杭州地铁冻结工程冻土力学特性试验研究

王星童，赵维刚

(中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州 221008)

第大助

0 引言

随着城市建设的不断发展，建设工程中人工冻结技术的应用范围正从矿山竖井建设工程扩展到城市土木工程、地铁、输水管道、核废料地下储仓等工程建设中［1］。自1992年起，在上海、广州等城市地下铁道建设中，处理局部特殊地层、泵站与地铁隧道的联络通道、折返线隧道、穿越建筑物或公路的部分等工程采用了人工冻结法［2－3］。冻结工程中，冻土的力学特性是工程成败的关键，其研究显得格外重要。

对于冻土力学特性的研究，国内外的学者做了很多工作。1930年俄罗斯冻土学的开创者崔托维奇在各种不同温度下进行了亚勃土和砂土冻结试验后，得出了随着温度的降低，冻结强度按照非线性规律增大，并逐渐衰减，而且在不同温度下，砂质土和黏性土的冻结强度具有不同比值的特性［4］，之后国外冻土学方面的许多著名学者也进行了这方面的探讨，如Vialov、Ladanyi等。国内学者郑波等［5］曾对广州地铁冻土力学特性进行试验研究，研究结果表明，在相同的土质条件下，温度越低，冻土的单轴抗压强度越高。朱元林［6］对冻结砂土及粉土的无侧限瞬时强度进行了详细的研究，认为抗压强度与应变率(或破坏时间)及温度等因素关系密切，并给出了其之间的定量关系。樊良本等［7］对人工冻结的杭州典型的饱和软土进行单轴抗压强度试验，分析了强度曲线的特征，得到冻结的杭州饱和软土强度随冻结温度、应变速率、土样干密度的变化规律。王春雷等［8］对含盐冻土无侧限抗压强度的试验研究，得出含盐冻土的强度与含水量、冻结温度的关系，初步讨论了盐溶液浓度对冻土强度的影响。林斌等［9］对淮南矿区典型冻土进行了力学特性试验研究，研究表明钙质黏土力学性能最差，冻结黏土的单轴强度、变形模量和蠕变强度均随温度降低而增加，特别是当冻土温度低于－10℃时，冻结黏土强度随温度降低而剧烈增加，但温度的变化对泊松比影响较小。

以上学者做了很多研究，但由于地域土性的差异性，必须通过试验室的精确试验，才能确定描述特定地区冻土强度和变形性质的参数，试验室试验应尽可能模拟在实际冻结工程中起决定作用的荷载、温度和边界条件。本文结合位于杭州地铁1号线滨江站至富春路站区间盾构过江隧道联络通道冻结工程，对其冻结壁设计范围内具有代表性的土质进行了室内冻土试验研究，得到冻土体的无侧限抗压强度以及抗弯强度特性，为冻结工程的设计与施工提供参考依据。

1 原位土体的基本物理性质

试验共取4种位于冻结工程设计范围内具有代表性的土质，从上至下依次为淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉砂、圆砾。无侧限抗压强度试验土体基本物理性质见表1。抗弯强度试验土体基本物理性质见表2。

表1 无侧限抗压强度试验土体基本物理性质Table 1 Physical parameters of soil for unconfined compressive strength test

表2 抗弯强度试验土体基本物理性质Table 2 Physical parameters of soil for bending strength test

2 试样制备及试验设备

2.1 试样制备

2.1.1 土样

土样取自于杭州地铁1号线滨江站至富春路站区间盾构过江隧道联络通道区域。所有试验根据煤炭部行业标准MT/T 593.4—1996《人工冻土物理力学性能试验规程》进行。

2.1.2 无侧限抗压强度冻土体

首先，对拟进行分析测试的土质，通过钻孔采取岩芯，获得尺寸为61.8 mm×125 mm的土样;然后将土样用双层塑料袋包装密封并用报纸包紧，再用胶带捆扎;随后，将捆扎好的土样浸入石蜡中再次密封，并用报纸包裹(防止土样运输过程中颠簸损坏)，装入土样筒内;最后，将土样筒用胶带密封填写土样标签并贴于土样筒上，运回冻土实验室。在实验室根据试验要求，对土样进行修整，并以－10℃恒温保存，制成试验所需的冻土样。

2.1.3 抗弯强度土体

抗弯试验采用重塑土，将各层原位土体按照各自的原位含水量均匀拌合，通过专用制样机压制成尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的长方体试件。在保证试件的制备质量的前提下，用双层塑料薄膜将其包装密封并填写土样标签，并以－10℃恒温保存。

2.2 试验设备

试验采用应变速率控制加载方式，应变速率设定为0.1%/min。试验是在美国制造的MTS810材料试验机上进行的，为保证试验过程中冻土体的－10℃恒温状态，整个实验过程中采用液氮对试验加载箱进行降温。试验系统如图1所示。

