地鐵聯絡通道凍結法土體溫度現場試驗研究

羅戰(zhàn)友,李曉泉,鄒寶平,2,易 覺,牟軍東

(1.浙江科技學院 a.土木與建筑工程學院;b.隧道與地下空間技術開發(fā)研究院,杭州 310023;2.中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點試驗室,北京 100083;3.廣東華隧建設集團股份有限公司,廣州 510335;4.杭州市地鐵集團有限責任公司,杭州 310003)

凍結法的本質是使土中自由水凍結,形成人工凍土,加固區(qū)土體是否凍結決定地鐵聯絡通道能否開挖。由于聯絡通道通常位于城市高密集區(qū),開挖不當會引起挖孔坍塌、地面沉陷、周邊建筑倒塌等重大工程地質災害。凍土性狀是溫度的函數[1],對于凍結過程的溫度場[2-3]變化規(guī)律,國內研究人員進行了大量的探索[4-7],結果表明,不同土體在凍結過程中所呈現的凍結特性并不相同。在室內試驗方面,程知言等[8]測試了上海地區(qū)3種飽和軟土的起始凍結溫度、未凍水含量及含冰量,得到了上海地區(qū)軟黏土凍結過程的溫度變化曲線。張婷[9]進行了凍結溫度、凍脹及融沉試驗,研究了南京地區(qū)典型淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土及粉砂土的凍結溫度隨土質、含水量、干密度、含鹽量及水質的變化規(guī)律。邢述彥[10]進行了砂壤土、輕壤土和黏土的凍結溫度試驗,得到了土體凍結的溫度變化曲線及3種土在不同含水率、含鹽量條件下的凍結溫度。在現場試驗方面,土體溫度一般通過測點溫度進行監(jiān)測,馬俊等[11]發(fā)現凍結期間各測點溫度的變化趨勢大致相同,但由于凍土帷幕外側擴散時冷量損失比內側大,導致內側土體降溫速率及凍結鋒面的移動速率比外側快。尚驍林[12]對凍結法施工中鹽水溫度、泄壓孔壓力、測溫管溫度及地表沉降進行了監(jiān)測,獲得了對應測點的溫度變化規(guī)律。

綜上所述,國內外研究人員通過室內試驗對土體凍結過程的自由水相態(tài)變化及凍結溫度做了大量的探索,但在現場試驗方面,前人對測點溫度的分析很少結合自由水的相態(tài)變化規(guī)律。由于不同性狀土的凍結溫度不同,若不能正確認識測點溫度與土中自由水相態(tài)的關系,則將無法判斷土體是否凍結。此外,不同性質的土凍結過程的溫度變化規(guī)律也不相同[13],而關于杭州地區(qū)淤泥質黏土地層凍結法施工測點溫度變化規(guī)律的相關研究較為缺乏。因此我們依托杭州市軌道交通5號線16標段江南大道站至江虹路西站區(qū)間段內聯絡通道凍結法施工項目,進行現場凍結試驗,研究在杭州淤泥質黏土地層中地鐵聯絡通道凍結法施工的測點溫度變化規(guī)律及凍土帷幕厚度,從而為分析凍土帷幕性狀及類似工程提供參考。

1 試驗方案

1.1 工程概況及地質條件

杭州市軌道交通5號線16標段江南大道站至江虹路西站區(qū)間段聯絡通道凍結施工項目位于濱安路上,通道主體部分主要位于淤泥質粉質黏土層及淤泥質粉質黏土夾粉土層,凍結加固區(qū)土層基本物理參數見表1,加固區(qū)位置及地層信息如圖1所示。

表1 凍結加固區(qū)土層基本物理參數

圖1 凍結加固區(qū)位置及地層

1.2 試驗方案

凍土帷幕設計厚度為2 m,由于地表為城市道路,為減少對交通的影響,采用水平凍結法進行凍結。凍結管共77根(編號為D),選用20#低碳鋼無縫鋼管;測溫管共7根(編號為C),選用Φ32 mm、δ3 mm鋼管,管內等間距布置3個測溫點,用以監(jiān)測凍結過程的土體溫度,采樣時間間隔為24 h。其中,測溫管C1、C2、C3、C5、C6、C7位于④2淤泥質粉質黏土層,C4位于⑥1淤泥質黏土夾粉土層;C1、C2、C3、C4位于隧道左線,C5、C6、C7位于隧道右線。凍結管參數見表2,凍結管及測溫管布置如圖2所示。

