凍結法施工中的凍土特性試驗研究

朱現磊　 吳云龍　 郝振群

摘要：

為獲得凍結法施工中土體凍脹融沉特性規律，以某地下聯絡通道工程為原型，根據相似理論，進行了水平凍結模型試驗。結果表明，凍脹融沉過程中，土體溫度先迅速降低后升高，維持在0 ℃一段時間后，繼續緩慢升高至室溫；土壓力值先增加后減小，其中，豎向土壓力值隨深度的增加而增大，相同埋深下，距凍結管越近，水平土壓力值越大；土體融化固結沉降值明顯大于凍脹位移值，土體豎向位移較水平位移變化顯著。積極凍結期內土體溫度降低速率變慢，且埋深越大、距凍結孔越近，土體溫度降低越快、降幅越大；無側限土體壓力值先增加后減小，側限土體壓力值則逐漸增大，全封閉土壓力值變化率更顯著。

關鍵詞：人工凍結；凍脹；融沉；模型試驗

中圖分類號：TU443

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2018）03003806

Abstract：

In order to obtain frost heave and thawing settlement of frozen soils behavior， an underground connected aisle was studied through the model test based on similarity theory. The results indicate that， the soil temperature firstly decreases rapidly， then increases and maintains 0 ℃ for a while， at last continues to slowly rise to room temperature in the whole process. The soil pressure value goes up firstly and then goes down， and that of vertical pressure increases exponentially with the increasing of depth， meanwhile the distance from the freezing tube is more closer， the horizontal pressure is more bigger. Contrast with frost heave displacement， the thawing settlement value is greater， and the vertical displacement is more significant than the horizontal as well. In positive frozen period， the temperature reducing rate becomes slower， the greater depth and closer distance from the freezing hole， the greater decline speed and amplitude come up. Unlike vertical restriction soil always increases， the soil pressure value of unlimited presents a first increasing and then decreasing trend， while the variable rate is bigger with complete restriction situation.

Keywords：

artificial frozen； frost heave； thawing settlement； model experiment

在市政巖土工程及地下空間開發中，往往會遇到地層含水、軟弱破碎、穩定性差等復雜地質條件，一般工法施工難度較大，工程事故時有發生[1]。人工凍結法具有技術可靠、工藝成熟和施工可控的特點，不受支護范圍和支護深度的限制，能在極其復雜的地質條件下形成凍土墻，因此，成為該地質特征下工程施工的主要技術手段之一[2]。然而，該工法施工后會引起地層溫度場的變化，使周圍地層產生凍脹融沉，可能造成地基失穩、鄰近建筑物傾斜和產生裂縫、地下管線破壞等不良后果，甚至關系到工程成敗[3]。

學者們對凍土凍脹理論和土體凍脹預測模型進行了大量研究，取得了諸多成果。楊維好等[4]、馬巍等[5]通過室內模型試驗，揭示了人工凍結壁解凍過程中凍土物理力學特性及正融土機制過程；Hansson等[6]通過高含冰凍土路基解凍實驗室與現場研究，得出了適用的計算模型；姚曉亮等[7]基于 R.E.Gibson飽和黏土一維固結理論，對凍土解凍的三維固結大變形計算方法進行研究；Zhou等[8]通過研究環境對凍脹性的影響，得出了當溫度穩定時凍脹速率與溫度梯度有著近似線性關系的結論；胡向東等[911]對單排管凍結溫度場公式以及雙排管凍結溫度場公式進行了完善與應用性研究，并獲得了環形凍結管中的單圈管凍結溫度場解析解；Klinova等[12]研究了含水率、孔隙率等對土體融沉特性的影響；王效賓等[13]利用自制的凍脹融沉試驗裝置，對南京地區典型土質進行了融沉特性室內試驗；陶祥令等[14]研究人工鑿井凍結法施工中凍結壁解凍融沉效應的產生而導致井筒壁后的變化。

目前，已開展的凍土特性研究多偏于理論計算或有限尺寸的凍結模型試驗，對于水平凍結溫度場的耦合作用、不同深度土體位移及側限影響下的凍土特性研究相對較少。本文運用大尺度真三維人工凍結試驗系統，在考慮水平凍結溫度場和側限影響工況下，進行了人工凍土凍脹融沉試驗研究。

