較單一，針對人工凍結法常加固地層的凍結溫度系統(tǒng)性對比研究較少。本文針對南京等長三角地區(qū)以及寧波等沿海地區(qū)使用人工凍結法施工典型土層開展凍結溫度試驗，結合水泥土、含鹽土凍結溫度試驗，進行土質(zhì)對人工凍土凍結溫度影響試驗研究，分析砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、礫石土、水泥土、含鹽土的凍結溫度，并對目前不同土性的凍結溫度進行了討論及相關機理分析，以供今后不同土性的凍結壁設計參考。

1 試驗方法

凍結溫度試驗采用自行設計的裝置，嚴格按《土工試驗方法標準》進行，試驗裝置如圖1所示，由恒溫水浴槽、電腦、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。恒溫水浴槽采用高低溫恒溫液浴循環(huán)兩用槽 XT5218-B8；常規(guī)細粒土采用30 mm*50 mm試驗杯，而礫石土采用導熱性較好內(nèi)徑110 mm，壁厚2 mm鋁制金屬試驗杯，帶杯蓋；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DataTaker采集器，熱電偶測溫法，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集(李思齊等，2018)。

圖1 凍結溫度試驗裝置圖Fig.1 Device of freezing temperature tests

礫石土凍結溫度試驗：將礫石土分層填入試驗杯，加水至飽和，采用溫度傳感器測量其凍結溫度。

水泥土凍結溫度試驗：水泥土試樣制備首先配制和其原狀土含水率一樣的擾動土，然后配置水灰比1∶2的水泥漿，將配置好的水泥漿按不同水泥摻入比分別加入到制好的擾動土中，攪拌后按規(guī)范進行制樣。

含鹽土凍結溫度試驗：根據(jù)試驗需要確定土樣的含鹽量和含水量，按濃度要求將鹽溶解純水中，攪拌均勻，充分溶解后倒入擾動土樣中，充分拌后靜置24 h,然后按規(guī)范進行制樣。

2 不同地區(qū)典型土層凍結溫度

近年來南京林業(yè)大學凍土實驗室依托南京、蘇州、南通、寧波和珠海等地區(qū)的地鐵科研項目，對這些地區(qū)地鐵不同標段使用人工凍結法加固的典型土層進行大量的凍結溫度試驗，典型土層的凍結溫度范圍見表1。圖2為不同地區(qū)典型土層的凍結溫度平均值，在保證凍結溫度試驗樣本量的前提下，從數(shù)理統(tǒng)計的角度引入平均值以直觀地反映不同地區(qū)典型土層的凍結溫度。

表1 不同地區(qū)典型土層凍結溫度范圍

圖2 不同地區(qū)典型土層凍結溫度平均值Fig.2 Average values of freezing temperature of typical soil layers in different areas

由圖2可知，對于同一地區(qū)不同土質(zhì)的凍結溫度:砂土>粉土>粉質(zhì)黏土>黏土，對于同一命名的土層，南通地區(qū)土質(zhì)的凍結溫度比南京等其它地區(qū)的低。

為更好地研究同一地區(qū)土質(zhì)對人工凍土凍結溫度的影響，選用南京地區(qū)過江隧道礫石土，按以礫石土凍結溫度試驗方法進行，同時與該地區(qū)粉質(zhì)黏土、粉土、砂土等飽和土樣在相同試驗環(huán)境條件下凍結溫度比較。各土層降溫曲線如圖3所示，凍結溫度結果見表2?？芍?，凍結溫度由高到低分別為：礫石土>砂土>粉土>粉質(zhì)黏土，即表現(xiàn)為顆粒粒徑越小，凍結溫度越低。礫石土發(fā)生跳躍的起始時間最長，跳躍段上升得最快。此外，相比于粉土等其它土，礫石土的過冷溫度也較低。

