司軒昂，楊 平，劉健鵬

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

0 引言

人工凍結(jié)法作為一種常用的地基加固方法,目前已被廣泛應(yīng)用于隧道洞門(mén)端頭、聯(lián)絡(luò)通道加固等地鐵隧道工程。在我國(guó)東南沿海及長(zhǎng)三角地區(qū)，需采用人工凍結(jié)法加固的土層主要是砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(楊平和張婷，2015)；在福州、成都和南京等地隧道施工常穿過(guò)礫石地層(宋杰，2020；唐少輝等，2020)。在盾構(gòu)法施工中，隧道洞門(mén)或聯(lián)絡(luò)通道常在水泥土加固后，使用人工凍結(jié)法進(jìn)行補(bǔ)充加固(程知言等，2002；王杰等，2011)。在近海和跨海海底隧道工程中采用人工凍和結(jié)法，加固地層常為含氯鹽的鹽漬凍土(楊平等，2019)。其中，凍結(jié)溫度是判斷凍結(jié)帷幕是否達(dá)到要求的重要指標(biāo)。研究不同土質(zhì)的凍結(jié)溫度，不僅有助于合理設(shè)計(jì)人工凍結(jié)法凍結(jié)壁參數(shù)，也對(duì)揭示水分遷移規(guī)律十分重要(Kozlowski，2003)，因此需要對(duì)不同性質(zhì)土的凍結(jié)溫度進(jìn)行深入研究。

關(guān)于土的凍結(jié)溫度，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了較多研究，多集中在凍結(jié)溫度的影響因素上(Setzer，2001;程知言等，2005;Kozlowski，2009;趙景峰，2011；張婷等，2012；周家作等，2015；劉振亞等，2017；楊國(guó)清等，2017；魏堯等，2018)。土的凍結(jié)溫度變化規(guī)律與冰水界面自由能、孔隙半徑以及凍融循環(huán)次數(shù)也有一定關(guān)系(Wan et al.,2015;Han et al.，2018)。盡管關(guān)于凍結(jié)溫度研究已有不少成果，但選取的土層均較單一，針對(duì)人工凍結(jié)法常加固地層的凍結(jié)溫度系統(tǒng)性對(duì)比研究較少。本文針對(duì)南京等長(zhǎng)三角地區(qū)以及寧波等沿海地區(qū)使用人工凍結(jié)法施工典型土層開(kāi)展凍結(jié)溫度試驗(yàn)，結(jié)合水泥土、含鹽土凍結(jié)溫度試驗(yàn)，進(jìn)行土質(zhì)對(duì)人工凍土凍結(jié)溫度影響試驗(yàn)研究，分析砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、礫石土、水泥土、含鹽土的凍結(jié)溫度，并對(duì)目前不同土性的凍結(jié)溫度進(jìn)行了討論及相關(guān)機(jī)理分析，以供今后不同土性的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)參考。

1 試驗(yàn)方法

凍結(jié)溫度試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的裝置，嚴(yán)格按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示，由恒溫水浴槽、電腦、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。恒溫水浴槽采用高低溫恒溫液浴循環(huán)兩用槽 XT5218-B8；常規(guī)細(xì)粒土采用30 mm*50 mm試驗(yàn)杯，而礫石土采用導(dǎo)熱性較好內(nèi)徑110 mm，壁厚2 mm鋁制金屬試驗(yàn)杯，帶杯蓋；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DataTaker采集器，熱電偶測(cè)溫法，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集(李思齊等，2018)。

圖1 凍結(jié)溫度試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Device of freezing temperature tests

礫石土凍結(jié)溫度試驗(yàn)：將礫石土分層填入試驗(yàn)杯，加水至飽和，采用溫度傳感器測(cè)量其凍結(jié)溫度。

水泥土凍結(jié)溫度試驗(yàn)：水泥土試樣制備首先配制和其原狀土含水率一樣的擾動(dòng)土，然后配置水灰比1∶2的水泥漿，將配置好的水泥漿按不同水泥摻入比分別加入到制好的擾動(dòng)土中，攪拌后按規(guī)范進(jìn)行制樣。

含鹽土凍結(jié)溫度試驗(yàn)：根據(jù)試驗(yàn)需要確定土樣的含鹽量和含水量，按濃度要求將鹽溶解純水中，攪拌均勻，充分溶解后倒入擾動(dòng)土樣中，充分拌后靜置24 h,然后按規(guī)范進(jìn)行制樣。

