人工凍結技術引起的地層凍脹規律研究

李 飛 王薪焱 邢雯靜 劉宇恒

（1.常熟理工學院，江蘇 常熟 215500；2.桂林理工大學，廣西 桂林 541000）

0 引言

在使用人工凍結法時，可在凍結施工前用水泥對凍結區域土體進行改良，由于改良后土體含水率及透水性減小，凍結施工中產生的凍脹率和融沉系數均會減小[1-3]。考慮到凍結水泥土仍然存在微小凍融，工程中依然應防范凍結法施工對地下建筑物的破壞[4-6]。

為合理評估水泥土凍脹引起的周圍土體位移場變化，控制凍脹產生的不利影響，本文以三維有限元計算為手段，對某地鐵隧道盾構進出洞人工凍結法施工中產生的凍脹進行了分析，對凍脹位移場發展分布規律及不同因素變化對位移場的影響進行了系統研究。

1 研究方法

對水泥土凍脹位移場進行有限元分析時，計算案例中的凍結區域設計為杯型，凍土帷幕的杯壁設計厚度為1.5m，凍土帷幕的杯底設計為2m，整個凍土帷幕長12 m，為了模擬的更加細致，計算時對凍土區域的網格做了細化處理，圖1給出了有限元計算模型。

凍脹計算前先進行凍結溫度場計算，將溫度場計算結果作為溫度荷載輸入凍脹計算模型中進行凍脹計算，計算中混凝土材料按彈性材料，彈性模量按34500MPa 計取，凍土帷幕按雙線性塑性材料計算，考慮溫度對材料參數的影響。

圖1 凍脹位移場有限元計算模型及網格劃分

2 結果分析

2.1 凍脹位移分布規律

圖2給出了凍脹位移云圖。由凍脹位移云圖可以看出，凍結法施工時，凍結區域上方土體向上位移，離凍土帷幕越遠，向上的凍脹位移越小，在凍土帷幕外邊緣處凍脹位移最大。受凍結區土體凍脹影響，凍結區域下方土體產生向下的位移，隨著與凍土帷幕距離的增加，向下的位移逐漸減小。凍結過程中，凍結區左右兩側土體沿水平方向位移，離凍土帷幕越近，水平位移越大。

圖2 土體凍脹產生的位移云圖

圖3為不同深度水平面土體豎向位移等值線。由圖可見，隨著土體深度的增加，位移等值線數值增大，但圖域范圍在縮小，表明土體越深，凍脹位移越大，凍脹在水平面上的影響范圍越小。對比圖3中三圖可以看出，隨著土體深度的減小，最大位移點的位置由掌子面處，沿x 軸負方向逐漸向里移動。

圖3 不同深度水平面土體豎向位移等值線（單位：m）

圖4為隧道橫剖面土體凍脹位移等值線。由圖可見，在橫剖面上，土體凍脹位移分成上下兩個部分，上方為凍脹位移，下方為凍沉位移，凍脹位移

隨著土體深度減小，呈不規則的同心圓狀逐漸減小，凍沉位移隨土體深度增加，也呈不規則的同心圓狀逐漸減小，在與凍土帷幕相同距離情況下，凍脹位移的影響范圍大于凍沉位移。出洞口前方12m 內為凍土壁長度范圍，從圖4可以看出，此范圍內的橫剖面位移等值線基本相近。隨著與出洞口距離的增加，位移等值線圖域范圍擴大，表明離出洞口越遠，凍脹在橫剖面上的影響范圍越大。

對比圖4中圖可以看出，在凍土壁長度范圍內，最大凍脹位移均位于凍土壁的最上端，離開凍土壁后，最大位移所在的位置，隨與出洞口距離的增加，高度逐漸增大。

圖4 隧道橫剖面土體凍脹位移等值線（單位：m）

2.2 凍脹位移場發展規律

圖5為地表最大位移隨時間變化曲線。由圖可見，地表最大位移隨時間變化大體可分為四個階段：緩慢凍脹段、快速凍脹段、平穩凍脹段、水平段。凍結施工開始時，受凍結管內凍結冷量的影響，土體溫度迅速降低，部分土體開始凍結，但凍結初期處于相變階段的土體總量比較小，所以地表凍脹發展速度緩慢；隨著凍結的深入，越來越多的土體處于相變階段，土體凍脹速度加快，地表位移迅速增加；當凍結管附近土體完成凍結后，較遠處的土體開始凍結，此部分土體距離凍結管較遠，冷量需通過已凍結土體傳遞，故凍結速度減慢，引起凍脹速度減緩，凍脹表現為平穩凍脹段；凍結施工完成后，凍脹停止，曲線表現為水平段。

圖5 地表最大位移隨時間變化曲線

2.3 凍脹率變化對凍脹位移場的影響

圖6給出了凍脹率對地表位移的影響曲線。由圖6可以看出，凍脹率對地表最大沉降量的影響表現為線性關系，隨著凍脹率增加，地表最大沉降量呈線性增大，當凍脹率為1.5%時，地表最大凍脹量為3.9cm，當凍脹率為7.5%時，地表最大凍脹量增加到17.8cm。

凍脹產生的主要原因是凍結時水的體積膨脹9%，冷端溫度、含水率、水泥摻量、干密度等因素變化都會對水泥土凍脹率產生影響。在這些影響因素中，水的影響尤為突出，含水率增大時，凍結時膨脹的體積相應增大。因此，含水率是水泥土凍脹位移的重要影響因素，隨著含水率增大，凍脹速度減小，最終凍脹量加大。

圖6 凍脹率對地表位移的影響曲線

3 結論

（1）土體越深，凍脹位移越大，地表受凍脹影響的區域范圍越小，隨著與凍土帷幕距離的增加，豎向凍脹位移減小，凍土帷幕最頂端的凍脹位移最大。

（2）凍結施工時，凍結區左右兩側土體沿水平方向位移，離凍土帷幕越近，水平位移越大。

（3）在凍土壁長度范圍內，最大凍脹位移均位于凍土壁的最上端，離開凍土壁后，最大位移所在的位置，隨與出洞口距離的增加，高度逐漸增大。

（4）地表最大位移隨時間變化大體可分為四個階段：緩慢凍脹段、快速凍脹段、平穩凍脹段、水平段。

（5）地表最大沉降量與凍脹率之間為線性關系，隨著凍脹率增加，地表最大沉降量呈線性增大。

（6）隨含水率增加，地表凍脹速度減慢，最終凍脹位移增大。