地鐵施工土層凍結(jié)溫度試驗(yàn)研究

南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226001

凍結(jié)法施工是通過對底層進(jìn)行人工制冷技術(shù)，來加強(qiáng)底層的牢固性以及穩(wěn)定性。當(dāng)前，地鐵建設(shè)當(dāng)中大量使用了凍結(jié)法，以應(yīng)對軟土地鐵施工當(dāng)中可能存在的問題［1］。我們進(jìn)行地區(qū)土層人工凍結(jié)黏土凍脹力試驗(yàn)，來發(fā)現(xiàn)凍脹力隨時(shí)間變化的規(guī)律；對不同土層的進(jìn)行凍結(jié)溫度試驗(yàn)，尋找這些土層的凍結(jié)溫度隨時(shí)間變換的規(guī)律。這些規(guī)律成果可為地鐵建設(shè)中提供可靠的依據(jù)，施工得到了便利，為安全提供了保障的同時(shí)也減少了經(jīng)濟(jì)方面的損失。

1 土樣采集

工作人員在國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求之下，在確定取樣層取得土型樣品，除去其中的泥漿皮，做好標(biāo)高，層位，數(shù)量以及土性的相關(guān)記錄，然后將土樣品用雙層塑料保鮮袋和線繩進(jìn)行密封，并且用膠帶進(jìn)行密封，將這些樣品裝箱后運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，運(yùn)送過程中取樣箱的放置位置，應(yīng)該保持在較低水平面上防止取樣箱滑落損傷其中的樣品，在取樣筒下放稻草和碎紙等具有一定緩沖功能的物品，防止樣品在運(yùn)輸過程中被損壞［2］。

2 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

2.1 凍土試驗(yàn)內(nèi)容

2.1.1 凍土的凍脹試驗(yàn)

首先需要進(jìn)行試樣的采集工作，當(dāng)冷板溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度之后，將樣品放入凍脹以當(dāng)中將其高度的變化值設(shè)置為小于等于0.02 的規(guī)定位置之上，并且安置好位移傳感器和量表等設(shè)備。如果樣品在某一個(gè)確定的荷載之下，間隔2h，凍脹依舊不發(fā)生變化，則認(rèn)為該樣品在該幾何載之下達(dá)到相對穩(wěn)定，允許凍脹量應(yīng)該小于等于0.01mm，記錄此時(shí)施加的平衡荷載，或者通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄此時(shí)凍土的凍脹力。

2.1.2 凍土的凍結(jié)溫度試驗(yàn)

用熱電偶插入試瓶的中心，然后再背蓋周邊用硝基漆進(jìn)行密封處理［3］。低溫瓶當(dāng)中放入每升兩摩爾的氯化鈉溶液所制成的鹽冰塊，再倒入相同濃度的鹽水，使水面與冰塊面相互齊平。將封好底并且已經(jīng)裝入5cm 高干砂的塑料瓶插入低溫瓶之內(nèi)，然后將塑料瓶頭和低溫瓶口，用橡皮塞和瓶蓋進(jìn)行密封處理，將熱電偶測溫端與數(shù)字電壓表相連接，每分鐘記錄一次熱電勢。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)的溫度分別是-5℃、-10℃和-15℃，熱端的溫度則是20±2℃，實(shí)驗(yàn)在開放系統(tǒng)之下進(jìn)行單向凍結(jié)。試件規(guī)格為Φ50×25mm。在實(shí)驗(yàn)過程中測量規(guī)定時(shí)間范圍之內(nèi)樣品軸向的位移長度與時(shí)間之間的聯(lián)系，并且得到試件的最大凍脹量［4］。

凍脹力試驗(yàn)方法：使樣品在零位移約束之下進(jìn)行膨脹試驗(yàn)，在樣品上下兩端施加縱向的約束力，并且用荷重傳感器測量凍土的凍脹約束力，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究凍脹約束力和時(shí)間之間的關(guān)系，并且得到凍土最大凍脹約束力［5］。

3 凍脹試驗(yàn)結(jié)果及分析

各個(gè)土層試件的最大凍脹力的試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 各個(gè)土層的最大凍脹力

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以第二組數(shù)據(jù)為例畫出土層凍脹力與時(shí)間關(guān)系曲線見圖1。

圖1 凍土凍脹力與時(shí)間關(guān)系曲線

從上表的數(shù)據(jù)可以得知，試驗(yàn)土層的凍脹力在0.35～0.65 之間，并且大部分實(shí)驗(yàn)凍土的凍脹力和凍脹率都保持在較低水平。

4 凍結(jié)溫度試驗(yàn)

4.1 凍結(jié)溫度試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)嚴(yán)格按照國國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試驗(yàn)在低溫瓶與零溫瓶間進(jìn)行，低溫瓶溫度為-7.6℃，零溫瓶溫度為0±0.1℃，試驗(yàn)杯用黃銅制成，其直徑3.5cm、高5cm，帶有杯蓋［6］。

4.2 凍結(jié)溫度的計(jì)算

式中：

T－凍結(jié)溫度；

V－熱電勢跳躍后的穩(wěn)定值，μv；

K－熱電偶的標(biāo)定系數(shù)，℃／μv。

4.3 凍結(jié)溫度試驗(yàn)結(jié)果

土壤中水結(jié)冰的過程主要是過冷，跳躍，恒定和遞降這4個(gè)階段所構(gòu)成。當(dāng)出現(xiàn)跳躍時(shí)，電勢會(huì)突然減小，然后在某一數(shù)值穩(wěn)定，這也是開始凍結(jié)的溫度。根據(jù)這一原理，各土層凍結(jié)溫度試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 凍結(jié)溫度試驗(yàn)結(jié)果表

4.4 凍結(jié)溫度與時(shí)間關(guān)系曲線

同樣，以第二層為例，凍結(jié)溫度時(shí)間曲線見圖2。

圖2 凍結(jié)溫度與時(shí)間關(guān)系曲線

5 結(jié)語

（1）有凍脹力與時(shí)間關(guān)系曲線可以看出溫度越低凍土的凍脹力數(shù)值越大，在一段時(shí)間凍脹程度與時(shí)間成正比，增加到一定程度呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。處于快速上升，過渡，相對穩(wěn)定的三個(gè)階段。

（2）各層土樣凍脹程度曲線變化趨勢大體相同。在前期快速凍結(jié)期間，曲線爬升相對較快，凍脹程度大；在過渡期，曲線上升變得緩慢，可見凍脹程度明顯減小；之后曲線幾乎趨于平穩(wěn)，整個(gè)土凍脹程度維持不變。

（3）各土層凍結(jié)溫度隨時(shí)間的曲線變化大體接近，土中水結(jié)冰的時(shí)間過程一般須經(jīng)歷過冷、跳躍、恒定和遞降四個(gè)階段。當(dāng)出現(xiàn)跳躍時(shí)，電勢會(huì)突然減小，接著穩(wěn)定在某一數(shù)值。