图1 试验系统图Fig.1 Test apparatus

3 试验结果分析

试验中每层土制备3个试样，依次编号，并对每层土的3个试样分别进行强度试验，将得到的实验数据取平均值，并绘制相应的曲线图。

3.1 冻土体无侧限抗压强度

3.1.1 试验数据分析

根据以往实验经验，在保证试样破坏的前提下，单个试样的试验时间初定为4 h。试验完毕后，计算出各土层冻土的平均抗压强度和平均破坏应变(见表3)，将得到的试验数据绘制成－10℃条件下冻土无侧限抗压强度应力应变曲线图(见图2)。

表3 冻土无侧限抗压强度测试结果Table 3 Results of unconfined compressive strength test on frozen soil

图2 －10℃条件下冻土无侧限抗压强度应力应变曲线Fig.2 Curves of stress-strain of unconfined compressive strength of frozen soil at－10℃

通过表3中的测试结果可以明显地看出粉砂的抗压强度最大，粉质黏土次之，淤泥质粉质黏土最小。出现这种结果的原因为:

1)根据土力学的知识，淤泥质粉质黏土中的水分主要以结合水的形式存在，加之结合水的冰点较自由水低很多，在－10℃条件下土体中的结合水未冻结，只有自由水达到冰点冻结，土颗粒间的胶结力不强。

2)与淤泥质粉质黏土相比，粉砂的土颗粒粒径较大，土中的水分主要是自由水，能够传递压力，且在0℃以下可以很好地冻结，使土体颗粒间的胶结能力增强，能提高冻土体的抗压能力。

3)对于粉质黏土，其土体颗粒粒径在淤泥质粉质黏土与粉砂之间，土中结合水与自由水的比例相对适中，因而冻土的抗压强度位于淤泥质粉质黏土与粉砂之间。

4)圆砾属于粗颗粒土，比表面积小，土颗粒表面的吸附能力小，含水量较其他3层土小，且土层中的水主要以自由水的形式存在。由于土颗粒粒径较大，进而导致孔隙率较高，冻结后，土颗粒间的冰对颗粒间的黏结作用影响不大，难以抵抗大的竖向压力，因而无侧限抗压强度小。

3.1.2 应力应变曲线分析

从图2可以看出各土层的无侧限抗压强度应力应变关系曲线有很大的不同，淤泥质粉质黏土应力应变曲线属于应变硬化性曲线［5］，粉质黏土、粉砂和圆砾则属于应变软化行曲线。具体土样分析如下:

1)淤泥粉质黏土在加载的初期，随着荷载的不断加大，试样的变形缓慢，初期表现出一定的弹性变形，当应力达到2.5 MPa时曲线出现明显的拐点，此时应变速率急剧增大，试样变形明显，达到峰值后仍保持较大的残余强度，试样表现出塑性破坏或接近塑性破坏的性状，而后有一个微小的应力峰值，随后应力值几乎保持不变。相应条件下杭州淤泥质黏土冻土具有较大的流变性［9］，峰值以后随着应变的增加应力增加和松弛同时发生，且后者占主导地位。当强烈松弛阶段过去以后，随着应变增大，应变硬化又起支配作用，曲线又有一个上翘段。

2)粉质黏土的应力应变曲线比较接近于二次曲线，随着应力荷载的不断加大，试样的应变速率也不断加大，最终破坏应变，无明显的残余强度。

3)粉砂的应力应变曲线表现为线性变化，在达到破坏应变之前应力应变曲线接近于直线，表现出很好的弹性变形，当达到破坏应变时发生脆性破坏，之后应力值急剧减小，无明显的残余强度。

4)对于圆砾，其平均破坏应变是最小的，3个试样的试验数据变化大，可能是受实验条件和试样的制作质量等因素的影响。

3.1.3 实际工程条件下冻土体无侧限抗压强度验证

根据试验土体基本物理参数，利用浅埋洞室的土柱理论进行验算。验算点土层压力

式中:q为验算点土层压力值，N/m2;γi为上覆第i层土的容重，N/m3;Hi为上覆第i层土的高度，m。

将相关参数代入式(1)得到各土层压力值(见表4)。

表4 验算点各土层压力值计算表Table 4 Pressure value of each soil layer at checking points

通过计算所取土样上部土体的水土压力，并与试验得到的各土层－10℃条件下的无侧限抗压强度相比较，各层土体的冻土强度完全可以抵抗上部土体的压力，满足施工要求，为地铁隧道联络通道的顺利施工提供数据支持。

3.2 冻土体抗弯强度

3.2.1 试验数据分析

与无侧限抗压强度相类似，单个试样的试验时间初定为0.5 h，加载方式为3点式，试验机置于－10℃低温环境中。荷载与变形关系曲线的最大截面应力即为抗弯强度，相应的挠度即为破坏挠度。试验结果见表5，将试验数据绘制成－10℃条件下冻土抗弯强度荷载与变形关系图(见图3)。

