厦门地区含盐地层冻土力学性能试验研究

苏文德, 周建军

(1. 厦门轨道交通集团有限公司, 福建 厦门　361026； 2. 盾构与掘进技术国家重点实验室, 河南 郑州　450001)



厦门地区含盐地层冻土力学性能试验研究

苏文德1, 周建军2

(1. 厦门轨道交通集团有限公司, 福建 厦门361026； 2. 盾构与掘进技术国家重点实验室, 河南 郑州450001)

摘要：在海底地层中进行冻结法施工时，海水浸渍使地层中的含盐量增加，从而影响到形成冻土帷幕的物理力学性质。为了获得海底含盐地层的冻土物理力学参数，针对厦门地区地铁建设中涉及的含盐地层，从施工现场采集了原装土样，在试验室中完成了原状土及重塑土冻结后的物理力学参数测试，获得了不同地层的单轴抗压强度值。试验结果表明，重塑土样和原状土样的试验过程具有较好的一致性，获得的应力-应变曲线和强度值相差不大。同时，砂性土具有较高的强度和较大的弹性模量，而黏性土的单轴抗压强度相对较低，并呈现出明显的峰值现象。

关键词：含盐地层； 人工冻土； 物理力学性能； 单轴抗压强度

0引言

人工冻结法是通过预先埋置的冻结管将冷量传递到地层中，吸收冻结管周围土体的热量，使土体结冰，以达到加固土体和隔绝地下水目的的一种特殊施工方法，在北京、上海、广州等地的地铁建设中发挥了良好的作用[1]。由于冻结法可适用于任何含水地层，所以在城市地铁、过江隧道、软土深基坑等市政工程施工中遇到复杂的工程地质条件时，人工地层冻结法更能显示出其优越性[2]。

厦门轨道交通2号线一期工程西起芦坑站，止于五缘湾站，其中海沧大道站—东渡路站区间穿越海底，区间隧道联络通道的建设需要穿越砂层，施工时采取冻结法来加固相应地层，可形成良好的封水效果，以隔绝海水与施工环境之间的联系，为后续开挖施工创造条件。由于联络通道位于海底，海水的长期浸润会导致地层含盐量增加，影响到土体的结冰温度及形成冻土的物理力学性质，使冻结法施工、设计与普通地层差别较大，而冻土的物理力学参数又是冻结设计和施工中需要掌握的重点参数，与冻结设计、施工的质量关系密切； 所以，在一个地区进行冻结施工前，都需要针对相关的地层进行专门的物理力学测试，以获得相关参数。

冻土是由各种成分组成的天然多相体系，其基本成分包括固体矿物颗粒、冰、水(包括未冻水和强结合水)和水汽。由于冻土属于流变体，冻土单轴抗压强度是由冰和土颗粒胶结后形成的黏结力和内摩擦力所组成，受到颗粒大小、含水量、含盐量等因素的影响密切。齐吉琳等[3]、姜忠宇等[4]通过试验室内的冻土试验，研究了单轴抗压强度与主要影响因素之间的关系，介绍了冻土试验的基本过程和要求。针对煤矿冻结法施工的特点，戚家忠等[5]、林斌等[6]、郑明等[7]分别研究了祁东矿区和淮南矿区煤矿建设中穿越不同地层时的冻土物理力学性质，获得了相应地层的冻土单轴抗压强度参数。对于城市市政工程中的冻结法应用，汪崇鲜[8]、贺俊等[9]、王星童等[10]进行了上海、苏州、杭州等城市软土地层物理力学参数的测试，获得了隧道联络通道及旁通道冻结设计和施工需要的基本参数。邵晨晨等[11]、李凯等[12]对广州、天津等城市的地层进行了冻土的力学参数测试，研究了不同影响因素下的冻土物理力学参数。另外，张海东等[13-14]、陈文峰[15]对冻土在动荷载下的力学性能开展了相关研究，获得了一些有意义的结论。

从已有的研究来看，目前对地层单轴抗压强度的研究主要针对内陆地区不含盐地层开展，对海底含盐地层的物理力学参数，特别是对含盐地层的原状土样和重塑土样的对比研究开展得较少。厦门地铁2号线作为我国第一个穿越海底的地铁隧道，其联络通道的冻结法是第一次在海底的含盐地层中进行施工，不仅无成熟经验可供参考，而且也缺少相应的设计和施工参数。

