王星童，趙維剛

(中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院，江蘇徐州 221008)

第大助

0 引言

隨著城市建設的不斷發(fā)展，建設工程中人工凍結(jié)技術(shù)的應用范圍正從礦山豎井建設工程擴展到城市土木工程、地鐵、輸水管道、核廢料地下儲倉等工程建設中［1］。自1992年起，在上海、廣州等城市地下鐵道建設中，處理局部特殊地層、泵站與地鐵隧道的聯(lián)絡通道、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。

對于凍土力學特性的研究，國內(nèi)外的學者做了很多工作。1930年俄羅斯凍土學的開創(chuàng)者崔托維奇在各種不同溫度下進行了亞勃土和砂土凍結(jié)試驗后，得出了隨著溫度的降低，凍結(jié)強度按照非線性規(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)強度具有不同比值的特性［4］，之后國外凍土學方面的許多著名學者也進行了這方面的探討，如Vialov、Ladanyi等。國內(nèi)學者鄭波等［5］曾對廣州地鐵凍土力學特性進行試驗研究，研究結(jié)果表明，在相同的土質(zhì)條件下，溫度越低，凍土的單軸抗壓強度越高。朱元林［6］對凍結(jié)砂土及粉土的無側(cè)限瞬時強度進行了詳細的研究，認為抗壓強度與應變率(或破壞時間)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行單軸抗壓強度試驗，分析了強度曲線的特征，得到凍結(jié)的杭州飽和軟土強度隨凍結(jié)溫度、應變速率、土樣干密度的變化規(guī)律。王春雷等［8］對含鹽凍土無側(cè)限抗壓強度的試驗研究，得出含鹽凍土的強度與含水量、凍結(jié)溫度的關(guān)系，初步討論了鹽溶液濃度對凍土強度的影響。林斌等［9］對淮南礦區(qū)典型凍土進行了力學特性試驗研究，研究表明鈣質(zhì)黏土力學性能最差，凍結(jié)黏土的單軸強度、變形模量和蠕變強度均隨溫度降低而增加，特別是當凍土溫度低于－10℃時，凍結(jié)黏土強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。

以上學者做了很多研究，但由于地域土性的差異性，必須通過試驗室的精確試驗，才能確定描述特定地區(qū)凍土強度和變形性質(zhì)的參數(shù)，試驗室試驗應盡可能模擬在實際凍結(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)絡通道凍結(jié)工程，對其凍結(jié)壁設計范圍內(nèi)具有代表性的土質(zhì)進行了室內(nèi)凍土試驗研究，得到凍土體的無側(cè)限抗壓強度以及抗彎強度特性，為凍結(jié)工程的設計與施工提供參考依據(jù)。

1 原位土體的基本物理性質(zhì)

試驗共取4種位于凍結(jié)工程設計范圍內(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)限抗壓強度試驗土體基本物理性質(zhì)見表1?？箯潖姸仍囼炌馏w基本物理性質(zhì)見表2。

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

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

2 試樣制備及試驗設備

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)絡通道區(qū)域。所有試驗根據(jù)煤炭部行業(yè)標準MT/T 593.4—1996《人工凍土物理力學性能試驗規(guī)程》進行。

2.1.2 無側(cè)限抗壓強度凍土體

首先，對擬進行分析測試的土質(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，并用報紙包裹(防止土樣運輸過程中顛簸損壞)，裝入土樣筒內(nèi);最后，將土樣筒用膠帶密封填寫土樣標簽并貼于土樣筒上，運回凍土實驗室。在實驗室根據(jù)試驗要求，對土樣進行修整，并以－10℃恒溫保存，制成試驗所需的凍土樣。

2.1.3 抗彎強度土體

抗彎試驗采用重塑土，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簽，并以－10℃恒溫保存。

2.2 試驗設備

試驗采用應變速率控制加載方式，應變速率設定為0.1%/min。試驗是在美國制造的MTS810材料試驗機上進行的，為保證試驗過程中凍土體的－10℃恒溫狀態(tài)，整個實驗過程中采用液氮對試驗加載箱進行降溫。試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)圖Fig.1 Test apparatus