2 不同地區(qū)典型土層凍結(jié)溫度

近年來(lái)南京林業(yè)大學(xué)凍土實(shí)驗(yàn)室依托南京、蘇州、南通、寧波和珠海等地區(qū)的地鐵科研項(xiàng)目，對(duì)這些地區(qū)地鐵不同標(biāo)段使用人工凍結(jié)法加固的典型土層進(jìn)行大量的凍結(jié)溫度試驗(yàn)，典型土層的凍結(jié)溫度范圍見(jiàn)表1。圖2為不同地區(qū)典型土層的凍結(jié)溫度平均值，在保證凍結(jié)溫度試驗(yàn)樣本量的前提下，從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度引入平均值以直觀地反映不同地區(qū)典型土層的凍結(jié)溫度。

表1 不同地區(qū)典型土層凍結(jié)溫度范圍

圖2 不同地區(qū)典型土層凍結(jié)溫度平均值Fig.2 Average values of freezing temperature of typical soil layers in different areas

由圖2可知，對(duì)于同一地區(qū)不同土質(zhì)的凍結(jié)溫度:砂土>粉土>粉質(zhì)黏土>黏土，對(duì)于同一命名的土層，南通地區(qū)土質(zhì)的凍結(jié)溫度比南京等其它地區(qū)的低。

為更好地研究同一地區(qū)土質(zhì)對(duì)人工凍土凍結(jié)溫度的影響，選用南京地區(qū)過(guò)江隧道礫石土，按以礫石土凍結(jié)溫度試驗(yàn)方法進(jìn)行，同時(shí)與該地區(qū)粉質(zhì)黏土、粉土、砂土等飽和土樣在相同試驗(yàn)環(huán)境條件下凍結(jié)溫度比較。各土層降溫曲線如圖3所示，凍結(jié)溫度結(jié)果見(jiàn)表2?？芍?，凍結(jié)溫度由高到低分別為：礫石土>砂土>粉土>粉質(zhì)黏土，即表現(xiàn)為顆粒粒徑越小，凍結(jié)溫度越低。礫石土發(fā)生跳躍的起始時(shí)間最長(zhǎng)，跳躍段上升得最快。此外，相比于粉土等其它土，礫石土的過(guò)冷溫度也較低。

表2 南京地區(qū)不同土凍結(jié)溫度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 南京地區(qū)不同土凍結(jié)過(guò)程曲線Fig.3 Cooling curves of different types of soils in Nanjing

3 水泥土凍結(jié)溫度

因?qū)嶋H工程均為水泥土加固達(dá)到齡期后再實(shí)施人工凍結(jié)補(bǔ)充加固的(王許諾等，2012)，水泥摻入比達(dá)到10%即可有效擬制凍脹融沉(鮑俊安等，2013)，所以水泥土凍結(jié)溫度主要研究定齡期(28天)條件下7種水泥摻入比(0%、4%、8%、10%、12%、16%、20%)水泥砂土和水泥黏土的凍結(jié)溫度變化規(guī)律；定摻入比10%條件下4種齡期(7天、14天、28天、90天)水泥砂土和水泥黏土的凍結(jié)溫度變化規(guī)律。水泥土凍結(jié)溫度試驗(yàn)所選砂土和黏土均為南京地區(qū)使用人工凍結(jié)法施工的典型土層。

3.1 凍結(jié)溫度隨水泥摻入比變化規(guī)律

如圖4所示，水泥砂土和水泥黏土的凍結(jié)溫度隨著水泥含量的增加而降低，且均低于同一土性原狀土的凍結(jié)溫度。同時(shí)表明：水泥比高于4%后，土質(zhì)對(duì)凍結(jié)溫度的影響較大，隨著水泥摻入比的增加，水泥黏土的凍結(jié)溫度低于水泥砂土的凍結(jié)溫度，且其差異呈放大趨勢(shì)。

3.2 凍結(jié)溫度隨齡期變化規(guī)律

如圖5所示，水泥砂土和水泥黏土中水泥含量和凍結(jié)溫度隨齡期增加而降低，且兩種水泥土凍結(jié)溫度降低幅度在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28天后，隨齡期的變化明顯減緩。水泥黏土的凍結(jié)溫度低于水泥砂土，二者的差值隨齡期的增加沒(méi)有明顯變化。

圖4 凍結(jié)溫度與水泥摻入比關(guān)系曲線Fig.4 Curves of freezing temperature versus proportion of cement added

