杭州地鐵凍結工程凍土力學特性試驗研究

王星童，趙維剛

(中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇徐州 221008)

第大助

0 引言

隨著城市建設的不斷發展，建設工程中人工凍結技術的應用范圍正從礦山豎井建設工程擴展到城市土木工程、地鐵、輸水管道、核廢料地下儲倉等工程建設中［1］。自1992年起，在上海、廣州等城市地下鐵道建設中，處理局部特殊地層、泵站與地鐵隧道的聯絡通道、折返線隧道、穿越建筑物或公路的部分等工程采用了人工凍結法［2－3］。凍結工程中，凍土的力學特性是工程成敗的關鍵，其研究顯得格外重要。

對于凍土力學特性的研究，國內外的學者做了很多工作。1930年俄羅斯凍土學的開創者崔托維奇在各種不同溫度下進行了亞勃土和砂土凍結試驗后，得出了隨著溫度的降低，凍結強度按照非線性規律增大，并逐漸衰減，而且在不同溫度下，砂質土和黏性土的凍結強度具有不同比值的特性［4］，之后國外凍土學方面的許多著名學者也進行了這方面的探討，如Vialov、Ladanyi等。國內學者鄭波等［5］曾對廣州地鐵凍土力學特性進行試驗研究，研究結果表明，在相同的土質條件下，溫度越低，凍土的單軸抗壓強度越高。朱元林［6］對凍結砂土及粉土的無側限瞬時強度進行了詳細的研究，認為抗壓強度與應變率(或破壞時間)及溫度等因素關系密切，并給出了其之間的定量關系。樊良本等［7］對人工凍結的杭州典型的飽和軟土進行單軸抗壓強度試驗，分析了強度曲線的特征，得到凍結的杭州飽和軟土強度隨凍結溫度、應變速率、土樣干密度的變化規律。王春雷等［8］對含鹽凍土無側限抗壓強度的試驗研究，得出含鹽凍土的強度與含水量、凍結溫度的關系，初步討論了鹽溶液濃度對凍土強度的影響。林斌等［9］對淮南礦區典型凍土進行了力學特性試驗研究，研究表明鈣質黏土力學性能最差，凍結黏土的單軸強度、變形模量和蠕變強度均隨溫度降低而增加，特別是當凍土溫度低于－10℃時，凍結黏土強度隨溫度降低而劇烈增加，但溫度的變化對泊松比影響較小。

以上學者做了很多研究，但由于地域土性的差異性，必須通過試驗室的精確試驗，才能確定描述特定地區凍土強度和變形性質的參數，試驗室試驗應盡可能模擬在實際凍結工程中起決定作用的荷載、溫度和邊界條件。本文結合位于杭州地鐵1號線濱江站至富春路站區間盾構過江隧道聯絡通道凍結工程，對其凍結壁設計范圍內具有代表性的土質進行了室內凍土試驗研究，得到凍土體的無側限抗壓強度以及抗彎強度特性，為凍結工程的設計與施工提供參考依據。

1 原位土體的基本物理性質

試驗共取4種位于凍結工程設計范圍內具有代表性的土質，從上至下依次為淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉砂、圓礫。無側限抗壓強度試驗土體基本物理性質見表1。抗彎強度試驗土體基本物理性質見表2。

表1 無側限抗壓強度試驗土體基本物理性質Table 1 Physical parameters of soil for unconfined compressive strength test

表2 抗彎強度試驗土體基本物理性質Table 2 Physical parameters of soil for bending strength test

2 試樣制備及試驗設備

2.1 試樣制備

2.1.1 土樣

土樣取自于杭州地鐵1號線濱江站至富春路站區間盾構過江隧道聯絡通道區域。所有試驗根據煤炭部行業標準MT/T 593.4—1996《人工凍土物理力學性能試驗規程》進行。

2.1.2 無側限抗壓強度凍土體

首先，對擬進行分析測試的土質，通過鉆孔采取巖芯，獲得尺寸為61.8 mm×125 mm的土樣;然后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;隨后，將捆扎好的土樣浸入石蠟中再次密封，并用報紙包裹(防止土樣運輸過程中顛簸損壞)，裝入土樣筒內;最后，將土樣筒用膠帶密封填寫土樣標簽并貼于土樣筒上，運回凍土實驗室。在實驗室根據試驗要求，對土樣進行修整，并以－10℃恒溫保存，制成試驗所需的凍土樣。

2.1.3 抗彎強度土體

抗彎試驗采用重塑土，將各層原位土體按照各自的原位含水量均勻拌合，通過專用制樣機壓制成尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的長方體試件。在保證試件的制備質量的前提下，用雙層塑料薄膜將其包裝密封并填寫土樣標簽，并以－10℃恒溫保存。

