羅戰(zhàn)友,李曉泉,鄒寶平,2,易 覺,牟軍東

(1.浙江科技學院 a.土木與建筑工程學院;b.隧道與地下空間技術(shù)開發(fā)研究院,杭州 310023;2.中國礦業(yè)大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點試驗室,北京 100083;3.廣東華隧建設(shè)集團股份有限公司,廣州 510335;4.杭州市地鐵集團有限責任公司,杭州 310003)

凍結(jié)法的本質(zhì)是使土中自由水凍結(jié),形成人工凍土,加固區(qū)土體是否凍結(jié)決定地鐵聯(lián)絡(luò)通道能否開挖。由于聯(lián)絡(luò)通道通常位于城市高密集區(qū),開挖不當會引起挖孔坍塌、地面沉陷、周邊建筑倒塌等重大工程地質(zhì)災(zāi)害。凍土性狀是溫度的函數(shù)[1],對于凍結(jié)過程的溫度場[2-3]變化規(guī)律,國內(nèi)研究人員進行了大量的探索[4-7],結(jié)果表明,不同土體在凍結(jié)過程中所呈現(xiàn)的凍結(jié)特性并不相同。在室內(nèi)試驗方面,程知言等[8]測試了上海地區(qū)3種飽和軟土的起始凍結(jié)溫度、未凍水含量及含冰量,得到了上海地區(qū)軟黏土凍結(jié)過程的溫度變化曲線。張婷[9]進行了凍結(jié)溫度、凍脹及融沉試驗,研究了南京地區(qū)典型淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉砂土的凍結(jié)溫度隨土質(zhì)、含水量、干密度、含鹽量及水質(zhì)的變化規(guī)律。邢述彥[10]進行了砂壤土、輕壤土和黏土的凍結(jié)溫度試驗,得到了土體凍結(jié)的溫度變化曲線及3種土在不同含水率、含鹽量條件下的凍結(jié)溫度。在現(xiàn)場試驗方面,土體溫度一般通過測點溫度進行監(jiān)測,馬俊等[11]發(fā)現(xiàn)凍結(jié)期間各測點溫度的變化趨勢大致相同,但由于凍土帷幕外側(cè)擴散時冷量損失比內(nèi)側(cè)大,導(dǎo)致內(nèi)側(cè)土體降溫速率及凍結(jié)鋒面的移動速率比外側(cè)快。尚驍林[12]對凍結(jié)法施工中鹽水溫度、泄壓孔壓力、測溫管溫度及地表沉降進行了監(jiān)測,獲得了對應(yīng)測點的溫度變化規(guī)律。

綜上所述,國內(nèi)外研究人員通過室內(nèi)試驗對土體凍結(jié)過程的自由水相態(tài)變化及凍結(jié)溫度做了大量的探索,但在現(xiàn)場試驗方面,前人對測點溫度的分析很少結(jié)合自由水的相態(tài)變化規(guī)律。由于不同性狀土的凍結(jié)溫度不同,若不能正確認識測點溫度與土中自由水相態(tài)的關(guān)系,則將無法判斷土體是否凍結(jié)。此外,不同性質(zhì)的土凍結(jié)過程的溫度變化規(guī)律也不相同[13],而關(guān)于杭州地區(qū)淤泥質(zhì)黏土地層凍結(jié)法施工測點溫度變化規(guī)律的相關(guān)研究較為缺乏。因此我們依托杭州市軌道交通5號線16標段江南大道站至江虹路西站區(qū)間段內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工項目,進行現(xiàn)場凍結(jié)試驗,研究在杭州淤泥質(zhì)黏土地層中地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的測點溫度變化規(guī)律及凍土帷幕厚度,從而為分析凍土帷幕性狀及類似工程提供參考。

1 試驗方案

1.1 工程概況及地質(zhì)條件

杭州市軌道交通5號線16標段江南大道站至江虹路西站區(qū)間段聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工項目位于濱安路上,通道主體部分主要位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層,凍結(jié)加固區(qū)土層基本物理參數(shù)見表1,加固區(qū)位置及地層信息如圖1所示。

表1 凍結(jié)加固區(qū)土層基本物理參數(shù)

