杭州地鐵凍結(jié)工程凍土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

王星童，趙維剛

(中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇徐州 221008)

第大助

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，建設(shè)工程中人工凍結(jié)技術(shù)的應(yīng)用范圍正從礦山豎井建設(shè)工程擴(kuò)展到城市土木工程、地鐵、輸水管道、核廢料地下儲(chǔ)倉等工程建設(shè)中［1］。自1992年起，在上海、廣州等城市地下鐵道建設(shè)中，處理局部特殊地層、泵站與地鐵隧道的聯(lián)絡(luò)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(jié)法［2－3］。凍結(jié)工程中，凍土的力學(xué)特性是工程成敗的關(guān)鍵，其研究顯得格外重要。

對于凍土力學(xué)特性的研究，國內(nèi)外的學(xué)者做了很多工作。1930年俄羅斯凍土學(xué)的開創(chuàng)者崔托維奇在各種不同溫度下進(jìn)行了亞勃土和砂土凍結(jié)試驗(yàn)后，得出了隨著溫度的降低，凍結(jié)強(qiáng)度按照非線性規(guī)律增大，并逐漸衰減，而且在不同溫度下，砂質(zhì)土和黏性土的凍結(jié)強(qiáng)度具有不同比值的特性［4］，之后國外凍土學(xué)方面的許多著名學(xué)者也進(jìn)行了這方面的探討，如Vialov、Ladanyi等。國內(nèi)學(xué)者鄭波等［5］曾對廣州地鐵凍土力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，在相同的土質(zhì)條件下，溫度越低，凍土的單軸抗壓強(qiáng)度越高。朱元林［6］對凍結(jié)砂土及粉土的無側(cè)限瞬時(shí)強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)的研究，認(rèn)為抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變率(或破壞時(shí)間)及溫度等因素關(guān)系密切，并給出了其之間的定量關(guān)系。樊良本等［7］對人工凍結(jié)的杭州典型的飽和軟土進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了強(qiáng)度曲線的特征，得到凍結(jié)的杭州飽和軟土強(qiáng)度隨凍結(jié)溫度、應(yīng)變速率、土樣干密度的變化規(guī)律。王春雷等［8］對含鹽凍土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，得出含鹽凍土的強(qiáng)度與含水量、凍結(jié)溫度的關(guān)系，初步討論了鹽溶液濃度對凍土強(qiáng)度的影響。林斌等［9］對淮南礦區(qū)典型凍土進(jìn)行了力學(xué)特性試驗(yàn)研究，研究表明鈣質(zhì)黏土力學(xué)性能最差，凍結(jié)黏土的單軸強(qiáng)度、變形模量和蠕變強(qiáng)度均隨溫度降低而增加，特別是當(dāng)凍土溫度低于－10℃時(shí)，凍結(jié)黏土強(qiáng)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(xué)者做了很多研究，但由于地域土性的差異性，必須通過試驗(yàn)室的精確試驗(yàn)，才能確定描述特定地區(qū)凍土強(qiáng)度和變形性質(zhì)的參數(shù)，試驗(yàn)室試驗(yàn)應(yīng)盡可能模擬在實(shí)際凍結(jié)工程中起決定作用的荷載、溫度和邊界條件。本文結(jié)合位于杭州地鐵1號線濱江站至富春路站區(qū)間盾構(gòu)過江隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程，對其凍結(jié)壁設(shè)計(jì)范圍內(nèi)具有代表性的土質(zhì)進(jìn)行了室內(nèi)凍土試驗(yàn)研究，得到凍土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度特性，為凍結(jié)工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考依據(jù)。

1 原位土體的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)共取4種位于凍結(jié)工程設(shè)計(jì)范圍內(nèi)具有代表性的土質(zhì)，從上至下依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、圓礫。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)土體基本物理性質(zhì)見表1。抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)土體基本物理性質(zhì)見表2。

表1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)土體基本物理性質(zhì)Table 1 Physical parameters of soil for unconfined compressive strength test

表2 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)土體基本物理性質(zhì)Table 2 Physical parameters of soil for bending strength test

2 試樣制備及試驗(yàn)設(shè)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(qū)間盾構(gòu)過江隧道聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域。所有試驗(yàn)根據(jù)煤炭部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T 593.4—1996《人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