2.2 試驗設備

試驗采用應變速率控制加載方式，應變速率設定為0.1%/min。試驗是在美國制造的MTS810材料試驗機上進行的，為保證試驗過程中凍土體的－10℃恒溫狀態，整個實驗過程中采用液氮對試驗加載箱進行降溫。試驗系統如圖1所示。

圖1 試驗系統圖Fig.1 Test apparatus

3 試驗結果分析

試驗中每層土制備3個試樣，依次編號，并對每層土的3個試樣分別進行強度試驗，將得到的實驗數據取平均值，并繪制相應的曲線圖。

3.1 凍土體無側限抗壓強度

3.1.1 試驗數據分析

根據以往實驗經驗，在保證試樣破壞的前提下，單個試樣的試驗時間初定為4 h。試驗完畢后，計算出各土層凍土的平均抗壓強度和平均破壞應變(見表3)，將得到的試驗數據繪制成－10℃條件下凍土無側限抗壓強度應力應變曲線圖(見圖2)。

表3 凍土無側限抗壓強度測試結果Table 3 Results of unconfined compressive strength test on frozen soil

圖2 －10℃條件下凍土無側限抗壓強度應力應變曲線Fig.2 Curves of stress-strain of unconfined compressive strength of frozen soil at－10℃

通過表3中的測試結果可以明顯地看出粉砂的抗壓強度最大，粉質黏土次之，淤泥質粉質黏土最小。出現這種結果的原因為:

1)根據土力學的知識，淤泥質粉質黏土中的水分主要以結合水的形式存在，加之結合水的冰點較自由水低很多，在－10℃條件下土體中的結合水未凍結，只有自由水達到冰點凍結，土顆粒間的膠結力不強。

2)與淤泥質粉質黏土相比，粉砂的土顆粒粒徑較大，土中的水分主要是自由水，能夠傳遞壓力，且在0℃以下可以很好地凍結，使土體顆粒間的膠結能力增強，能提高凍土體的抗壓能力。

3)對于粉質黏土，其土體顆粒粒徑在淤泥質粉質黏土與粉砂之間，土中結合水與自由水的比例相對適中，因而凍土的抗壓強度位于淤泥質粉質黏土與粉砂之間。

4)圓礫屬于粗顆粒土，比表面積小，土顆粒表面的吸附能力小，含水量較其他3層土小，且土層中的水主要以自由水的形式存在。由于土顆粒粒徑較大，進而導致孔隙率較高，凍結后，土顆粒間的冰對顆粒間的黏結作用影響不大，難以抵抗大的豎向壓力，因而無側限抗壓強度小。

3.1.2 應力應變曲線分析

從圖2可以看出各土層的無側限抗壓強度應力應變關系曲線有很大的不同，淤泥質粉質黏土應力應變曲線屬于應變硬化性曲線［5］，粉質黏土、粉砂和圓礫則屬于應變軟化行曲線。具體土樣分析如下:

1)淤泥粉質黏土在加載的初期，隨著荷載的不斷加大，試樣的變形緩慢，初期表現出一定的彈性變形，當應力達到2.5 MPa時曲線出現明顯的拐點，此時應變速率急劇增大，試樣變形明顯，達到峰值后仍保持較大的殘余強度，試樣表現出塑性破壞或接近塑性破壞的性狀，而后有一個微小的應力峰值，隨后應力值幾乎保持不變。相應條件下杭州淤泥質黏土凍土具有較大的流變性［9］，峰值以后隨著應變的增加應力增加和松弛同時發生，且后者占主導地位。當強烈松弛階段過去以后，隨著應變增大，應變硬化又起支配作用，曲線又有一個上翹段。

2)粉質黏土的應力應變曲線比較接近于二次曲線，隨著應力荷載的不斷加大，試樣的應變速率也不斷加大，最終破壞應變，無明顯的殘余強度。

3)粉砂的應力應變曲線表現為線性變化，在達到破壞應變之前應力應變曲線接近于直線，表現出很好的彈性變形，當達到破壞應變時發生脆性破壞，之后應力值急劇減小，無明顯的殘余強度。

4)對于圓礫，其平均破壞應變是最小的，3個試樣的試驗數據變化大，可能是受實驗條件和試樣的制作質量等因素的影響。

3.1.3 實際工程條件下凍土體無側限抗壓強度驗證

根據試驗土體基本物理參數，利用淺埋洞室的土柱理論進行驗算。驗算點土層壓力

式中:q為驗算點土層壓力值，N/m2;γi為上覆第i層土的容重，N/m3;Hi為上覆第i層土的高度，m。

將相關參數代入式(1)得到各土層壓力值(見表4)。

表4 驗算點各土層壓力值計算表Table 4 Pressure value of each soil layer at checking points

通過計算所取土樣上部土體的水土壓力，并與試驗得到的各土層－10℃條件下的無側限抗壓強度相比較，各層土體的凍土強度完全可以抵抗上部土體的壓力，滿足施工要求，為地鐵隧道聯絡通道的順利施工提供數據支持。