本文依托厦门地铁2号线海沧大道站—东渡路站区间隧道联络通道工程，现场取样后在试验室内进行了原状土样和重塑土样的单轴抗压强度测试，获得相关地层的冻土单轴抗压强度参数，可作为冻结工程设计和施工的强度取值依据，也可为类似地层的相关研究提供参考。

1试验过程

1.1现场取样

为了获取施工现场地层的单轴抗压强度指标，选取现场原状土样进行室内试验，测试相关参数。原状土样指土样取出后，其颗粒、含水量、密度、胶结性和结构等物理性能保持不变的土样，由于取样地层位于海底，所以使用驳船从水面进行回转方式钻进，在设计深度处进行原状土的取样工作。

根据土样的性质差别，从不同深度的钻孔土样中选取了4种土层进行试验，试验土层的基本性质见表1。

表1　试验土层基本性质

土样取样后，在现场进行初加工，装入专用试样盒，并用防水胶带密封后再进行蜡封，保证存放过程中水分不损失。密封完成后，将试样盒表面贴上标签，放入专用存放仪器箱，运回试验室进行后续试验。

1.2原状土样的加工

将从现场运回的土样在-30 ℃温度下快速冻结6～8 h，再调整温度到-10 ℃维持24 h后，在负温环境下小心开启原状土包装，辨别土样上下层次，用钢锯平行锯平土样两端。用削土刀、切土盘和切土器将土块修整成形，试验土样规格为φ61.8×125 mm的圆柱体，确保该圆柱体试样的两端平整，其长度尺寸误差不超过1 mm，两端面平行度误差小于0.5 mm，直径误差不超过1 mm。

试样制备过程中，细心观察土样情况，并记录层位、颜色、有无杂质、土质是否均匀和有无裂缝等，制备过程按MT/T593.1《人工冻土物理力学性能试验》的规定进行。制备好的试样密封后在试验温度下保持24 h，使土样温度均匀，供后续试验使用。

1.3重塑土样的制备

重塑土样是指土样取出后经重新制备，其胶结性、密度和结构等物理性能有所改变的土样。利用原状土样加工后的剩余部分，经烘干、破碎、配土、加工成型，保证土样的含水率和密度与原状土相同。重塑土样的制备过程按MT/T593.1的相关规定进行，试验试样的规格为φ61.8×125 mm，保证土样中的最大颗粒粒径小于试样最小尺寸的1/10，同时要求外形尺寸误差小于1.0%，试样两端面平行度不大于0.5 mm。

1.4试验加载过程

试验在带有恒温装置的MTS815材料试验机上进行，试验加载设备见图1。

恒温装置使试验过程的温度稳定在-10 ℃，波动范围不超过±0.2 ℃。试验使用单轴应变速率0.001/s方式进行加载控制，试验过程中严格保证冻土试件轴线与试验机加载轴线重合，避免偏心加载。试验过程中的位移和荷载通过计算机自动采集，当荷载值达到峰值稳定或下降时，再继续增加3%～5%的应变值后停止试验。如果荷载值一直增加，则试验进行到轴向应变大于20%时停止。试验完成后停机卸载取下试样，对试样破坏后的情况进行描述，并采用烘干法对破坏后的试件进行含水率测定。

图1　试验加载设备

2试验结果分析与讨论

2.1原状土样的应力-应变曲线

试验中获得的典型原状土样应力-应变曲线如图2所示。

图2　原状土样的应力-应变曲线

从图2可以看出： 土样的应力-应变曲线可以分为2个主要阶段，即线性增加阶段和稳定阶段。在线性增加阶段，土样的冻土强度随应变的增长而线性增加； 当强度增加到一定数值后，随着冻土试样应变的增加，冻土强度增加幅度变缓或者逐渐减小，表现为强度变化的稳定阶段。从曲线的变化形式来看，仅有砂质黏性土的应力-应变曲线在稳定阶段出现强度下降的趋势，呈现出强度峰值，其他试样在整个加载过程中未出现峰值，强度处于一直增长状态。

从原状土样的强度值来看，黏土质粗砂土样强度最大，而黏土土样的强度最小； 从土样的变形来看，黏土质粗砂土样的强度最早达到稳定阶段，其线性段的土样应变仅为2%左右，而黏土线性段土样的应变达到6%以上。两者差别的主要原因是土样颗粒尺寸大小不同引起的，对于颗粒尺寸较大的砂性土，形成冻土后颗粒之间的滑动较难，所以表现出较大的强度值，而土颗粒之间的滑动小，也使土样的整体应变值较小，所以土样强度大小的排列顺序和土颗粒尺寸大小的顺序是一致的。