表2 南京地區(qū)不同土凍結溫度試驗結果

圖3 南京地區(qū)不同土凍結過程曲線Fig.3 Cooling curves of different types of soils in Nanjing

3 水泥土凍結溫度

因實際工程均為水泥土加固達到齡期后再實施人工凍結補充加固的(王許諾等，2012)，水泥摻入比達到10%即可有效擬制凍脹融沉(鮑俊安等，2013)，所以水泥土凍結溫度主要研究定齡期(28天)條件下7種水泥摻入比(0%、4%、8%、10%、12%、16%、20%)水泥砂土和水泥黏土的凍結溫度變化規(guī)律；定摻入比10%條件下4種齡期(7天、14天、28天、90天)水泥砂土和水泥黏土的凍結溫度變化規(guī)律。水泥土凍結溫度試驗所選砂土和黏土均為南京地區(qū)使用人工凍結法施工的典型土層。

3.1 凍結溫度隨水泥摻入比變化規(guī)律

如圖4所示，水泥砂土和水泥黏土的凍結溫度隨著水泥含量的增加而降低，且均低于同一土性原狀土的凍結溫度。同時表明：水泥比高于4%后，土質(zhì)對凍結溫度的影響較大，隨著水泥摻入比的增加，水泥黏土的凍結溫度低于水泥砂土的凍結溫度，且其差異呈放大趨勢。

3.2 凍結溫度隨齡期變化規(guī)律

如圖5所示，水泥砂土和水泥黏土中水泥含量和凍結溫度隨齡期增加而降低，且兩種水泥土凍結溫度降低幅度在養(yǎng)護齡期達到28天后，隨齡期的變化明顯減緩。水泥黏土的凍結溫度低于水泥砂土，二者的差值隨齡期的增加沒有明顯變化。

圖4 凍結溫度與水泥摻入比關系曲線Fig.4 Curves of freezing temperature versus proportion of cement added

圖5 凍結溫度-齡期關系曲線Fig.5 Curves of freezing temperature versus age

4 含鹽土凍結溫度

4.1 氯鹽含量對凍結溫度的影響

在我國沿海地區(qū)的鹽漬土，其含鹽量一般在4%以下，含鹽種類主要以NaCl為主(楊平等，2019)，因此取氯鹽配置含鹽量為0%、0.5%、1%、2%和4%。粉質(zhì)黏土的凍脹敏感性較大(盛岱超等，2014)，選擇南京地區(qū)粉質(zhì)黏土進行配置含鹽土。不同含鹽量的試樣溫度隨時間變化的曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，含水量一定時，NaCl含鹽量越高，土的凍結溫度和過冷溫度越低。由圖7可知，NaCl含鹽土凍結溫度隨著含鹽量的增加而線性降低，這與前人研究結論一致(Bing and Ma,2011;孟祥傳等，2020)。而不同含鹽量的NaCl含鹽土過冷溫度無明顯的線性變化規(guī)律，當含鹽量大于1%時，其凍結溫度與過冷溫度的差值有減小的趨勢。

圖6 不同含鹽量的降溫曲線Fig.6 Cooling curves of soils with different salt contents

圖7 含鹽量對凍結溫度及過冷溫度的影響Fig.7 Influence of salt content on freezing temperature and super-cooling temperature

4.2 不同含鹽種類對凍結溫度的影響

選擇NaCl含鹽土，同時與Na2SO4含鹽土在相同條件下凍結溫度比較，對比研究含鹽種類對凍結溫度的影響，不同含鹽種類下凍結溫度隨著含鹽量的變化如圖8所示。圖8表明NaCl含鹽土比Na2SO4含鹽土的凍結溫度低，氯鹽對凍結溫度的影響更大。而且NaCl含鹽土與Na2SO4含鹽土的凍結溫度的差值隨含鹽量的增加而變大，這體現(xiàn)了含鹽量對NaCl含鹽土比Na2SO4含鹽土的凍結溫度影響更顯著，每增加1%含鹽量，NaCl含鹽土凍結溫度降低2.5℃，而Na2SO4含鹽土凍結溫度僅降低0.3℃。