3.2 凍土體抗彎強度

3.2.1 試驗數據分析

與無側限抗壓強度相類似，單個試樣的試驗時間初定為0.5 h，加載方式為3點式，試驗機置于－10℃低溫環境中。荷載與變形關系曲線的最大截面應力即為抗彎強度，相應的撓度即為破壞撓度。試驗結果見表5，將試驗數據繪制成－10℃條件下凍土抗彎強度荷載與變形關系圖(見圖3)。

表5 凍土抗彎強度測試結果Table 5 Results of bending strength test on frozen soil

圖3 －10℃條件下凍土抗彎強度荷載與變形關系Fig.3 Relationship between bending strength load and deformation of frozen soil at－10℃

通過表5和圖3的試驗結果可知:1)凍土的抗彎強度和無側限抗壓強度有所不同，在4種土樣中凍結圓礫土樣的抗彎強度是最大的，可以達到8.99 MPa，而其破壞撓度卻是最小的;2)凍結圓礫土在加載過程中截面應力的增加速度較其他3種土體快，當達到峰值后應力值急劇下降，這說明其截面在受到較大彎矩作用力時，在沒有明顯變形的情況下發生脆性破壞; 3)當實際工程需穿越圓礫層時，開挖施工過程中需時刻檢測凍結圓礫土體的變形和應力分布情況的變化，如出現問題及時采取補救措施，以免造成工程事故; 4)和圓礫土相比，其他3種土樣的破壞撓度相當，都有較大的破壞撓度。

3.2.2 荷載與變形關系分析

從圖3可以看出:粉質黏土、粉砂和圓礫的曲線的發展的總體趨勢相類似，試驗的初期階段應力增長較快，隨著荷載的施加，撓度變化速率減慢，在將要達到破壞撓度之前有很長一段時間撓度變化速率接近于0，此時試件截面上的應力得到重分布，使得試件在產生較大撓度情況下仍能有較大的承載力。這種性質能為及時發現問題和發現問題后及時采取補救措施提供時間，在實際工程中有重要意義。

3.2.3 實際工程條件下對凍土體抗彎強度驗證

與凍土體無側限抗壓強度的驗證計算相似，根據試驗土體基本物理參數，利用簡支梁受均布荷載作用進行，取聯絡通道寬度為2 m進行驗算。最大應力計算式為:

式中:Mmax為最大彎矩;L為聯絡通道寬度，取2 m; σmax為最大彎曲應力，MPa;γi為上覆第i層土的容重，N/m3;Hi為上覆第i層土的高度，m;b和h分別為單位寬度和凍結壁平均厚度(沿聯絡通道縱向取b為1 m，h為2 m)。

表6 驗算點各土層最大彎曲應力值計算表Table 6 Maximum bending stress value of each soil layer at checking points

通過驗算得知由上覆土層作用產生的最大彎矩應力值遠遠小于凍結土體的抗彎強度荷載，凍結土體的強度得到很大的提高，足以抵抗上覆土體的荷載作用，實驗數據證明凍結法的運用對土體強度的改善效果十分明顯。

4 結論與建議

1)在－10℃，當土的含水量為20%～40%時，各土層無側限抗壓強度為2.9～5.9 MPa，抗壓強度得到大幅度提高，其中凍結淤泥質粉質黏土的抗壓強度是天然軟土的近百倍。各土層相比，凍結粉砂的抗壓強度最大。在淤泥質粉質黏土層中使用凍結法時，根據工程的實際情況，在保證凍土壁強度的前提下可以適當升高凍結壁溫度，以滿足經濟和工期要求。

2)淤泥質粉質黏土層凍土呈塑性破壞，破壞應變較其他層土大，在實際凍結工程設計與施工中要重視，對淤泥質粉質黏土凍土層進行開挖時要時刻監測凍結壁的位移，做好充分的應急措施，以防凍土壁發生過大變形引發工程事故。

3)在－10℃下，凍結圓礫土的抗彎強度最大，并且破壞撓度最小，淤泥質粉質黏土、粉質黏土和粉砂的破壞撓度相當，圓礫和粉砂的抗彎強度增幅明顯，可以達到8 MPa以上，淤泥質粉質黏土和粉質黏土的凍土抗彎強度也可以增強到4.0～5.5 MPa，凍結法對土體強度的改善效果明顯。

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