2.1.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度凍土體

首先，對擬進(jìn)行分析測試的土質(zhì)，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(bào)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(bào)紙包裹(防止土樣運(yùn)輸過程中顛簸損壞)，裝入土樣筒內(nèi);最后，將土樣筒用膠帶密封填寫土樣標(biāo)簽并貼于土樣筒上，運(yùn)回凍土實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)試驗(yàn)要求，對土樣進(jìn)行修整，并以－10℃恒溫保存，制成試驗(yàn)所需的凍土樣。

2.1.3 抗彎強(qiáng)度土體

抗彎試驗(yàn)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(jī)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(zhì)量的前提下，用雙層塑料薄膜將其包裝密封并填寫土樣標(biāo)簽，并以－10℃恒溫保存。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用應(yīng)變速率控制加載方式，應(yīng)變速率設(shè)定為0.1%/min。試驗(yàn)是在美國制造的MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，為保證試驗(yàn)過程中凍土體的－10℃恒溫狀態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中采用液氮對試驗(yàn)加載箱進(jìn)行降溫。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Test apparatus

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中每層土制備3個(gè)試樣，依次編號，并對每層土的3個(gè)試樣分別進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，將得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，并繪制相應(yīng)的曲線圖。

3.1 凍土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在保證試樣破壞的前提下，單個(gè)試樣的試驗(yàn)時(shí)間初定為4 h。試驗(yàn)完畢后，計(jì)算出各土層凍土的平均抗壓強(qiáng)度和平均破壞應(yīng)變(見表3)，將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成－10℃條件下凍土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(見圖2)。

表3 凍土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果Table 3 Results of unconfined compressive strength test on frozen soil

圖2 －10℃條件下凍土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)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(jié)果可以明顯地看出粉砂的抗壓強(qiáng)度最大，粉質(zhì)黏土次之，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土最小。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因?yàn)?

1)根據(jù)土力學(xué)的知識，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中的水分主要以結(jié)合水的形式存在，加之結(jié)合水的冰點(diǎn)較自由水低很多，在－10℃條件下土體中的結(jié)合水未凍結(jié)，只有自由水達(dá)到冰點(diǎn)凍結(jié)，土顆粒間的膠結(jié)力不強(qiáng)。

2)與淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(jié)，使土體顆粒間的膠結(jié)能力增強(qiáng)，能提高凍土體的抗壓能力。

3)對于粉質(zhì)黏土，其土體顆粒粒徑在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉砂之間，土中結(jié)合水與自由水的比例相對適中，因而凍土的抗壓強(qiáng)度位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(jìn)而導(dǎo)致孔隙率較高，凍結(jié)后，土顆粒間的冰對顆粒間的黏結(jié)作用影響不大，難以抵抗大的豎向壓力，因而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小。

3.1.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

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

1)淤泥粉質(zhì)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(xiàn)出一定的彈性變形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到2.5 MPa時(shí)曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)變速率急劇增大，試樣變形明顯，達(dá)到峰值后仍保持較大的殘余強(qiáng)度，試樣表現(xiàn)出塑性破壞或接近塑性破壞的性狀，而后有一個(gè)微小的應(yīng)力峰值，隨后應(yīng)力值幾乎保持不變。相應(yīng)條件下杭州淤泥質(zhì)黏土凍土具有較大的流變性［9］，峰值以后隨著應(yīng)變的增加應(yīng)力增加和松弛同時(shí)發(fā)生，且后者占主導(dǎo)地位。當(dāng)強(qiáng)烈松弛階段過去以后，隨著應(yīng)變增大，應(yīng)變硬化又起支配作用，曲線又有一個(gè)上翹段。

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

3)粉砂的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為線性變化，在達(dá)到破壞應(yīng)變之前應(yīng)力應(yīng)變曲線接近于直線，表現(xiàn)出很好的彈性變形，當(dāng)達(dá)到破壞應(yīng)變時(shí)發(fā)生脆性破壞，之后應(yīng)力值急劇減小，無明顯的殘余強(qiáng)度。

4)對于圓礫，其平均破壞應(yīng)變是最小的，3個(gè)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化大，可能是受實(shí)驗(yàn)條件和試樣的制作質(zhì)量等因素的影響。

3.1.3 實(shí)際工程條件下凍土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度驗(yàn)證

根據(jù)試驗(yàn)土體基本物理參數(shù)，利用淺埋洞室的土柱理論進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算點(diǎn)土層壓力

式中:q為驗(yàn)算點(diǎn)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(guān)參數(shù)代入式(1)得到各土層壓力值(見表4)。