圖8 不同含鹽種類對凍結溫度的影響Fig.8 Influence of different salt types on freezing temperature

5 討論

土質(zhì)對凍結溫度影響主要體現(xiàn)在土的粒徑大小，土顆粒粒徑越大，與水接觸的面積越小，其吸力越小，導致水的自由能越高，凍結溫度越高。飽和礫石土的顆粒粒徑比粉質(zhì)黏土等其它土體中土顆粒粒徑大得多，且試樣中的水近乎為自由水，而自由水的比熱較大，只有吸收大量的冷量才能使其降溫，所以在礫石土的凍結過程曲線中，其在過冷段維持時間較長，過冷溫度較低。過冷溫度越低，積蓄的潛熱越多，則土中的自由水結成冰時釋放的潛熱也越多，因此飽和礫石土的凍結溫度相比其它土層較高且跳躍段上升的比其它土快，上升的溫度也比其它土大。對于同一地區(qū)同一命名的土層，由于現(xiàn)場所取土樣分布地點及取土深度不同，現(xiàn)場取出土樣含水率等因素存在差異，從而導致部分土層凍結溫度相差較大。

對于同一命名的土層，南通地區(qū)的凍結溫度比寧波等其它地區(qū)低，說明凍結溫度與地區(qū)有一定關系。相較于其它地區(qū)土層，南通地區(qū)土層含有機質(zhì)且局部夾少量黏性土，其吸附力較強且比表面積較大，具有的表面能也大，水發(fā)生相變所需的冷量較大，導致土體達到凍結狀態(tài)的溫度較低(冷毅飛，2006)。因此在不同地區(qū)的土層凍結溫度分析上，需要考慮該地區(qū)土層有機質(zhì)含量的影響。

水泥土凍結溫度的變化規(guī)律與不同地區(qū)典型土層有很大不同。水泥土在凍結發(fā)生后，土體中的一部分自由水在水泥中部分礦物與水發(fā)生水解和水化反應下轉化為結合水，導致土中結合水含量變大，則土中自由水結成冰時釋放的潛熱減少，從而凍結溫度降低。對于不同土質(zhì)的水泥土，在同一水泥摻入比下，水泥土的凍結溫度與其土質(zhì)的粒徑有關，這是因為水泥的粒徑遠遠小于土的粒徑，水泥土的密實度會隨著將水泥加入土中而優(yōu)化，水泥土體內(nèi)的空隙隨著其密實度的優(yōu)化而減小，所以水泥土中土的粒徑越大，其凍結溫度越高。同樣，齡期也是影響水泥土凍結溫度的重要因素，如圖5所示，水泥土的凍結溫度隨著齡期的增加而減小。此外水泥土凍結溫度在28天以內(nèi)的變化幅度較大，主要是因為該段時間水泥的水解水化反應較激烈，而28天后水化反應基本完成，含水量的變化也很平穩(wěn)。

對于含鹽土，土中水是鹽溶液，在土水體系中鹽溶液的溶膠、凝膠等膠結作用和離子的吸附、交換、置換和擴散等作用對土顆粒表面的吸附作用有影響(邴慧和馬巍，2011；Hu et al.,2017)。含鹽量越大，土顆粒吸附水分的能力越強，形成水化膜的能力越強，土水勢就越低，從而自由水達到凍結狀態(tài)的溫度越低。所以含鹽土的凍結溫度隨含鹽量的增加而降低。此外不同的含鹽種類，其對凍結溫度的影響差異很大，含鹽量對氯鹽土比硫酸鹽土的凍結溫度影響更顯著，這是因為Na2SO4對外界環(huán)境溫度比NaCl敏感。當外界環(huán)境降低時，Na2SO4溶解度減小，從而使得孔隙溶液中鹽分濃度達到飽和狀態(tài)并析出(肖澤岸等，2020)，而NaCl溶解度受外界溫度影響較小，故NaCl對凍結溫度的影響更大。所以在使用人工凍結法加固含鹽土層時，需考慮土層中的含鹽種類及其含鹽量的大小對凍結溫度及凍土強度的影響。

6 結論

針對土質(zhì)對人工凍土凍結溫度的影響問題，從不同地區(qū)典型土層、水泥土、含鹽土等方面開展研究，通過試驗得到不同土質(zhì)的凍結溫度，并對其變化規(guī)律進行了機理分析，主要研究結論如下：

(1) 同一地區(qū)不同土層的凍結溫度，與其土顆粒粒徑有關，土顆粒粒徑越大，凍結溫度越高，礫石土>砂土>粉土>粉質(zhì)黏土。對于同一命名的土層，不同地區(qū)典型土層的凍結溫度不同，南通地區(qū)的凍結溫度比寧波等其它地區(qū)低。礫石土的過冷溫度較低，發(fā)生跳躍的起始時間較長，且其跳躍段上升較快。