1試驗系統簡介

1.1主試驗臺

主試驗臺采用中國礦業大學（北京）完全真三維城市地下工程模型試驗系統，包括模擬箱、加載裝置、地下水模擬系統和數據采集系統。試驗系統主體為2 030 mm×2 030 mm ×2 000 mm的密閉箱體，可容土砂相似材料20 t。模擬箱內設有水平和垂直加載板，可實現模型體的三維加載。若干層水平進水管能根據地下水的實際情況分別模擬不同含水層地下水位與水壓，進行地下水影響試驗。

1.2凍結系統

凍結系統由制冷壓縮系統、制冷劑循環系統、冷媒循環系統和溫度監測系統組成。制冷系統最大制冷量>8.5 HP，可實現模型箱體全部或部分體積土樣的凍結，最低溫度-35 ℃。冷媒（CaCl2溶液）循環系統選用進口防腐耐低溫水泵一臺，通過去回路主管道與分水器連接，接高壓橡膠管，再接凍結管，形成循環回路。制冷劑循環系統使用鈦金屬管材，凍結管采用紫銅管。通過主控制面板對整個系統進行控制，并顯示主要溫度值。

1.3數據采集系統

進行數據采集的敏感元件有微型土壓力盒、溫度傳感器、位移計。土壓力盒和位移計測得的數據由便攜式數據采集儀TDS303采集，溫度傳感器的數據由萬用表測量。

2試驗方案設計

2.1工程背景

某城市地鐵聯絡通道主要穿過第四系全新統下組河床～河漫灘相沉積層，所處土層為粉質粘土、粉土，土層含水量大，強度低，且地面為交通繁忙的道路，無地面施工條件，設計采用隧道內水平凍結加固土體、暗挖法施工。聯絡通道處左線、右線盾構隧道中心距19.12 m，左線隧道中心標高為-14.63 m，右線隧道中心標高為-14.63 m，地面標高約+3.236 m。

2.2相似準則

1）凍結溫度場相似準則

φ（K0， F0， θ， R）=0（1）

式中：K0= Q/（cτ）為柯索維奇準則，Q為單位土體凍結放熱，c為巖土比熱容，τ為溫度；F0= at/r2為溫度場傅里葉準則，a為導熱系數，r為凍結壁位置，t為時間；R為幾何準則；θ=t0/ty=tD/ty為溫度參數，t0為巖土初始溫度，ty為鹽水溫度，tD為凍結溫度。

2）應力場相似準則

P=ρ·h·k（2）

式中：ρ為巖土的密度；h為深度；k為側推力系數。

3）位移場相似準則

F（σ， E， ε， u， μ， γ， H， SD，P）=0（3）

式中：σ為應力；E為彈性模量；ε為應變；u為位移；μ為泊松比；γ為土的重度；H為隧道埋深；SD為凍結壁厚；P為土壓力。

2.3模型相似比及參數確定

1）模型幾何相似比根據聯絡通道現場尺寸和試驗臺尺寸，經多次試驗研究得到幾何相似比CI=1∶10，即聯絡通道模型高400 mm、寬350 mm、弧頂半徑220 mm、厚度15 mm。根據位移相似準則，位移相似比Cu=CI。

2）時間比試驗選取與現場巖土材料近似的粉質粘土，根據傅里葉準則可知，時間相似比為Ct=C2I=1∶100。本工程的積極凍結時間為50 d，故試驗的積極凍結時間為12 h。

3）溫度比模型試驗所用巖土材料、含水量與現場近似，土體凍結放出的熱量相等，因此，模型溫度不需縮比，只要將溫度改為無因次量。

4）應力模擬根據應力場相似準則，應力相似比、荷載相似比和彈性模量相似比Cσ=CP=CE=1。原型上覆土厚度為15.74 m、重度18 kN/m3，上覆土自重應力為285 kPa。模型選取與現場接近的粉質粘土，將粉質粘土制作成直徑61.8 mm、高100 mm的土樣進行試驗，得到模型土重度為20 kN/m3。凍結試驗聯絡巷上覆土層厚0.6 m，故模型上覆土自重力為12 kPa，因此，加載系統需提供273 kPa垂直壓力。