3 試驗結(jié)果分析

試驗中每層土制備3個試樣，依次編號，并對每層土的3個試樣分別進行強度試驗，將得到的實驗數(shù)據(jù)取平均值，并繪制相應的曲線圖。

3.1 凍土體無側(cè)限抗壓強度

3.1.1 試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以往實驗經(jīng)驗，在保證試樣破壞的前提下，單個試樣的試驗時間初定為4 h。試驗完畢后，計算出各土層凍土的平均抗壓強度和平均破壞應變(見表3)，將得到的試驗數(shù)據(jù)繪制成－10℃條件下凍土無側(cè)限抗壓強度應力應變曲線圖(見圖2)。

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

圖2 －10℃條件下凍土無側(cè)限抗壓強度應力應變曲線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)果的原因為:

1)根據(jù)土力學的知識，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)，只有自由水達到冰點凍結(jié)，土顆粒間的膠結(jié)力不強。

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，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，進而導致孔隙率較高，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)限抗壓強度小。

3.1.2 應力應變曲線分析

從圖2可以看出各土層的無側(cè)限抗壓強度應力應變關(guān)系曲線有很大的不同，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土應力應變曲線屬于應變硬化性曲線［5］，粉質(zhì)黏土、粉砂和圓礫則屬于應變軟化行曲線。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，當應力達到2.5 MPa時曲線出現(xiàn)明顯的拐點，此時應變速率急劇增大，試樣變形明顯，達到峰值后仍保持較大的殘余強度，試樣表現(xiàn)出塑性破壞或接近塑性破壞的性狀，而后有一個微小的應力峰值，隨后應力值幾乎保持不變。相應條件下杭州淤泥質(zhì)黏土凍土具有較大的流變性［9］，峰值以后隨著應變的增加應力增加和松弛同時發(fā)生，且后者占主導地位。當強烈松弛階段過去以后，隨著應變增大，應變硬化又起支配作用，曲線又有一個上翹段。

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

3)粉砂的應力應變曲線表現(xiàn)為線性變化，在達到破壞應變之前應力應變曲線接近于直線，表現(xiàn)出很好的彈性變形，當達到破壞應變時發(fā)生脆性破壞，之后應力值急劇減小，無明顯的殘余強度。

4)對于圓礫，其平均破壞應變是最小的，3個試樣的試驗數(shù)據(jù)變化大，可能是受實驗條件和試樣的制作質(zhì)量等因素的影響。

3.1.3 實際工程條件下凍土體無側(cè)限抗壓強度驗證

根據(jù)試驗土體基本物理參數(shù)，利用淺埋洞室的土柱理論進行驗算。驗算點土層壓力

式中:q為驗算點土層壓力值，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 驗算點各土層壓力值計算表Table 4 Pressure value of each soil layer at checking points

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

3.2 凍土體抗彎強度

3.2.1 試驗數(shù)據(jù)分析

與無側(cè)限抗壓強度相類似，單個試樣的試驗時間初定為0.5 h，加載方式為3點式，試驗機置于－10℃低溫環(huán)境中。荷載與變形關(guān)系曲線的最大截面應力即為抗彎強度，相應的撓度即為破壞撓度。試驗結(jié)果見表5，將試驗數(shù)據(jù)繪制成－10℃條件下凍土抗彎強度荷載與變形關(guān)系圖(見圖3)。

表5 凍土抗彎強度測試結(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的試驗結(jié)果可知:1)凍土的抗彎強度和無側(cè)限抗壓強度有所不同，在4種土樣中凍結(jié)圓礫土樣的抗彎強度是最大的，可以達到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力的增加速度較其他3種土體快，當達到峰值后應力值急劇下降，這說明其截面在受到較大彎矩作用力時，在沒有明顯變形的情況下發(fā)生脆性破壞; 3)當實際工程需穿越圓礫層時，開挖施工過程中需時刻檢測凍結(jié)圓礫土體的變形和應力分布情況的變化，如出現(xiàn)問題及時采取補救措施，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，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，試驗的初期階段應力增長較快，隨著荷載的施加，撓度變化速率減慢，在將要達到破壞撓度之前有很長一段時間撓度變化速率接近于0，此時試件截面上的應力得到重分布，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)能為及時發(fā)現(xiàn)問題和發(fā)現(xiàn)問題后及時采取補救措施提供時間，在實際工程中有重要意義。