(2) 水泥土的凍結溫度隨水泥摻入比及齡期的增加而降低。同一水泥摻入比下，水泥黏土的凍結溫度比水泥砂土低。

(3) NaCl含鹽土凍結溫度隨含鹽量增加而線性降低，且其過冷溫度隨含鹽量的增加而降低。含鹽量對硫酸鹽土比氯化鈉土的凍結溫度的影響更小。

[附中文參考文獻]

鮑俊安,楊平,張翔宇.2013.水泥土融沉特性的試驗研究[J].南京林業(yè)大學學報(自然科學版),37(5):97-102.

鮑俊安,楊平,王許諾.2013.水泥土凍脹特性試驗研究[J].鄭州大學學報(工學版),34(1):5-9.

邴慧,馬巍.2011.鹽漬土凍結溫度的試驗研究[J].冰川凍土,33(5):1106-1113.

程知言,張可能,裘慰倫,龐榮慶.2002.上海某凍結加固工程試驗研究分析[J].地質(zhì)與勘探,38(3):90-92.

程知言,顏庭成,秦江紅.2005.上海軟土人工凍結熱力學性質(zhì)研究[J].地質(zhì)與勘探,41(2):90-92.

冷毅飛.2006.凍土未凍水室內(nèi)綜合試驗研究[D].長春：吉林大學：23-72.

李思齊,楊平,趙方舟.2018.礫石地層凍土熱物理特性研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),45(6):122-126，149.

劉振亞,劉建坤,李旭,房建宏.2017.非飽和粉質(zhì)黏土凍結溫度和凍結變形特性試驗研究[J].巖土工程學報,39(8):1381-1387.

孟祥傳,周家作,韋昌富,張坤,沈正艷,楊周潔.2020.鹽分對土的凍結溫度及未凍水含量的影響研究[J].巖土力學,41(3):952-960.

盛岱超,張升,賀佐躍.2014.土體凍脹敏感性評價[J].巖石力學與工程學報,33(3):504-605.

宋杰.2020.富水砂卵石地層盾構隧道長距離穿越機場飛行區(qū)技術研究[J].隧道建設(中英文),40(S1):288-296.

唐少輝,張曉平,劉浩,張亮亮,張健,陳鵬,白坤,吳柯.2020.復雜地層水下盾構隧道工程難點及關鍵技術研究與展望[J/OL].工程地質(zhì)學報:1-11.

王杰,楊平,王許諾,鮑俊安.2011.盾構始發(fā)水泥土加固后水平凍結溫度實測研究[J].現(xiàn)代隧道技術,48(6):99-104.

王許諾,楊平,彭玉龍.2012.水泥土凍結溫度及熱物理參數(shù)試驗研究[J].武漢理工大學學報,34(6):96-100.

魏堯,楊更社,葉萬軍.2018.凍結溫度對凍融黃土力學特性的影響規(guī)律研究[J].長江科學院院報,35(8):61-66.

肖澤岸,侯振榮,董曉強.2020.降溫過程中含鹽土孔隙溶液相變規(guī)律研究[J].巖土工程學報,42(6):1174-1180.

楊國清,楊平,何文龍,張春進.2017.海相人工凍土熱物理特性試驗研究[J].南京林業(yè)大學學報(自然科學版),41(1):170-176.

楊平,劉健鵬,張婷.2019.含鹽凍土物理力學特性研究現(xiàn)狀與展望[J].林業(yè)工程學報,4(6):11-19.

楊平,張婷.2015.城市地下工程人工凍結法理論與實踐[M].北京:科學出版社:1-2.

張婷,楊平.2012.不同因素對淺層土導熱系數(shù)的影響[J].地下空間與工程學報,8(6):1 233-1238.

趙景峰.2011.凍土抗拉強度與凍溫及含水率關系的試驗研究[J].地質(zhì)與勘探,47(6):1158-1161.

周家作,譚龍,韋昌富,魏厚振.2015.土的凍結溫度與過冷溫度試驗研究[J].巖土力學,36(3):777-785.