2.4凍結管布置

原型中聯絡通道凍結孔數為70個，模型試驗在滿足溫度要求和凍結帷幕厚度要求的同時，借鑒王運剛凍結壁內外壁的厚度基本相同的試驗結論 [15]，將凍結管布設在距聯絡通道模型100 mm位置。使單管凍結壁外緣與相鄰凍結管中心相交，模型凍結管與聯絡通道近似平行布置，如圖1所示，凍結管D1、D1、…、D20共布置20個，間距100 mm。

2.5測點布置

如圖1所示，在聯絡通道模型周邊布置C1、C2、…、C8共8個測點，并在豎向受側限雙管凍結耦合裝置中布設C9、C10、C113個測點，在封閉式雙管凍結耦合裝置中布設C12、C13、C143個測點，各測點分別埋裝溫度傳感器和土壓力盒，測量不同深度和位置處的溫度、土壓力值及變化規律。同時，在C1～C33個測點及土體表面布置豎向位移測點，在C7、C8、C113個測點布置水平位移測點。為便于對比說明，將各測點歸為4個測區，其中，C1～C4為第1測區；C5～C8測點為第2測區；C10～C11測點為第3測區；C12～C14測點是第4測區。

2.6溫度控制方案

傳感器及模型埋設完成后，放置7 d進行固結，自然室溫（約10 ℃）條件下開始試驗。壓縮機工作，冷媒（CaCl2溶液）溫度逐漸降低，當其溫度達-25 ℃時關閉壓縮機，進入凍結維護期，凍結維護期冷媒溫度控制在-25～-23 ℃，凍土最低溫度達-15 ℃。凍結帷幕形成后，即可進行聯絡通道開挖，開挖完畢即停機進行自然解凍。隨解凍時間的增加，土體溫度最終升高至室溫。

3試驗結果分析

3.1土體溫度變化規律

圖2為不同測區、測點溫度隨土體凍融相變的變化情況，其中，Tn為測點Cn處的溫度。從圖2（a）、（b）可知，凍融過程中，土體溫度先迅速降低后升高，并維持在0 ℃上下一段時間后，緩慢升高至室溫。這是因為：凍結階段，當土體溫度達到起始凍脹溫度時，土體中水迅速相變結晶，土體溫度迅速下降；融沉階段，凍土先達到0 ℃，部分開始融化，此時，冰、水共存的狀態需維持較長一段時間，待冰完全融化時，土體溫度繼續上升。

有效凍結時間內，土體降溫速度先快后緩，并在較短時間內降至最低溫度。這是因為，隨凍結的不斷發展，土中凍結鋒面的發展速度趨于平緩。第1測區C3處土體溫度降低快、降幅大（約15 ℃），C4處次之，C1處土體溫度降低慢、降幅小。表明距地表越近、距凍結孔越遠土體溫度降越慢、降幅越小，這是因為凍結鋒面到達該處時間遲、發展慢，且土體受地表溫度影響顯著。第2測區C5處土體溫度降低速度和幅度較C7處土體大，這是因為，C5處土體在凍結壁交圈內，C7處土體不僅受凍結管影響，還受到外部土體的熱源補給。

由圖2（c）、（d）可知，位置較淺土體與外界熱交換更多，土體溫度降幅較小（最大不超過5 ℃）。全封閉測區中心C13處土體較豎向受限測區C10處溫度降低值大，是因為全封閉模具起到一定的保溫作用。

3.2土壓力變化分析

圖3為不同測區、測點土壓力值隨土體凍脹融沉相變的變化情況。其中，Pnb代表測點Cn處的豎向土壓力值；Pna代表測點Cn處的水平土壓力值。

由圖3（a）、（b）可知，土體凍融過程中，土壓力值呈現先增大后減小的趨勢。這是因為，土凍結時水結晶成冰，體積增大，推動土顆粒移動，產生凍脹變形，當凍脹變形受到邊界及上覆荷載約束時，凍土就產生了凍脹力，融沉階段，結晶冰融化，土壓力回復至初始值。第1測區距離凍結管較近的C4測點土壓力變化值12 kPa，大于C1測點的6 Pa，第2測區埋深較大，土壓力變化值最小的C5測點近20 kPa，表明距凍結管越近、埋深越深，土壓力值變化越大。凍結管路附近位置水體首先相變結晶產生凍脹力，若該處深度較大，則上覆土體的壓力較大，導致土壓力值迅速增大到較大值，整個凍融過程體現的土壓力變化值也就更顯著。