圖2 凍結管及測溫管布置(單位:mm)

表2 凍結管參數匯總表

土體凍結的冷量來自凍結管,在其他條件相同的情況下,測點與凍結管的距離對溫度也有一定的影響。為控制距離變量,將測溫管按與凍結管距離的遠近進行分組,距凍結管1 m有C2、C3、C6、C7等測點,距凍結管約0.5 m有C1、C4、C5等測點。

2 結果分析

2.1 鹽水溫度實測分析

本試驗制冷系統于2019年6月21日完成安裝調試并開機凍結,至2019年7月24日,累計凍結35 d。鹽水去回路溫度及溫差隨時間的變化如圖3所示。由圖3(a)可知,去回路溫度曲線分為4個階段:1)快速降溫階段。經過8 d的凍結,溫度降至-20 ℃左右,平均降溫速率為5.13 ℃/d。2)緩慢降溫階段。用時7 d,平均降溫速率為0.14 ℃/d。在凍結第15 d,去路溫度為-22 ℃仍未達設計要求,因此加大制冷機功率以進一步降溫。3)溫度穩(wěn)定階段。這一階段鹽水去路溫度穩(wěn)定在-28 ℃左右,達到設計要求,平均降溫速率為0.04 ℃/d。由圖3(b)可知,在凍結期間,去回路溫差總體呈下降趨勢,從2.0 ℃逐漸降至0.9 ℃,說明凍土帷幕形成良好,溫度場趨于穩(wěn)定。

圖3 鹽水去回路溫度及溫差隨時間的變化

2.2 土體溫度實測分析

2.2.1 測點溫度隨時間的變化規(guī)律

凍土帷幕設計厚度為2 m,因此凍結管1 m處的土體凍結狀態(tài)決定了凍土帷幕是否達到設計厚度。由于凍結壁內外兩側的擴展速率不同,因此將測溫管C2、C3、C6、C7分為2組,第1組為C3、C6位于凍結壁內側,第2組為C2、C7位于凍結壁外側,各組測點溫度隨時間的變化見圖4。由圖4可知,地層初始溫度約為22.5 ℃,各測點的曲線變化規(guī)律基本上相似;以測點C3-1及C2-1為例,可將曲線大致分為快速降溫、緩慢降溫、自由水相變、穩(wěn)定降溫4個階段。

圖4 測點溫度隨時間的變化

1)快速降溫階段:此階段共持續(xù)15 d,測點溫度隨時間的推移逐漸降低,第1組和第2組的平均降溫速率均為1.3 ℃/d。由圖3可知,鹽水溫度在這一階段持續(xù)下降,測點溫度是鹽水溫度和時間的雙變量函數,降溫速率較快。

2)緩慢降溫階段:此階段測點溫度隨時間的推移逐漸降低,第1組的平均降溫速率為0.5 ℃/d,第2組為0.6 ℃/d,相比快速降溫階段有所減慢。這主要是由于鹽水溫度維持在-28 ℃不變,測點溫度變成僅與時間相關的單變量函數。

3)自由水相變階段:此階段測點起始溫度為0 ℃左右,測點溫度隨時間的推移逐漸降低,第1組和第2組的平均降溫速率均為1.25 ℃/d,相比緩慢降溫階段明顯升高。由于鹽水溫度保持不變,因此,降溫速率升高是由土體本身的熱物理性質變化導致的。

4)穩(wěn)定降溫階段:此階段測點溫度隨時間的推移逐漸降低,第1組和第2組在這一階段的平均降溫速率均為0.5 ℃/d,明顯低于自由水相變階段。這主要是由于土中熱負荷降低,凍土帷幕逐漸達平衡態(tài)(熱動態(tài)平衡[14]),溫度場趨于穩(wěn)定,因此測點溫度變化曲線開始收斂,降溫速率變慢。

