常州典型土層凍脹融沉特性試驗研究

黃 俊 湯國毅 嚴 剛 徐 鈺 薛陳軍

(江蘇南京地質工程勘察院，江蘇 南京 210041)

0 引言

近年來，隨著地下工程的快速發展，凍結法逐漸被應用于地鐵的隧道搶險與修復、車站暗挖、盾構接收與始發端頭加固、聯絡通道施工等工程中[1]。但人工凍結法對周邊環境和地層存在著明顯的凍脹融沉不良現象[2]，凍脹及融沉量過大或不均勻，會造成鄰近建筑物或管線的不均勻沉降與破壞，甚至對工程的安全造成影響。

由于地層的復雜性，人工凍結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號線聯絡通道凍結法施工涉及的典型土層為研究對象，對不同土層在封閉和開發條件下進行凍脹融沉試驗，研究其特性，為今后常州地鐵在凍結法的使用過程中提供指導性建議。

1 試驗方法

本次試驗為解決常州地鐵所穿越典型土層人工凍結法設計施工時有關凍脹融沉的參數取值問題，研究了各土層在補水(開放)和不補水(封閉)狀態下凍脹融沉特性。

凍脹率試驗采用無約束的軸向凍脹實驗，即試件可以在軸向自由膨脹。在試驗過程中，按規定的時間測量了軸向位移與時間的關系，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。

融沉試驗分為土樣融化下沉和壓縮沉降兩個階段。融沉是由土樣的自重引起的，而壓縮沉降與外部壓力有關，本次試驗主要為土樣融化下沉試驗部分。本文人工凍土融沉試驗是每個土樣在凍脹試驗后一體完成的，土樣在某個負溫下完全凍結后自然解凍，采集數據計算凍土融沉系數。

試驗步驟主要包括樣品制備、樣品恒溫、樣品降溫與數據采集、樣品融沉4個步驟。

1)樣品制備。

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

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個熱電偶插入樣品筒側邊小孔內，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樣品加壓。在開放系統中，兩只數顯式位移傳感器對稱安置在試樣筒頂端安裝架上并記錄初始讀數，樣品在0 ℃環境中恒溫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)樣品降溫與數據采集。

樣品在低溫環境下恒溫12 h，啟動溫度與位移數據采集系統，計算試樣恒溫過程中壓縮變形量；在開放系統中，當樣品首先出現凍結鋒面時，進行第一次補水，從而保證在整個試驗過程中有充足的供水，并實時監測樣品不同深度處的溫度和凍脹量。

4)樣品融沉。

試樣在恒溫水循環狀態下，進行強制解凍融沉，整個過程中記錄試樣高度變化量[3]。

本次試驗土樣取自常州市軌道交通2號線KC2101標段聯絡通道附近的⑤2層粉砂、⑤3層粉砂夾黏質粉土、⑥2層粉質黏土、⑧1層黏質粉土夾粉質黏土，這4種土層是常州市軌道交通2號線聯絡通道人工凍結法涉及的典型土層，其土層描述和基本物理參數見表1，表2。

表1 土層描述

表2 土層基本物理參數

2 試驗裝置

采用凍土實驗室凍脹融沉儀進行凍脹融沉一體化試驗，儀器內部結構示意及裝置見圖1。

3 試驗結果

(1)

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

土體融化下沉系數計算見式(2)。

(2)

其中，α0為凍土融沉系數，%；Δh0為凍土融化下沉量,mm；h0為凍土初始高度，為50 mm。

對于每一種土樣，通常進行3個樣品的凍脹融沉試驗。如果測試數據具有較大的離散性，則通過增加樣品數量并剔除具有較大離散性的數據。各層土在開放和封閉兩種狀態下的凍脹率和融沉系數的試驗結果和算術平均值如表3所示。

3.1 凍脹率

凍脹的原因是土體凍結過程中水分向凍結區的遷移和積聚。由于土壤中水分為兩種：結合水和自由水，當土中溫度降至負溫時，自由水首先凍結成冰晶。隨著溫度繼續下降，弱結合水的最外層開始凍結，冰晶逐漸擴大，使冰晶周圍土顆粒的結合水膜減薄，土粒產生剩余的分子引力[5]。

表3 試驗結果

圖2～圖9分別為各土層在封閉系統和開放系統下凍脹率與時間的變化曲線。通過試驗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中呈現完全不同的狀態。砂性土相對黏性土具有顆粒大、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水，很難形成薄膜結構。在相同的條件下，毛細水的負壓要比薄膜水小得多，因而水分遷移能力較弱，表現出較小的凍脹性[6]。開放系統下，由于外界的水源補給，其水分就會向凍結區不斷地遷移聚集，使冰晶體增大，形成冰夾層，土體呈現吸水凍結，其凍脹率明顯高于封閉系統。

3.2 融沉系數

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力增加，土顆粒之間的膠結度降低，并且土壤中的孔隙受壓后體積變小，出現融沉現象；凍土融化包括冰的消失以及土體骨架重新調整后達到新平衡的孔隙率；相變現象和融土中超孔隙水的排出均將導致土體積的變化或者沉降；當融土的體積調整到一個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和開放系統下融沉系數與時間的變化曲線。從圖10～圖17中可以看出：開放系統下融沉系數均大于封閉系統下的融沉系數，這與凍脹率變化相似。砂性土的融沉系數小于黏性土，這說明了砂性土與黏性土相比是非凍脹融沉敏感性土。

4 結語

通過對常州典型土層在封閉和開放系統下的凍脹融沉試驗，得到了以下結論，對常州市軌道交通后期凍結法設計和施工具有積極的指導作用。1)砂性土的凍脹率和融沉系數普遍小于黏性土。2)無論哪種土性在凍結過程中供水充足時，凍脹率和融沉系數都會明顯增大。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，土體經過凍脹融沉后無法恢復至初始狀態，總有一定的殘余變形。