一般取应力-应变曲线线性段的斜率作为冻土的弹性模量。从图2可以看出，不同土样弹性模量的大小顺序为黏土质粗砂、砂质黏性土、粉质黏土、黏土，即土颗粒的大小不仅会影响到土样的强度，也会影响到土样的弹性模量。

2.2重塑土样的应力-应变曲线

对于重塑土样，试验过程获得的典型应力-应变曲线如图3所示。

图3　重塑土样的应力-应变曲线

从图3可以看出，重塑土样的应力-应变曲线与原状土样相差不大，仅黏土土样的曲线与原状土存在差别。原因是黏土原状土样中易出现分层、节理甚至微裂缝等缺陷，所以在试验过程中首先是节理和裂缝的闭合，表现出土样出现较大的变形，而缺陷的存在也会使土样强度出现一定程度的降低。相对而言，重塑土样在试验内制备，加工的质量高，形成的试样更均匀，所以强度和弹性模量相对较高。对比图2中的曲线可以看出，原状黏土土样的强度值偏小，且未出现明显的峰值，其原因是原状土样中易出现缺陷，而缺陷的存在会造成冻土强度的降低，所以在试验中对于强度值明显偏小的黏土土样，应做针对性的分析和处理。

与原状土样相类似，从试验结果来说，黏土质粗砂的强度最大，线性段的应变值较小； 而黏土和砂质黏性土的强度相对较小，线性段的应变值较大。

2.3土样的试验强度值

根据获取的试验数据绘制应力-应变曲线，冻土的单轴抗压设计强度一般取应力-应变曲线准线性段的最大值，而试验的应力-应变曲线峰值应力(无峰值时取破坏应变为20%对应的应力值)较设计强度大，一般称之为破坏强度。试验中每个地层进行5个试样的测试，取相差较小的3个强度值的平均值作为试验的强度取值，试验获得的冻土设计强度见表2。

表2　冻土的单轴抗压设计强度值

从表2可以看出，不同地层的原装土样的强度介于2.34～3.37 MPa，其中黏土质粗砂的强度值最大，而黏土的强度值最小，这是由于不同地层土颗粒尺寸的大小差异造成的。一般来说，地层中含砂量的多少也会影响到土样的强度值，含砂量越高，其强度值越大。

比较重塑土样与原状土样的强度值可以看出，重塑土样的强度值较原状土样稍大，其原因是重塑土样在试验室内加工，较高的制备质量可以保证试样的均匀和致密，特别是含水量的均匀性，可以在一定程度上保证冻土的强度。另外，重塑土样存在裂缝等缺陷的可能性小，所以同一地层不同试样之间的强度值相差不大，离散性较小。

2.4重塑土样和原状土样的比较

为了进一步研究重塑土样与原状土样试验结果的差别，取黏土质粗砂和砂质黏性土的试验数据进行分析，试验过程中获得的应力-应变曲线如图4所示。

图4　试样应力-应变曲线比较

Fig. 4Stress-strain comparison and contrast between intact soil samples and the remoulded soil samples

从图4可以看出： 对于黏土质粗砂和砂质黏性土地层，相同土层的原状土样和重塑土样的应力-应变曲线基本一致，其强度值也相差不大，仅在线性段存在少许差别； 比较黏土质粗砂地层的试验曲线，重塑土样线性段的设计强度值稍高，弹性模量较大，在强度变化的稳定阶段两者几乎一致； 对于砂质黏性土来说，重塑土样和原状土样的应力-应变曲线之间的差别与黏土质粗砂基本一致。原状土样和重塑土样应力-应变曲线之间出现差别的原因是重塑土样制备质量高，试验均匀致密，所以强度试验值较大； 而原状土样受到现场取样的影响，试样中可能存在缺陷，这会影响到试样的强度和变形，在试验后期的强度变化稳定阶段，由于压缩作用使原状土样中的缺陷闭合，土样的致密性与重塑土样基本一致，表现为2条应力-应变曲线基本重合。所以，在实际工程中可以用重塑土样来代替现场原状土样进行试验，获得的试验值可以满足设计要求。