圖1 凍結(jié)加固區(qū)位置及地層

1.2 試驗方案

凍土帷幕設(shè)計厚度為2 m,由于地表為城市道路,為減少對交通的影響,采用水平凍結(jié)法進行凍結(jié)。凍結(jié)管共77根(編號為D),選用20#低碳鋼無縫鋼管;測溫管共7根(編號為C),選用Φ32 mm、δ3 mm鋼管,管內(nèi)等間距布置3個測溫點,用以監(jiān)測凍結(jié)過程的土體溫度,采樣時間間隔為24 h。其中,測溫管C1、C2、C3、C5、C6、C7位于④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,C4位于⑥1淤泥質(zhì)黏土夾粉土層;C1、C2、C3、C4位于隧道左線,C5、C6、C7位于隧道右線。凍結(jié)管參數(shù)見表2,凍結(jié)管及測溫管布置如圖2所示。

圖2 凍結(jié)管及測溫管布置(單位:mm)

表2 凍結(jié)管參數(shù)匯總表

土體凍結(jié)的冷量來自凍結(jié)管,在其他條件相同的情況下,測點與凍結(jié)管的距離對溫度也有一定的影響。為控制距離變量,將測溫管按與凍結(jié)管距離的遠近進行分組,距凍結(jié)管1 m有C2、C3、C6、C7等測點,距凍結(jié)管約0.5 m有C1、C4、C5等測點。

2 結(jié)果分析

2.1 鹽水溫度實測分析

本試驗制冷系統(tǒng)于2019年6月21日完成安裝調(diào)試并開機凍結(jié),至2019年7月24日,累計凍結(jié)35 d。鹽水去回路溫度及溫差隨時間的變化如圖3所示。由圖3(a)可知,去回路溫度曲線分為4個階段:1)快速降溫階段。經(jīng)過8 d的凍結(jié),溫度降至-20 ℃左右,平均降溫速率為5.13 ℃/d。2)緩慢降溫階段。用時7 d,平均降溫速率為0.14 ℃/d。在凍結(jié)第15 d,去路溫度為-22 ℃仍未達設(shè)計要求,因此加大制冷機功率以進一步降溫。3)溫度穩(wěn)定階段。這一階段鹽水去路溫度穩(wěn)定在-28 ℃左右,達到設(shè)計要求,平均降溫速率為0.04 ℃/d。由圖3(b)可知,在凍結(jié)期間,去回路溫差總體呈下降趨勢,從2.0 ℃逐漸降至0.9 ℃,說明凍土帷幕形成良好,溫度場趨于穩(wěn)定。

圖3 鹽水去回路溫度及溫差隨時間的變化

2.2 土體溫度實測分析

2.2.1 測點溫度隨時間的變化規(guī)律

凍土帷幕設(shè)計厚度為2 m,因此凍結(jié)管1 m處的土體凍結(jié)狀態(tài)決定了凍土帷幕是否達到設(shè)計厚度。由于凍結(jié)壁內(nèi)外兩側(cè)的擴展速率不同,因此將測溫管C2、C3、C6、C7分為2組,第1組為C3、C6位于凍結(jié)壁內(nèi)側(cè),第2組為C2、C7位于凍結(jié)壁外側(cè),各組測點溫度隨時間的變化見圖4。由圖4可知,地層初始溫度約為22.5 ℃,各測點的曲線變化規(guī)律基本上相似;以測點C3-1及C2-1為例,可將曲線大致分為快速降溫、緩慢降溫、自由水相變、穩(wěn)定降溫4個階段。

圖4 測點溫度隨時間的變化

1)快速降溫階段:此階段共持續(xù)15 d,測點溫度隨時間的推移逐漸降低,第1組和第2組的平均降溫速率均為1.3 ℃/d。由圖3可知,鹽水溫度在這一階段持續(xù)下降,測點溫度是鹽水溫度和時間的雙變量函數(shù),降溫速率較快。

2)緩慢降溫階段:此階段測點溫度隨時間的推移逐漸降低,第1組的平均降溫速率為0.5 ℃/d,第2組為0.6 ℃/d,相比快速降溫階段有所減慢。這主要是由于鹽水溫度維持在-28 ℃不變,測點溫度變成僅與時間相關(guān)的單變量函數(shù)。

3)自由水相變階段:此階段測點起始溫度為0 ℃左右,測點溫度隨時間的推移逐漸降低,第1組和第2組的平均降溫速率均為1.25 ℃/d,相比緩慢降溫階段明顯升高。由于鹽水溫度保持不變,因此,降溫速率升高是由土體本身的熱物理性質(zhì)變化導(dǎo)致的。

4)穩(wěn)定降溫階段:此階段測點溫度隨時間的推移逐漸降低,第1組和第2組在這一階段的平均降溫速率均為0.5 ℃/d,明顯低于自由水相變階段。這主要是由于土中熱負荷降低,凍土帷幕逐漸達平衡態(tài)(熱動態(tài)平衡[14]),溫度場趨于穩(wěn)定,因此測點溫度變化曲線開始收斂,降溫速率變慢。

