地鐵施工土層凍結溫度試驗研究

南通職業大學建筑工程學院，江蘇 南通 226001

凍結法施工是通過對底層進行人工制冷技術，來加強底層的牢固性以及穩定性。當前，地鐵建設當中大量使用了凍結法，以應對軟土地鐵施工當中可能存在的問題［1］。我們進行地區土層人工凍結黏土凍脹力試驗，來發現凍脹力隨時間變化的規律；對不同土層的進行凍結溫度試驗，尋找這些土層的凍結溫度隨時間變換的規律。這些規律成果可為地鐵建設中提供可靠的依據，施工得到了便利，為安全提供了保障的同時也減少了經濟方面的損失。

1 土樣采集

工作人員在國家相關標準和規范的要求之下，在確定取樣層取得土型樣品，除去其中的泥漿皮，做好標高，層位，數量以及土性的相關記錄，然后將土樣品用雙層塑料保鮮袋和線繩進行密封，并且用膠帶進行密封，將這些樣品裝箱后運送到實驗室當中，運送過程中取樣箱的放置位置，應該保持在較低水平面上防止取樣箱滑落損傷其中的樣品，在取樣筒下放稻草和碎紙等具有一定緩沖功能的物品，防止樣品在運輸過程中被損壞［2］。

2 試驗內容和方法

2.1 凍土試驗內容

2.1.1 凍土的凍脹試驗

首先需要進行試樣的采集工作，當冷板溫度達到試驗溫度之后，將樣品放入凍脹以當中將其高度的變化值設置為小于等于0.02 的規定位置之上，并且安置好位移傳感器和量表等設備。如果樣品在某一個確定的荷載之下，間隔2h，凍脹依舊不發生變化，則認為該樣品在該幾何載之下達到相對穩定，允許凍脹量應該小于等于0.01mm，記錄此時施加的平衡荷載，或者通過數據采集系統記錄此時凍土的凍脹力。

2.1.2 凍土的凍結溫度試驗

用熱電偶插入試瓶的中心，然后再背蓋周邊用硝基漆進行密封處理［3］。低溫瓶當中放入每升兩摩爾的氯化鈉溶液所制成的鹽冰塊，再倒入相同濃度的鹽水，使水面與冰塊面相互齊平。將封好底并且已經裝入5cm 高干砂的塑料瓶插入低溫瓶之內，然后將塑料瓶頭和低溫瓶口，用橡皮塞和瓶蓋進行密封處理，將熱電偶測溫端與數字電壓表相連接，每分鐘記錄一次熱電勢。

2.2 試驗方法

試驗的溫度分別是-5℃、-10℃和-15℃，熱端的溫度則是20±2℃，實驗在開放系統之下進行單向凍結。試件規格為Φ50×25mm。在實驗過程中測量規定時間范圍之內樣品軸向的位移長度與時間之間的聯系，并且得到試件的最大凍脹量［4］。

凍脹力試驗方法：使樣品在零位移約束之下進行膨脹試驗，在樣品上下兩端施加縱向的約束力，并且用荷重傳感器測量凍土的凍脹約束力，從實驗結果研究凍脹約束力和時間之間的關系，并且得到凍土最大凍脹約束力［5］。

3 凍脹試驗結果及分析

各個土層試件的最大凍脹力的試驗結果如表1。

表1 各個土層的最大凍脹力

根據試驗結果，以第二組數據為例畫出土層凍脹力與時間關系曲線見圖1。

圖1 凍土凍脹力與時間關系曲線

從上表的數據可以得知，試驗土層的凍脹力在0.35～0.65 之間，并且大部分實驗凍土的凍脹力和凍脹率都保持在較低水平。

4 凍結溫度試驗

4.1 凍結溫度試驗方法及標準

試驗嚴格按照國國家標準執行。試驗在低溫瓶與零溫瓶間進行，低溫瓶溫度為-7.6℃，零溫瓶溫度為0±0.1℃，試驗杯用黃銅制成，其直徑3.5cm、高5cm，帶有杯蓋［6］。

4.2 凍結溫度的計算

式中：

T－凍結溫度；

V－熱電勢跳躍后的穩定值，μv；

K－熱電偶的標定系數，℃／μv。

4.3 凍結溫度試驗結果

土壤中水結冰的過程主要是過冷，跳躍，恒定和遞降這4個階段所構成。當出現跳躍時，電勢會突然減小，然后在某一數值穩定，這也是開始凍結的溫度。根據這一原理，各土層凍結溫度試驗結果如表2。

表2 凍結溫度試驗結果表

4.4 凍結溫度與時間關系曲線

同樣，以第二層為例，凍結溫度時間曲線見圖2。

圖2 凍結溫度與時間關系曲線

5 結語

（1）有凍脹力與時間關系曲線可以看出溫度越低凍土的凍脹力數值越大，在一段時間凍脹程度與時間成正比，增加到一定程度呈現穩定的狀態。處于快速上升，過渡，相對穩定的三個階段。

（2）各層土樣凍脹程度曲線變化趨勢大體相同。在前期快速凍結期間，曲線爬升相對較快，凍脹程度大；在過渡期，曲線上升變得緩慢，可見凍脹程度明顯減小；之后曲線幾乎趨于平穩，整個土凍脹程度維持不變。

（3）各土層凍結溫度隨時間的曲線變化大體接近，土中水結冰的時間過程一般須經歷過冷、跳躍、恒定和遞降四個階段。當出現跳躍時，電勢會突然減小，接著穩定在某一數值。