圖5 凍結(jié)溫度-齡期關(guān)系曲線Fig.5 Curves of freezing temperature versus age

4 含鹽土凍結(jié)溫度

4.1 氯鹽含量對(duì)凍結(jié)溫度的影響

在我國(guó)沿海地區(qū)的鹽漬土，其含鹽量一般在4%以下，含鹽種類(lèi)主要以NaCl為主(楊平等，2019)，因此取氯鹽配置含鹽量為0%、0.5%、1%、2%和4%。粉質(zhì)黏土的凍脹敏感性較大(盛岱超等，2014)，選擇南京地區(qū)粉質(zhì)黏土進(jìn)行配置含鹽土。不同含鹽量的試樣溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，含水量一定時(shí)，NaCl含鹽量越高，土的凍結(jié)溫度和過(guò)冷溫度越低。由圖7可知，NaCl含鹽土凍結(jié)溫度隨著含鹽量的增加而線性降低，這與前人研究結(jié)論一致(Bing and Ma,2011;孟祥傳等，2020)。而不同含鹽量的NaCl含鹽土過(guò)冷溫度無(wú)明顯的線性變化規(guī)律，當(dāng)含鹽量大于1%時(shí)，其凍結(jié)溫度與過(guò)冷溫度的差值有減小的趨勢(shì)。

圖6 不同含鹽量的降溫曲線Fig.6 Cooling curves of soils with different salt contents

圖7 含鹽量對(duì)凍結(jié)溫度及過(guò)冷溫度的影響Fig.7 Influence of salt content on freezing temperature and super-cooling temperature

4.2 不同含鹽種類(lèi)對(duì)凍結(jié)溫度的影響

選擇NaCl含鹽土，同時(shí)與Na2SO4含鹽土在相同條件下凍結(jié)溫度比較，對(duì)比研究含鹽種類(lèi)對(duì)凍結(jié)溫度的影響，不同含鹽種類(lèi)下凍結(jié)溫度隨著含鹽量的變化如圖8所示。圖8表明NaCl含鹽土比Na2SO4含鹽土的凍結(jié)溫度低，氯鹽對(duì)凍結(jié)溫度的影響更大。而且NaCl含鹽土與Na2SO4含鹽土的凍結(jié)溫度的差值隨含鹽量的增加而變大，這體現(xiàn)了含鹽量對(duì)NaCl含鹽土比Na2SO4含鹽土的凍結(jié)溫度影響更顯著，每增加1%含鹽量，NaCl含鹽土凍結(jié)溫度降低2.5℃，而Na2SO4含鹽土凍結(jié)溫度僅降低0.3℃。

圖8 不同含鹽種類(lèi)對(duì)凍結(jié)溫度的影響Fig.8 Influence of different salt types on freezing temperature

5 討論

土質(zhì)對(duì)凍結(jié)溫度影響主要體現(xiàn)在土的粒徑大小，土顆粒粒徑越大，與水接觸的面積越小，其吸力越小，導(dǎo)致水的自由能越高，凍結(jié)溫度越高。飽和礫石土的顆粒粒徑比粉質(zhì)黏土等其它土體中土顆粒粒徑大得多，且試樣中的水近乎為自由水，而自由水的比熱較大，只有吸收大量的冷量才能使其降溫，所以在礫石土的凍結(jié)過(guò)程曲線中，其在過(guò)冷段維持時(shí)間較長(zhǎng)，過(guò)冷溫度較低。過(guò)冷溫度越低，積蓄的潛熱越多，則土中的自由水結(jié)成冰時(shí)釋放的潛熱也越多，因此飽和礫石土的凍結(jié)溫度相比其它土層較高且跳躍段上升的比其它土快，上升的溫度也比其它土大。對(duì)于同一地區(qū)同一命名的土層，由于現(xiàn)場(chǎng)所取土樣分布地點(diǎn)及取土深度不同，現(xiàn)場(chǎng)取出土樣含水率等因素存在差異，從而導(dǎo)致部分土層凍結(jié)溫度相差較大。

對(duì)于同一命名的土層，南通地區(qū)的凍結(jié)溫度比寧波等其它地區(qū)低，說(shuō)明凍結(jié)溫度與地區(qū)有一定關(guān)系。相較于其它地區(qū)土層，南通地區(qū)土層含有機(jī)質(zhì)且局部夾少量黏性土，其吸附力較強(qiáng)且比表面積較大，具有的表面能也大，水發(fā)生相變所需的冷量較大，導(dǎo)致土體達(dá)到凍結(jié)狀態(tài)的溫度較低(冷毅飛，2006)。因此在不同地區(qū)的土層凍結(jié)溫度分析上，需要考慮該地區(qū)土層有機(jī)質(zhì)含量的影響。