如圖3（c）所示，第3測區位于豎向受側限的模具中，在積極凍結期，測點土壓力不斷增大。但是，在融解階段的土壓力比初始的土壓力要小，這是由于受豎向側限影響，測點正上方土體僅受模具內土體的影響，而水平向是開放的，側向土體會給測點處土體一個相反作用力，使土壓力盒所測得的值偏小。待凍土融解至一定階段，水平土壓力值趨于初始土壓力值，該區C10測點位于豎向側限中間位置，現象更為顯著。

第4測區的土體在水平向、豎向均有側限，可以看出，其土壓力變化與其他測區明顯不同。雖土壓力變化值最大僅為17 kPa，但其變化率較大，C13測點的土壓力變化量比初始土壓力還要大。這是由于側限的影響使土體的凍脹壓力無法更好地擴散，使測點處土壓力值增加比例較大。

3.3位移變化分析

圖4為不同測區、測點位移隨土體凍脹融沉相變的變化情況。其中，Dn代表測點Cn處的位移；D0表示土體表面位移。如圖4（a）所示，凍融過程中，土體先凍脹隆起后融化固結沉降。土體凍結過程是土體中水的相變過程，當土體溫度達到起始凍脹溫度時，液態水相變結晶，土體體積增大，同時，周圍未凍結水分不斷向凍結峰面遷移、聚集，土體凍脹位移持續增加。聯絡通道開挖完成后，進入土體融化固結沉降階段。此階段冰逐漸融化成水，土體壓實沉降，沉降位移逐漸增大。

由圖4（a）中可知，試驗階段地表沉降值約10 mm（相當于現場0.1 m），凍脹位移量約6 mm（相當于現場0.06 m），融化固結沉降值明顯大于凍脹位移值。這是因為凍土融沉階段的位移除來自凍土中冰水相變及自由消散帶來的沉降變形外，凍脹還破壞了土體原有的結構，使其摩擦力和粘聚力減弱，在自重和外荷載的作用下產生進一步壓縮沉降，導致融化固結沉降值更大。

由圖4（b）可以看到，在積極凍結階段土體水平位移不斷增大，在凍結維持及解凍階段，土體水平位移緩慢減小并總體處于平穩。這是由于凍土豎向融化固結沉降量較大，側向擠壓使之水平位移變化較小。受豎向側限影響，C11測點處土體的水平位移（圖4（c））略增大，總體變化趨勢與無側限狀態下基本相同。總體來說，凍土在凍脹融沉過程中，豎向位移變化較大，水平方向位移變化較小。

4結論

以某地下聯絡通道的凍結施工為工程背景，運用物理相似模擬方法，研究了人工水平凍結工法凍結、融解過程中土體溫度、應力和位移的變化規律，得到主要結論如下：

1）凍脹融沉過程中，土體溫度先迅速降低后升高，并維持在0 ℃上下一段時間后，繼續緩慢升高至室溫。積極凍結期內土體溫度降低速度先快后慢，且埋深越大、距凍結孔越近，土體溫度降低越快、降幅越大；凍結壁內側土體較同位置外側土體溫度降低快、降幅大。

2）土體凍脹融沉過程中，土壓力值先增加后減小，最終趨于初始壓力值。其中，豎向土壓力值隨埋深的增加而增大；相同埋深下，距凍結管越近水平土壓力值越大。

3）積極凍結期內，無側限土體壓力值先增加后減小，豎向側限與全封閉土體壓力值則逐漸增大，且豎向側限內凍土融解階段的最小土壓力值較初始值要小，全封閉測區內土體壓力值變化率更大。

4）土體凍脹融沉過程中，土體先凍脹隆起后融化固結沉降，且融化固結沉降值明顯大于凍脹位移值；土體豎向位移變化顯著，水平位移在積極凍結階段不斷增大，在凍結維持及融解階段變化不大。

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（編輯王秀玲）