從整體上看,由于各測點初始溫度不同及凍結(jié)管縱向冷量損失的原因,在快速降溫和緩慢降溫階段,測點間的溫度差距較大,隨著土中熱負荷降低,差距逐漸縮小。每組曲線呈現(xiàn)較強的一致性并向同一狀態(tài)收斂,凍結(jié)35 d后,測點溫度達-5 ℃,此時溫度沒有達到穩(wěn)定狀態(tài),曲線仍呈下降趨勢,說明凍結(jié)壁仍在緩慢發(fā)展。

2.2.2 自由水相態(tài)分析

自由水相態(tài)與土體溫度有關(guān),溫度受比熱C影響,比熱公式如下:

(1)

式(1)中:Q為熱量;m為質(zhì)量;t為變化后的溫度;t0為初始溫度。

由式(1)可知,物體質(zhì)量(m)和單位時間輸入的熱量(Q)保持不變時,比熱降低會導(dǎo)致單位時間內(nèi)溫度變化量(t-t0)增大,即溫度變化率上升。由于比熱為廣延量,土體凍結(jié)前后的比熱變化即為水到冰的比熱變化。水的比熱為4 200 J/(kg·℃),冰的比熱為2 100 J/(kg·℃),所以理論上,土體凍結(jié)后比熱降低(文獻[15]的試驗結(jié)果表明淤泥質(zhì)土凍結(jié)后比熱的確降低了)。

在緩慢降溫和自由水相變階段土體質(zhì)量和鹽水溫度均未發(fā)生變化(即m與Q保持不變),因此測點降溫速率上升的這一現(xiàn)象是由土中自由水比熱降低引起的,而自由水的比熱變化僅在自由水相變時發(fā)生,說明在測點溫度達0 ℃左右時,自由水發(fā)生相變,凍結(jié)成冰。

在土體溫度達到凍結(jié)溫度時,土中自由水發(fā)生相變,凍結(jié)成冰。對于淤泥質(zhì)土的凍結(jié)溫度,文獻[15]的試驗結(jié)果表明,含水率38.6%、密度1.94 g/cm3的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土原狀土的凍結(jié)溫度為-0.36 ℃。由表1可知,其土質(zhì)類型、含水率及密度都與本工程加固區(qū)土體性狀相似,因此本工程土體凍結(jié)溫度應(yīng)為-0.36 ℃左右。由于測溫點并非直接埋置于土中,而是通過測溫管與土體間接接觸,于是存在冷量損失,因此自由水相變時測點溫度約為0 ℃,略高于土體凍結(jié)溫度-0.36 ℃,屬于正?，F(xiàn)象。

綜上所述,土中自由水在快速降溫及緩慢降溫階段為液態(tài);在自由水相變及穩(wěn)定降溫階段為固態(tài),由于黏土凍結(jié)主要以自由水凍結(jié)為主[16],故可認為此時土體已經(jīng)凍結(jié)。

3 結(jié) 論

本研究結(jié)合實際工程進行了現(xiàn)場凍結(jié)試驗,通過分析凍結(jié)過程的鹽水去回路溫度及測點溫度,探討了測點溫度的變化規(guī)律、土體凍結(jié)狀態(tài)及凍土帷幕厚度,得到如下結(jié)論:

1)凍結(jié)期間,鹽水去回路溫差逐漸從2 ℃降至0.9 ℃,凍土帷幕形成良好,溫度場趨于穩(wěn)定;

2)杭州市淤泥質(zhì)黏土地層在凍結(jié)作用下,距凍結(jié)管1 m處的測點溫度變化曲線可大致分為快速降溫、緩慢降溫、自由水相變、穩(wěn)定降溫4個階段,受鹽水溫度及土中自由水相態(tài)的影響,在各個階段凍結(jié)壁內(nèi)外兩側(cè)的測點平均降溫速率不同;

3)土中自由水在快速降溫和緩慢降溫階段為液態(tài),在自由水相變和穩(wěn)定降溫階段為固態(tài);

4)在累計凍結(jié)35 d后,凍結(jié)管1 m處的測點均已達到穩(wěn)定降溫階段,土體凍結(jié),凍土帷幕達到設(shè)計厚度2 m,滿足設(shè)計要求;

5)試驗結(jié)果驗證了凍結(jié)法在杭州淤泥質(zhì)黏土地層加固中的可行性,可為凍土帷幕性狀分析及類似工程應(yīng)用提供參考。