3结论和建议

通过现场取样，在试验室内完成了原状土样及重塑土样的冻土力学参数试验，获得了冻土的单轴抗压强度参数，分析了试验过程的应力-应变曲线特点，得到以下结论。

1)厦门地区含盐地层在负温条件下的冻土力学性能得到较大的提高，可以对软土地层起到很好的加固效果。从试验结果来看，黏土质粗砂地层的强度最高，达到3.37 MPa，而黏土地层强度最低，原状土样的强度仅为2.34 MPa。

2)对于黏土质粗砂和砂质黏性土层来说，重塑土样的测试强度值较原状土样稍大，两者应力-应变试验曲线具有很好的一致性，所以，实际工程中可以用重塑土样来代替原状土样进行物理力学参数的试验。

3)土层的强度值、弹性模量及变形量主要受到土颗粒尺寸的影响，较大尺寸砂土颗粒含量的增加会提高土层的强度值和弹性模量，相应地会使土样变形线性段的应变值变小。

本文研究获得的参数可以直接用来指导工程的设计和施工，提高设计和施工质量。由于冻土单轴抗压强度等力学性能指标受多因素的影响，特别是温度的改变影响明显，因此，应进一步开展不同含盐量和温度对地层影响的研究，从而为施工中采取提高强度的针对性措施提供依据。

参考文献(References)：

[1]周晓敏，苏立凡，贺长俊，等.北京地铁隧道水平冻结法施工[J].岩土工程学报，1999,21(3): 319-322.(ZHOU Xiaomin,SU Lifan,HE Changjun,et a1.Horizontal ground freezing method applied to tunneling of Beijing Metro[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1999,21(3): 319-322.(in Chinese))

[2]马巍，吴紫汪，张长庆.冻土的强度与屈服准则[J].自然科学进展，1993，15(1): 129-133.(MA Wei,WU Ziwang,ZHANG Changqing.Strength and yield criteria of frozen soil[J].Progress in Natural Science,1993,15(1): 129-133.(in Chinese))

[3]齐吉琳，马巍.冻土的力学性质及研究现状[J].岩土力学,2010,31(1): 133-143.(QI Jilin,MA Wei.State-of-art of research on mechanical properties of frozen soils[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(1): 133-143.(in Chinese))

[4]姜忠宇，左小晗，黄炜.多年冻土物理特性的试验研究[J].低温建筑技术,2007(5): 100-102.(JIANG Zhongyu,ZUO Xiaohan,HUANG Wei.Experimental study on the physical properties of perennial frozen soil[J].Low Temperature Building Techniques,2007(5): 100-102.(in Chinese))

[5]戚家忠，储党生，韩彦智.祁东矿人工冻土物理力学性能试验研究[J].淮南工业学院学报,1999,19(3): 54-58.(QI Jiazhong,CHU Dangsheng,HAN Yanzhi.Experimental study on physical and mechanical properties of artificial frozen soil of Qidong Mine[J].Journal of Huainan Institute of Technology,1999,19(3): 54-58.(in Chinese))

[6]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,2003,23(4): 389-393.(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,2003,23(4): 389-393.(in Chinese))

[7]郑明，程桦，曹广勇.淮南顾桥矿东风井人工冻土力学性能试验分析[J]. 安徽建筑工业学院学报,2014(22): 92-95.(ZHENG Ming,CHENG Hua,CAO Guangyong.Experimental study on mechanical properties of artificial frozen soil of Dongfeng well of Guqiao Mine in Huainan[J].Journal of Anhui Institute of Architecture and Industry,2014(22): 92-95.(in Chinese))

[8]汪崇鲜.淤泥质冻土的物理力学性能试验研究[J].煤炭科学技术,2000(28): 9-12.(WANG Chongxian.Experimental study on physical and mechanical properties of mucky frozen soil[J].Coal Science and Technology,2000(28): 9-12.(in Chinese))

[9]贺俊，杨平，何文龙.苏州地铁典型土层冻土力学特性研究[J].水文地质工程地质,2010,37(5): 72-76.(HE Jun,YANG Ping,HE Wenlong.Mechanical behavior research of typical frozen soil clay in Suzhou subway[J].Hydrogeology and Engineering Geology,2010, 37(5): 72-

76.(in Chinese))

[10]王星童，赵维刚.杭州地铁冻结工程冻土力学特性试验研究[J].隧道建设,2011,31(3): 315-319.(WANG Xingtong,ZHAO Weigang.Study on mechanical behavior of frozen soil: Case study on Hangzhou Metro[J].Tunnel Construction,2011,31(3): 315-319.(in Chinese))