水泥土凍結(jié)溫度的變化規(guī)律與不同地區(qū)典型土層有很大不同。水泥土在凍結(jié)發(fā)生后，土體中的一部分自由水在水泥中部分礦物與水發(fā)生水解和水化反應(yīng)下轉(zhuǎn)化為結(jié)合水，導(dǎo)致土中結(jié)合水含量變大，則土中自由水結(jié)成冰時(shí)釋放的潛熱減少，從而凍結(jié)溫度降低。對(duì)于不同土質(zhì)的水泥土，在同一水泥摻入比下，水泥土的凍結(jié)溫度與其土質(zhì)的粒徑有關(guān)，這是因?yàn)樗嗟牧竭h(yuǎn)遠(yuǎn)小于土的粒徑，水泥土的密實(shí)度會(huì)隨著將水泥加入土中而優(yōu)化，水泥土體內(nèi)的空隙隨著其密實(shí)度的優(yōu)化而減小，所以水泥土中土的粒徑越大，其凍結(jié)溫度越高。同樣，齡期也是影響水泥土凍結(jié)溫度的重要因素，如圖5所示，水泥土的凍結(jié)溫度隨著齡期的增加而減小。此外水泥土凍結(jié)溫度在28天以?xún)?nèi)的變化幅度較大，主要是因?yàn)樵摱螘r(shí)間水泥的水解水化反應(yīng)較激烈，而28天后水化反應(yīng)基本完成，含水量的變化也很平穩(wěn)。

對(duì)于含鹽土，土中水是鹽溶液，在土水體系中鹽溶液的溶膠、凝膠等膠結(jié)作用和離子的吸附、交換、置換和擴(kuò)散等作用對(duì)土顆粒表面的吸附作用有影響(邴慧和馬巍，2011；Hu et al.,2017)。含鹽量越大，土顆粒吸附水分的能力越強(qiáng)，形成水化膜的能力越強(qiáng)，土水勢(shì)就越低，從而自由水達(dá)到凍結(jié)狀態(tài)的溫度越低。所以含鹽土的凍結(jié)溫度隨含鹽量的增加而降低。此外不同的含鹽種類(lèi)，其對(duì)凍結(jié)溫度的影響差異很大，含鹽量對(duì)氯鹽土比硫酸鹽土的凍結(jié)溫度影響更顯著，這是因?yàn)镹a2SO4對(duì)外界環(huán)境溫度比NaCl敏感。當(dāng)外界環(huán)境降低時(shí)，Na2SO4溶解度減小，從而使得孔隙溶液中鹽分濃度達(dá)到飽和狀態(tài)并析出(肖澤岸等，2020)，而NaCl溶解度受外界溫度影響較小，故NaCl對(duì)凍結(jié)溫度的影響更大。所以在使用人工凍結(jié)法加固含鹽土層時(shí)，需考慮土層中的含鹽種類(lèi)及其含鹽量的大小對(duì)凍結(jié)溫度及凍土強(qiáng)度的影響。

6 結(jié)論

針對(duì)土質(zhì)對(duì)人工凍土凍結(jié)溫度的影響問(wèn)題，從不同地區(qū)典型土層、水泥土、含鹽土等方面開(kāi)展研究，通過(guò)試驗(yàn)得到不同土質(zhì)的凍結(jié)溫度，并對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行了機(jī)理分析，主要研究結(jié)論如下：

(1) 同一地區(qū)不同土層的凍結(jié)溫度，與其土顆粒粒徑有關(guān)，土顆粒粒徑越大，凍結(jié)溫度越高，礫石土>砂土>粉土>粉質(zhì)黏土。對(duì)于同一命名的土層，不同地區(qū)典型土層的凍結(jié)溫度不同，南通地區(qū)的凍結(jié)溫度比寧波等其它地區(qū)低。礫石土的過(guò)冷溫度較低，發(fā)生跳躍的起始時(shí)間較長(zhǎng)，且其跳躍段上升較快。

(2) 水泥土的凍結(jié)溫度隨水泥摻入比及齡期的增加而降低。同一水泥摻入比下，水泥黏土的凍結(jié)溫度比水泥砂土低。

(3) NaCl含鹽土凍結(jié)溫度隨含鹽量增加而線性降低，且其過(guò)冷溫度隨含鹽量的增加而降低。含鹽量對(duì)硫酸鹽土比氯化鈉土的凍結(jié)溫度的影響更小。

[附中文參考文獻(xiàn)]

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