表5 冻土抗弯强度测试结果Table 5 Results of bending strength test on frozen soil

图3 －10℃条件下冻土抗弯强度荷载与变形关系Fig.3 Relationship between bending strength load and deformation of frozen soil at－10℃

通过表5和图3的试验结果可知:1)冻土的抗弯强度和无侧限抗压强度有所不同，在4种土样中冻结圆砾土样的抗弯强度是最大的，可以达到8.99 MPa，而其破坏挠度却是最小的;2)冻结圆砾土在加载过程中截面应力的增加速度较其他3种土体快，当达到峰值后应力值急剧下降，这说明其截面在受到较大弯矩作用力时，在没有明显变形的情况下发生脆性破坏; 3)当实际工程需穿越圆砾层时，开挖施工过程中需时刻检测冻结圆砾土体的变形和应力分布情况的变化，如出现问题及时采取补救措施，以免造成工程事故; 4)和圆砾土相比，其他3种土样的破坏挠度相当，都有较大的破坏挠度。

3.2.2 荷载与变形关系分析

从图3可以看出:粉质黏土、粉砂和圆砾的曲线的发展的总体趋势相类似，试验的初期阶段应力增长较快，随着荷载的施加，挠度变化速率减慢，在将要达到破坏挠度之前有很长一段时间挠度变化速率接近于0，此时试件截面上的应力得到重分布，使得试件在产生较大挠度情况下仍能有较大的承载力。这种性质能为及时发现问题和发现问题后及时采取补救措施提供时间，在实际工程中有重要意义。

3.2.3 实际工程条件下对冻土体抗弯强度验证

与冻土体无侧限抗压强度的验证计算相似，根据试验土体基本物理参数，利用简支梁受均布荷载作用进行，取联络通道宽度为2 m进行验算。最大应力计算式为:

式中:Mmax为最大弯矩;L为联络通道宽度，取2 m; σmax为最大弯曲应力，MPa;γi为上覆第i层土的容重，N/m3;Hi为上覆第i层土的高度，m;b和h分别为单位宽度和冻结壁平均厚度(沿联络通道纵向取b为1 m，h为2 m)。

表6 验算点各土层最大弯曲应力值计算表Table 6 Maximum bending stress value of each soil layer at checking points

通过验算得知由上覆土层作用产生的最大弯矩应力值远远小于冻结土体的抗弯强度荷载，冻结土体的强度得到很大的提高，足以抵抗上覆土体的荷载作用，实验数据证明冻结法的运用对土体强度的改善效果十分明显。

4 结论与建议

1)在－10℃，当土的含水量为20%～40%时，各土层无侧限抗压强度为2.9～5.9 MPa，抗压强度得到大幅度提高，其中冻结淤泥质粉质黏土的抗压强度是天然软土的近百倍。各土层相比，冻结粉砂的抗压强度最大。在淤泥质粉质黏土层中使用冻结法时，根据工程的实际情况，在保证冻土壁强度的前提下可以适当升高冻结壁温度，以满足经济和工期要求。

2)淤泥质粉质黏土层冻土呈塑性破坏，破坏应变较其他层土大，在实际冻结工程设计与施工中要重视，对淤泥质粉质黏土冻土层进行开挖时要时刻监测冻结壁的位移，做好充分的应急措施，以防冻土壁发生过大变形引发工程事故。

3)在－10℃下，冻结圆砾土的抗弯强度最大，并且破坏挠度最小，淤泥质粉质黏土、粉质黏土和粉砂的破坏挠度相当，圆砾和粉砂的抗弯强度增幅明显，可以达到8 MPa以上，淤泥质粉质黏土和粉质黏土的冻土抗弯强度也可以增强到4.0～5.5 MPa，冻结法对土体强度的改善效果明显。

［1］ 李方政，夏明萍.基于指数积分函数的人工冻土温度场解析研究［J］.东南大学学报:自然科学版，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］ 崔广心.我国人工冻结工程研究现状及展望［C］//第五届全国冰川冻土学大会论文集(下集).兰州:甘肃文化出版社，1996:843－850.

［3］ 虞相，王正廷，苏立讯.我国地层技术的新发展［C］//地层冻结工程技术和应用:中国地层冻结工程40年论文集.北京:中国煤炭工业协会，1995:11－16.

［4］ H A崔托维奇.冻土力学［M］.张长庆，朱元林，译.北京:科学出版社，1985:160－170.

［5］ 郑波，张建明，常小晓，等.广州地铁隧道冻结工程冻土力学特性试验研究［J］.地下空间与工程学报，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.冻结粉砂在常变形速度下的单轴抗压强度［J］.冰川冻土，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，丁伯阳，王纪峰，等.人工冻结的杭州饱和软土的单轴抗压强度特性［J］.浙江工业大学学报，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，谢强，姜崇喜.含盐冻土无侧限抗压强度的试验研究［J］.路基工程，2005(5)，61－63.

［9］ 林斌，汪仁和，谢星，等.淮南矿区典型冻土的力学特性试验研究［J］.西安科技学院学报，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))