(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.北京航天勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 034000)

在市政巖土工程及地下空間開發(fā)中，往往會遇到地層含水、軟弱破碎、穩(wěn)定性差等復(fù)雜地質(zhì)條件，一般工法施工難度較大，工程事故時有發(fā)生[1]。人工凍結(jié)法具有技術(shù)可靠、工藝成熟和施工可控的特點，不受支護(hù)范圍和支護(hù)深度的限制，能在極其復(fù)雜的地質(zhì)條件下形成凍土墻，因此，成為該地質(zhì)特征下工程施工的主要技術(shù)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(chǎn)生凍脹融沉，可能造成地基失穩(wěn)、鄰近建筑物傾斜和產(chǎn)生裂縫、地下管線破壞等不良后果，甚至關(guān)系到工程成敗[3]。

學(xué)者們對凍土凍脹理論和土體凍脹預(yù)測模型進(jìn)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(nèi)模型試驗，揭示了人工凍結(jié)壁解凍過程中凍土物理力學(xué)特性及正融土機(jī)制過程；Hansson等[6]通過高含冰凍土路基解凍實驗室與現(xiàn)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(jié)理論，對凍土解凍的三維固結(jié)大變形計算方法進(jìn)行研究；Zhou等[8]通過研究環(huán)境對凍脹性的影響，得出了當(dāng)溫度穩(wěn)定時凍脹速率與溫度梯度有著近似線性關(guān)系的結(jié)論；胡向東等[9-11]對單排管凍結(jié)溫度場公式以及雙排管凍結(jié)溫度場公式進(jìn)行了完善與應(yīng)用性研究，并獲得了環(huán)形凍結(jié)管中的單圈管凍結(jié)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(qū)典型土質(zhì)進(jìn)行了融沉特性室內(nèi)試驗；陶祥令等[14]研究人工鑿井凍結(jié)法施工中凍結(jié)壁解凍融沉效應(yīng)的產(chǎn)生而導(dǎo)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(jié)模型試驗，對于水平凍結(jié)溫度場的耦合作用、不同深度土體位移及側(cè)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(jié)試驗系統(tǒng)，在考慮水平凍結(jié)溫度場和側(cè)限影響工況下，進(jìn)行了人工凍土凍脹融沉試驗研究。

1 試驗系統(tǒng)簡介

1.1 主試驗臺

主試驗臺采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)完全真三維城市地下工程模型試驗系統(tǒng)，包括模擬箱、加載裝置、地下水模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)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(nèi)設(shè)有水平和垂直加載板，可實現(xiàn)模型體的三維加載。若干層水平進(jìn)水管能根據(jù)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(jìn)行地下水影響試驗。

1.2 凍結(jié)系統(tǒng)

凍結(jié)系統(tǒng)由制冷壓縮系統(tǒng)、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、冷媒循環(huán)系統(tǒng)和溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成。制冷系統(tǒng)最大制冷量>8.5 HP，可實現(xiàn)模型箱體全部或部分體積土樣的凍結(jié)，最低溫度-35 ℃。冷媒(CaCl2溶液)循環(huán)系統(tǒng)選用進(jìn)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(jié)管，形成循環(huán)回路。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)使用鈦金屬管材，凍結(jié)管采用紫銅管。通過主控制面板對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，并顯示主要溫度值。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)由便攜式數(shù)據(jù)采集儀TDS-303采集，溫度傳感器的數(shù)據(jù)由萬用表測量。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 工程背景

某城市地鐵聯(lián)絡(luò)通道主要穿過第四系全新統(tǒng)下組河床～河漫灘相沉積層，所處土層為粉質(zhì)粘土、粉土，土層含水量大，強(qiáng)度低，且地面為交通繁忙的道路，無地面施工條件，設(shè)計采用隧道內(nèi)水平凍結(jié)加固土體、暗挖法施工。聯(lián)絡(luò)通道處左線、右線盾構(gòu)隧道中心距19.12 m，左線隧道中心標(biāo)高為-14.63 m，右線隧道中心標(biāo)高為-14.63 m，地面標(biāo)高約+3.236 m。