表4 驗(yàn)算點(diǎn)各土層壓力值計(jì)算表Table 4 Pressure value of each soil layer at checking points

通過計(jì)算所取土樣上部土體的水土壓力，并與試驗(yàn)得到的各土層－10℃條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比較，各層土體的凍土強(qiáng)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(lián)絡(luò)通道的順利施工提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 凍土體抗彎強(qiáng)度

3.2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相類似，單個(gè)試樣的試驗(yàn)時(shí)間初定為0.5 h，加載方式為3點(diǎn)式，試驗(yàn)機(jī)置于－10℃低溫環(huán)境中。荷載與變形關(guān)系曲線的最大截面應(yīng)力即為抗彎強(qiáng)度，相應(yīng)的撓度即為破壞撓度。試驗(yàn)結(jié)果見表5，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成－10℃條件下凍土抗彎強(qiáng)度荷載與變形關(guān)系圖(見圖3)。

表5 凍土抗彎強(qiáng)度測試結(jié)果Table 5 Results of bending strength test on frozen soil

圖3 －10℃條件下凍土抗彎強(qiáng)度荷載與變形關(guān)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(yàn)結(jié)果可知:1)凍土的抗彎強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所不同，在4種土樣中凍結(jié)圓礫土樣的抗彎強(qiáng)度是最大的，可以達(dá)到8.99 MPa，而其破壞撓度卻是最小的;2)凍結(jié)圓礫土在加載過程中截面應(yīng)力的增加速度較其他3種土體快，當(dāng)達(dá)到峰值后應(yīng)力值急劇下降，這說明其截面在受到較大彎矩作用力時(shí)，在沒有明顯變形的情況下發(fā)生脆性破壞; 3)當(dāng)實(shí)際工程需穿越圓礫層時(shí)，開挖施工過程中需時(shí)刻檢測凍結(jié)圓礫土體的變形和應(yīng)力分布情況的變化，如出現(xiàn)問題及時(shí)采取補(bǔ)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(dāng)，都有較大的破壞撓度。

3.2.2 荷載與變形關(guān)系分析

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

3.2.3 實(shí)際工程條件下對凍土體抗彎強(qiáng)度驗(yàn)證

與凍土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的驗(yàn)證計(jì)算相似，根據(jù)試驗(yàn)土體基本物理參數(shù)，利用簡支梁受均布荷載作用進(jìn)行，取聯(lián)絡(luò)通道寬度為2 m進(jìn)行驗(yàn)算。最大應(yīng)力計(jì)算式為:

式中:Mmax為最大彎矩;L為聯(lián)絡(luò)通道寬度，取2 m; σmax為最大彎曲應(yīng)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(jié)壁平均厚度(沿聯(lián)絡(luò)通道縱向取b為1 m，h為2 m)。

表6 驗(yàn)算點(diǎn)各土層最大彎曲應(yīng)力值計(jì)算表Table 6 Maximum bending stress value of each soil layer at checking points

通過驗(yàn)算得知由上覆土層作用產(chǎn)生的最大彎矩應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于凍結(jié)土體的抗彎強(qiáng)度荷載，凍結(jié)土體的強(qiáng)度得到很大的提高，足以抵抗上覆土體的荷載作用，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明凍結(jié)法的運(yùn)用對土體強(qiáng)度的改善效果十分明顯。

4 結(jié)論與建議

1)在－10℃，當(dāng)土的含水量為20%～40%時(shí)，各土層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.9～5.9 MPa，抗壓強(qiáng)度得到大幅度提高，其中凍結(jié)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的抗壓強(qiáng)度是天然軟土的近百倍。各土層相比，凍結(jié)粉砂的抗壓強(qiáng)度最大。在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中使用凍結(jié)法時(shí)，根據(jù)工程的實(shí)際情況，在保證凍土壁強(qiáng)度的前提下可以適當(dāng)升高凍結(jié)壁溫度，以滿足經(jīng)濟(jì)和工期要求。

2)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層凍土呈塑性破壞，破壞應(yīng)變較其他層土大，在實(shí)際凍結(jié)工程設(shè)計(jì)與施工中要重視，對淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土凍土層進(jìn)行開挖時(shí)要時(shí)刻監(jiān)測凍結(jié)壁的位移，做好充分的應(yīng)急措施，以防凍土壁發(fā)生過大變形引發(fā)工程事故。

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

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