[11]邵晨晨，岳丰田，张勇，等.广州地铁联络通道冻结工程冻土力学特性试验研究[J].现代隧道技术,2013,50(5): 118-122.(SHAO Chenchen,YUE Fengtian,ZHANG Yong,et a1.Experimental study on the mechanical behavior of artificial frozen soil in the Guangzhou Metro connection passage project[J].Modern Tunnelling Technology,2013,50(5): 118-122.(in Chinese))

[12]李凯,程桦.天津地铁隧道修复工程冻土力学性能试验研究[J].安徽理工大学学报(自然科学版),2013,33(2): 67-70.(LI Kai,CHENG Hua.Experimental research on frozen soil mechanical performance in tunnel restoration project of subway in Tianjin city[J].Journal of Anhui University of Science and Technology(Natural Science),2013,33(2): 67-70.(in Chinese))

[13]张海东，朱志武，刘煦.单轴动态加载下冻土的力学性能实验研究[J].中国测试,2012,38(3): 17-19.(ZHANG Haidong,ZHU Zhiwu,LIU Xu.Study on dynamic mechanical behaviors of frozen soil under uniaxial loading[J].China Measurement and Test,2012,38(3): 17-19.(in Chinese))

[14]张海东,朱志武,宁建国,等.冻土单轴动态加载下的力学性能[J].固体力学学报,2014,35(1): 39-48.(ZHANG Haidong,ZHU Zhiwu,NING Jianguo,et a1.Mechanical behavior of frozen solid under uniaxial dynamic loading[J].Chinese Journal of Solid Mechanics,2014,35(1): 39-48.(in Chinese))

[15]陈文峰. 人工冻土单轴冲击压缩力学性能实验研究[J]. 河南工程学院学报(自然科学版),2012,24(4): 50-53.(CHEN Wenfeng.Study on dynamic compressive mechanical performance for artificial frozen soil in uniaxial shock compression by SHPB experiment[J].Journal of Henan Institute of Engineering(Natural Science),2012,24(4): 50-53.(in Chinese))

我国自主研发的世界最小直径硬岩掘进机成功下线

近日，我国具有自主知识产权的世界最小直径硬岩掘进机在郑州成功下线，标志着我国最小掘进机研制和产业化水平已经达到世界先进水平。

本次下线的硬岩掘进机开挖直径为3.53 m，组装全长达到235 m，是目前我国自主研发制造的世界最小直径硬岩掘进机，由于要在更小的空间布局数百万零件，内部结构更为复杂，设计研发和生产制造难度前所未有。该台硬岩掘进机将应用于黎巴嫩大贝鲁特供水隧道和输送管线建设项目，是为其复杂的地质情况而专门研制的，共计2台掘进机，价值1.2亿元。2台“欧标”掘进机将在郑州进行生产组装，预计于2016年3月交付使用。

(摘自 中国工程机械商贸网 http://www.chinastock.com.cn/yhwz_about.do?docId=5223778&methodCall=getDetailInfo2016-01-26)

Experimental Study on Mechanical Properties of

Salt-bearing Frozen Soil in Xiamen, China

SU Wende1, ZHOU Jianjun2

(1.XiamenRailTransitGroupCo.,Ltd.,Xiamen361026,Fujian,China;

2.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

Abstract:The effect of seawater soakage will increase the salt content of undersea strata and affect the mechanical properties of frozen soil curtain. To acquire the physical and mechanical parameters of frozen soil of salt-bearing strata, some tests are made on the intact salt-bearing soil samples collected from undersea tunnel of Haicangdadao Station-Dongdulu Station section in Xiamen and remoulded soil samples, and the uniaxial compressive strength of frozen soils are gained. The test results show that: 1) The properties of remoulded soil samples and that of intact soil samples are almost the same. The stress-strain curves and strength of remoulded soil samples and that of intact soil samples are almost the same. 2) The sandy soil has large strength and elastic modulus, and the cohesive soil has small uniaxial compressive strength and shows obvious peak value.

Keywords:salt-bearing strata; artificial frozen soil; physical and mechanical properties; uniaxial compressive strength

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)01-0027-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.004

作者简介：第一 苏文德(1973—)，男，福建龙海人，1995年毕业于东南大学，交通工程专业，本科，高级工程师，现从事地下交通工程建设和管理工作。E-mail: 385651779@qq.com。

基金项目：国家863计划项目(2012AA041802, 2012AA041803)

收稿日期：2015-09-30; 修回日期： 2015-11-10