從整體上看,由于各測點初始溫度不同及凍結管縱向冷量損失的原因,在快速降溫和緩慢降溫階段,測點間的溫度差距較大,隨著土中熱負荷降低,差距逐漸縮小。每組曲線呈現較強的一致性并向同一狀態(tài)收斂,凍結35 d后,測點溫度達-5 ℃,此時溫度沒有達到穩(wěn)定狀態(tài),曲線仍呈下降趨勢,說明凍結壁仍在緩慢發(fā)展。

2.2.2 自由水相態(tài)分析

自由水相態(tài)與土體溫度有關,溫度受比熱C影響,比熱公式如下:

(1)

式(1)中:Q為熱量;m為質量;t為變化后的溫度;t0為初始溫度。

由式(1)可知,物體質量(m)和單位時間輸入的熱量(Q)保持不變時,比熱降低會導致單位時間內溫度變化量(t-t0)增大,即溫度變化率上升。由于比熱為廣延量,土體凍結前后的比熱變化即為水到冰的比熱變化。水的比熱為4 200 J/(kg·℃),冰的比熱為2 100 J/(kg·℃),所以理論上,土體凍結后比熱降低(文獻[15]的試驗結果表明淤泥質土凍結后比熱的確降低了)。

在緩慢降溫和自由水相變階段土體質量和鹽水溫度均未發(fā)生變化(即m與Q保持不變),因此測點降溫速率上升的這一現象是由土中自由水比熱降低引起的,而自由水的比熱變化僅在自由水相變時發(fā)生,說明在測點溫度達0 ℃左右時,自由水發(fā)生相變,凍結成冰。

在土體溫度達到凍結溫度時,土中自由水發(fā)生相變,凍結成冰。對于淤泥質土的凍結溫度,文獻[15]的試驗結果表明,含水率38.6%、密度1.94 g/cm3的淤泥質粉質黏土原狀土的凍結溫度為-0.36 ℃。由表1可知,其土質類型、含水率及密度都與本工程加固區(qū)土體性狀相似,因此本工程土體凍結溫度應為-0.36 ℃左右。由于測溫點并非直接埋置于土中,而是通過測溫管與土體間接接觸,于是存在冷量損失,因此自由水相變時測點溫度約為0 ℃,略高于土體凍結溫度-0.36 ℃,屬于正常現象。

綜上所述,土中自由水在快速降溫及緩慢降溫階段為液態(tài);在自由水相變及穩(wěn)定降溫階段為固態(tài),由于黏土凍結主要以自由水凍結為主[16],故可認為此時土體已經凍結。

3 結 論

本研究結合實際工程進行了現場凍結試驗,通過分析凍結過程的鹽水去回路溫度及測點溫度,探討了測點溫度的變化規(guī)律、土體凍結狀態(tài)及凍土帷幕厚度,得到如下結論:

1)凍結期間,鹽水去回路溫差逐漸從2 ℃降至0.9 ℃,凍土帷幕形成良好,溫度場趨于穩(wěn)定;

2)杭州市淤泥質黏土地層在凍結作用下,距凍結管1 m處的測點溫度變化曲線可大致分為快速降溫、緩慢降溫、自由水相變、穩(wěn)定降溫4個階段,受鹽水溫度及土中自由水相態(tài)的影響,在各個階段凍結壁內外兩側的測點平均降溫速率不同;

3)土中自由水在快速降溫和緩慢降溫階段為液態(tài),在自由水相變和穩(wěn)定降溫階段為固態(tài);

4)在累計凍結35 d后,凍結管1 m處的測點均已達到穩(wěn)定降溫階段,土體凍結,凍土帷幕達到設計厚度2 m,滿足設計要求;

5)試驗結果驗證了凍結法在杭州淤泥質黏土地層加固中的可行性,可為凍土帷幕性狀分析及類似工程應用提供參考。