3.2.3 實際工程條件下對凍土體抗彎強度驗證

與凍土體無側(cè)限抗壓強度的驗證計算相似，根據(jù)試驗土體基本物理參數(shù)，利用簡支梁受均布荷載作用進行，取聯(lián)絡通道寬度為2 m進行驗算。最大應力計算式為:

式中:Mmax為最大彎矩;L為聯(lián)絡通道寬度，取2 m; σmax為最大彎曲應力，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)絡通道縱向取b為1 m，h為2 m)。

表6 驗算點各土層最大彎曲應力值計算表Table 6 Maximum bending stress value of each soil layer at checking points

通過驗算得知由上覆土層作用產(chǎn)生的最大彎矩應力值遠遠小于凍結(jié)土體的抗彎強度荷載，凍結(jié)土體的強度得到很大的提高，足以抵抗上覆土體的荷載作用，實驗數(shù)據(jù)證明凍結(jié)法的運用對土體強度的改善效果十分明顯。

4 結(jié)論與建議

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

2)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層凍土呈塑性破壞，破壞應變較其他層土大，在實際凍結(jié)工程設計與施工中要重視，對淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土凍土層進行開挖時要時刻監(jiān)測凍結(jié)壁的位移，做好充分的應急措施，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，圓礫和粉砂的抗彎強度增幅明顯，可以達到8 MPa以上，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土的凍土抗彎強度也可以增強到4.0～5.5 MPa，凍結(jié)法對土體強度的改善效果明顯。

［1］ 李方政，夏明萍.基于指數(shù)積分函數(shù)的人工凍土溫度場解析研究［J］.東南大學學報:自然科學版，2004，34(4):50－54.(LI Fangzheng，XIA Mingping.Study on analytical solution of temperature field of artificial frozen soil by exponent-integral function［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2004，34(4):50－54.(in Chinese))

［2］ 崔廣心.我國人工凍結(jié)工程研究現(xiàn)狀及展望［C］//第五屆全國冰川凍土學大會論文集(下集).蘭州:甘肅文化出版社，1996:843－850.

［3］ 虞相，王正廷，蘇立訊.我國地層技術(shù)的新發(fā)展［C］//地層凍結(jié)工程技術(shù)和應用:中國地層凍結(jié)工程40年論文集.北京:中國煤炭工業(yè)協(xié)會，1995:11－16.

［4］ H A崔托維奇.凍土力學［M］.張長慶，朱元林，譯.北京:科學出版社，1985:160－170.

［5］ 鄭波，張建明，常小曉，等.廣州地鐵隧道凍結(jié)工程凍土力學特性試驗研究［J］.地下空間與工程學報，2007(5): 111－115，126.(ZHENG Bo，ZHANG Jianming，CHANG Xiaoxiao，et al.Mechanical properties study of artificially frozen soil in tunnel engineering of Guangzhou Metro［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007(5):111－115，126.(in Chinese))

［6］ 朱元林.凍結(jié)粉砂在常變形速度下的單軸抗壓強度［J］.冰川凍土，1986(4):43－58.(ZHU Yuanlin.Uniaxial compressive strength of frozen silt under constant deformation rates［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，1986(4): 43－58.(in Chinese))

［7］ 樊良本，丁伯陽，王紀峰，等.人工凍結(jié)的杭州飽和軟土的單軸抗壓強度特性［J］.浙江工業(yè)大學學報，2000(4):40－42，46.(FAN Liangben，DING Boyang，WANG Jifeng，et al.Unconfined compressive strength behaviour of frozen Hangzhou saturated soft clay［J］.Journal of Zhejiang University of Technology，2000(4):40－42，46.(in Chinese))

［8］ 王春雷，謝強，姜崇喜.含鹽凍土無側(cè)限抗壓強度的試驗研究［J］.路基工程，2005(5)，61－63.

［9］ 林斌，汪仁和，謝星，等.淮南礦區(qū)典型凍土的力學特性試驗研究［J］.西安科技學院學報，2003(4):36－40.(LIN Bin，WANG Renhe，XIE Xing，et al.Mechanical performance study of typical frozen soil in Huainan coalmine diggings［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2003(4):36－40.(in Chinese))