基于人工凍土力學試驗的聯絡通道凍結法設計

曹 廣 勤

(北京城建中南土木工程集團有限公司，北京 102200)

0 引言

隨著軌道交通行業迅猛發展，凍結法加固土體因其強度大、止水好、安全性高等特點在復雜地層聯絡通道及端頭井設計與施工中逐漸被采用，尤其是富水砂層凍結加固效果更好。一般聯絡通道凍結法設計屬于專項設計，聯絡通道結構設計比較固定，凍結法加固設計也相對穩定，沒有較大的突破。現在凍結設計時普遍參照該地區以往工程實踐及成果，當該地區沒有類似可參考的設計案例時往往也是借鑒其他地區相似地層的設計。這樣做雖然能夠滿足施工要求，可是往往需要優化凍結參數、調整凍結時間來實現。

人工凍土物理力學性能指標是凍結法設計和施工的基本參數。能夠比較科學的指導設計，優化方案。

1 試樣的基本情況

哈爾濱軌道交通2號線土建02標哈爾濱北站—大耿家站區間設3個聯絡通道，其中1號通道兼泵站，通道所處地層為粉砂層。根據GB/T 50123—1999土工試驗方法標準中的規定，并參照中華人民共和國煤炭行業標準MT/T 593.1—2011人工凍土試驗取樣及試樣制備方法，按天然含水率和天然密度加工制成試驗所需的重塑土試樣，并測定試樣的實際含水率和密度，要求其誤差分別不超過±1.0%和0.3 g/cm3。

試驗所需試樣規格與數量見表1。

表1 凍土試驗試樣規格

2 凍土物理力學性質

根據試驗方案要求，本次凍土試驗要求一個負溫等級：-10 ℃。在試樣養護及試驗過程中通過制冷壓縮機組向恒溫試驗箱有規律供冷，保證恒溫養護箱及試驗箱內的環境溫度維持在凍土試驗所要求的設計恒溫等級。養護及試驗過程中，采用溫度傳感器及自動記錄儀進行溫度監測和溫度記錄。為確保試驗結果的準確性，試驗溫度波動范圍嚴格控制在±0.2 ℃以內。

2.1 凍土單軸試驗

按照中華人民共和國煤炭行業標準MT/T 593.4—2011人工凍土單軸抗壓強度試驗方法，采用恒應變速率控制加載方式，在WDT-100凍土試驗機對凍土進行無圍壓單軸抗壓強度試驗，采用恒應變速率控制方式加載，應變速率為1%/min。試驗要求取得凍土單軸抗壓強度結果、凍土彈性模量、凍土泊松比。

本次凍土單軸試驗共三組，在一個溫度等級(-10 ℃)條件下進行凍土單軸抗壓強度試驗。凍土的強度與溫度的關系密切相關，隨著溫度的降低，強度增大。

在試驗數據處理過程中，凍土彈性模量的確定是依據凍土單軸瞬時抗壓強度試驗數據，取瞬時抗壓強度(σs)的1/2與其所對應的應變值(ε/2)的比值，即E=(σs/2)/(ε/2)，也可以根據應力—應變關系曲線獲得。

凍土的泊松比為凍土在彈性范圍內橫向應變與縱向應變的比值，即μ=ε2/ε1。通過對試驗數據的分析與整理,凍土單軸抗壓強度值、凍土彈性模量、凍土泊松比試驗結果見表2。

表2 凍土單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比試驗結果

單軸試驗曲線：各層位-10 ℃單軸試驗曲線見圖1。

2.2 凍土抗折強度試驗

根據MT/T 593.8—2011人工凍土抗折強度試驗方法，采用試驗力控制加載方式，在WDT-100凍土試驗機上進行凍土抗折強度試驗，加載速率60 N/s。

試驗結果見表3。

表3 凍土三軸剪切試驗結果

3 凍結法專項設計

3.1 凍結壁設計要求

1)凍土強度的設計指標為：單軸抗壓強度不小于4 MPa，抗折不小于1.8 MPa，抗剪不小于1.5 MPa(-10 ℃)。

2)設計凍結壁的有效厚度為：1號聯絡通道兼泵站凍結壁2 000 mm，2號、3號聯絡通道凍結壁1 800 mm。

3.2 凍結孔布置原則

1)根據凍結帷幕設計及聯絡通道的結構，凍結孔按上仰、水平、下俯三種角度布置在聯絡通道和泵房的四周。

2)凍結孔開孔位置誤差不宜大于100 mm，應避開管片接縫、螺栓、主筋和鋼管片肋板。

3)聯絡通道兼泵房底部用“V”字形布孔方式，開挖時泵房外圍凍結管不割除。

4)施工凍結孔時土體流失量不得大于凍結孔體積，否則應及時進行注漿控制地層沉降。

3.3 主要凍結施工參數

主要凍結參數見表4。

哈爾濱軌道交通2號線土建03標大耿家—龍川路區間設置兩座聯絡通道其中一座兼泵站，一號聯絡通道兼泵站已經施工結束，凍結法設計采用經驗值及相似地層施工成果，表5為2.3標大—龍區間聯絡通道凍結法設計主要施工參數一覽表。

表4 主要凍結施工參數一覽表

表5 2.3標大—龍區間聯絡通道凍結法設計主要施工參數一覽表

從表4，表5的主要凍結參數可以看出，2.2標以凍土試驗結果為基礎進行優化設計，比2.3標積極凍結時間均減少3 d，單個聯絡通道成本節約約6萬元。在滿足凍結強度的條件下，凍結帷幕厚度也相應減小了，這樣對凍脹控制有利，同時也有效減少了后期融沉注漿的工作量。

4 結論與建議

1)溫度等級(-10 ℃)條件下的凍土單軸抗壓強度試驗均值達到4.16 MPa。滿足結構設計中要求的不低于4 MPa。

2)根據凍結試驗結果，經計算2號、3號聯絡通道凍土帷幕厚度為1 800 mm。減小了凍結加固體量，從而減小了凍脹量及后期融沉注漿的工作量。

3)哈爾濱軌道交通2.2標聯絡通道積極凍結期設計比相鄰標段2.3標設計積極期減少3 d。

4)單個聯絡通道造價降低成本約8萬元。節約水電費及融沉注漿。

5)建議新開工城市軌道交通線路聯絡通道凍結設計前要做人工凍土力學試驗。相鄰標段相似地層可借鑒該試驗成果。