2.2 相似準(zhǔn)則

1)凍結(jié)溫度場相似準(zhǔn)則

φ(K0,F0,θ,R)=0

(1)

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

2)應(yīng)力場相似準(zhǔn)則

P=ρ·h·k

(2)

式中：ρ為巖土的密度；h為深度；k為側(cè)推力系數(shù)。

3)位移場相似準(zhǔn)則

F(σ,E,ε,u,μ,γ,H,SD,P)=0

(3)

式中：σ為應(yīng)力；E為彈性模量；ε為應(yīng)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(jié)壁厚；P為土壓力。

2.3 模型相似比及參數(shù)確定

1)模型幾何相似比 根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道現(xiàn)場尺寸和試驗臺尺寸，經(jīng)多次試驗研究得到幾何相似比CI=1∶10，即聯(lián)絡(luò)通道模型高400 mm、寬350 mm、弧頂半徑220 mm、厚度15 mm。根據(jù)位移相似準(zhǔn)則，位移相似比Cu=CI。

3)溫度比 模型試驗所用巖土材料、含水量與現(xiàn)場近似，土體凍結(jié)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(yīng)力模擬 根據(jù)應(yīng)力場相似準(zhǔn)則，應(yīng)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(yīng)力為285 kPa。模型選取與現(xiàn)場接近的粉質(zhì)粘土，將粉質(zhì)粘土制作成直徑61.8 mm、高100 mm的土樣進(jìn)行試驗，得到模型土重度為20 kN/m3。凍結(jié)試驗聯(lián)絡(luò)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(tǒng)需提供273 kPa垂直壓力。

2.4 凍結(jié)管布置

原型中聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔數(shù)為70個，模型試驗在滿足溫度要求和凍結(jié)帷幕厚度要求的同時，借鑒王運剛凍結(jié)壁內(nèi)外壁的厚度基本相同的試驗結(jié)論[15]，將凍結(jié)管布設(shè)在距聯(lián)絡(luò)通道模型100 mm位置。使單管凍結(jié)壁外緣與相鄰凍結(jié)管中心相交，模型凍結(jié)管與聯(lián)絡(luò)通道近似平行布置，如圖1所示，凍結(jié)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(lián)絡(luò)通道模型周邊布置C1、C2、…、C8共8個測點，并在豎向受側(cè)限雙管凍結(jié)耦合裝置中布設(shè)C9、C10、C113個測點，在封閉式雙管凍結(jié)耦合裝置中布設(shè)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(guī)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(qū)，其中，C1～C4為第1測區(qū)；C5～C8測點為第2測區(qū)；C10～C11測點為第3測區(qū)；C12～C14測點是第4測區(qū)。

圖1 凍結(jié)管及測點布置圖Fig. 1 Freezing tube and measuring point

2.6 溫度控制方案

傳感器及模型埋設(shè)完成后，放置7 d進(jìn)行固結(jié)，自然室溫(約10 ℃)條件下開始試驗。壓縮機(jī)工作，冷媒(CaCl2溶液)溫度逐漸降低，當(dāng)其溫度達(dá)-25 ℃時關(guān)閉壓縮機(jī)，進(jìn)入凍結(jié)維護(hù)期，凍結(jié)維護(hù)期冷媒溫度控制在-25～-23 ℃，凍土最低溫度達(dá)-15 ℃。凍結(jié)帷幕形成后，即可進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道開挖，開挖完畢即停機(jī)進(jìn)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(jié)果分析

3.1 土體溫度變化規(guī)律

圖2為不同測區(qū)、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(jié)階段，當(dāng)土體溫度達(dá)到起始凍脹溫度時，土體中水迅速相變結(jié)晶，土體溫度迅速下降；融沉階段，凍土先達(dá)到0 ℃，部分開始融化，此時，冰、水共存的狀態(tài)需維持較長一段時間，待冰完全融化時，土體溫度繼續(xù)上升。

有效凍結(jié)時間內(nèi)，土體降溫速度先快后緩，并在較短時間內(nèi)降至最低溫度。這是因為，隨凍結(jié)的不斷發(fā)展，土中凍結(jié)鋒面的發(fā)展速度趨于平緩。第1測區(qū)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(jié)孔越遠(yuǎn)土體溫度降越慢、降幅越小，這是因為凍結(jié)鋒面到達(dá)該處時間遲、發(fā)展慢，且土體受地表溫度影響顯著。第2測區(qū)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(jié)壁交圈內(nèi)，C7處土體不僅受凍結(jié)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(qū)中心C13處土體較豎向受限測區(qū)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。

圖2 不同測區(qū)、測點溫度對比分析Fig. 2 Temperature contrast analysis about different

3.2 土壓力變化分析

圖3為不同測區(qū)、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(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因為，土凍結(jié)時水結(jié)晶成冰，體積增大，推動土顆粒移動，產(chǎn)生凍脹變形，當(dāng)凍脹變形受到邊界及上覆荷載約束時，凍土就產(chǎn)生了凍脹力，融沉階段，結(jié)晶冰融化，土壓力回復(fù)至初始值。第1測區(qū)距離凍結(jié)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(qū)埋深較大，土壓力變化值最小的C5測點近20 kPa，表明距凍結(jié)管越近、埋深越深，土壓力值變化越大。凍結(jié)管路附近位置水體首先相變結(jié)晶產(chǎn)生凍脹力，若該處深度較大，則上覆土體的壓力較大，導(dǎo)致土壓力值迅速增大到較大值，整個凍融過程體現(xiàn)的土壓力變化值也就更顯著。

如圖3(c)所示，第3測區(qū)位于豎向受側(cè)限的模具中，在積極凍結(jié)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(cè)限影響，測點正上方土體僅受模具內(nèi)土體的影響，而水平向是開放的，側(cè)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(qū)C10測點位于豎向側(cè)限中間位置，現(xiàn)象更為顯著。

第4測區(qū)的土體在水平向、豎向均有側(cè)限，可以看出，其土壓力變化與其他測區(qū)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(cè)限的影響使土體的凍脹壓力無法更好地擴(kuò)散，使測點處土壓力值增加比例較大。

圖3 不同測區(qū)、測點土壓力對比分析Fig. 3 Soil pressure comparison analysis about different measuring areas and

3.3 位移變化分析

圖4為不同測區(qū)、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(jié)沉降。土體凍結(jié)過程是土體中水的相變過程，當(dāng)土體溫度達(dá)到起始凍脹溫度時，液態(tài)水相變結(jié)晶，土體體積增大，同時，周圍未凍結(jié)水分不斷向凍結(jié)峰面遷移、聚集，土體凍脹位移持續(xù)增加。聯(lián)絡(luò)通道開挖完成后，進(jìn)入土體融化固結(jié)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。

圖4 不同測區(qū)、測點位移對比分析Fig. 4 Soil displacement comparison analysis about different measuring areas and

由圖4(b)可以看到，在積極凍結(jié)階段土體水平位移不斷增大，在凍結(jié)維持及解凍階段，土體水平位移緩慢減小并總體處于平穩(wěn)。這是由于凍土豎向融化固結(jié)沉降量較大，側(cè)向擠壓使之水平位移變化較小。受豎向側(cè)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(cè)限狀態(tài)下基本相同?？傮w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(jié)論

以某地下聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)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(jié)工法凍結(jié)、融解過程中土體溫度、應(yīng)力和位移的變化規(guī)律，得到主要結(jié)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(xù)緩慢升高至室溫。積極凍結(jié)期內(nèi)土體溫度降低速度先快后慢，且埋深越大、距凍結(jié)孔越近，土體溫度降低越快、降幅越大；凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)土體較同位置外側(cè)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(jié)管越近水平土壓力值越大。

3)積極凍結(jié)期內(nèi)，無側(cè)限土體壓力值先增加后減小，豎向側(cè)限與全封閉土體壓力值則逐漸增大，且豎向側(cè)限內(nèi)凍土融解階段的最小土壓力值較初始值要小，全封閉測區(qū)內(nèi)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(jié)沉降，且融化固結(jié)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(jié)階段不斷增大，在凍結(jié)維持及融解階段變化不大。

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