孔隙水含盐量对上海饱和软黏土冻融特性的影响

2021-06-24周洁李泽垚

铁道科学与工程学报 2021年5期

周洁，李泽垚

(1.同济大学土木工程学院，上海 200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 20092)

在我国建设地铁、隧道的过程中，人工冻结法是针对广大沿海地区软黏土地层进行加固的一种常见有效工法。近年来人工地层冻结法已经应用于过江、过海隧道的修建中，如港珠澳大桥珠海连接线、上海沿江通道越江隧道(在建)等。这些过江、过海隧道大多建设于河流入海口区域，土层中含有大量的盐分，与以往内陆的淡水冻结具有很大的不同。我国主要河口地区盐度分布如表1所示。上海市绝大多数隧道埋设于第④层淤泥质黏土中。受长江水文、黄浦江水文、东海海流与潮汐、季节性降雨等因素的影响，该层淤泥质黏土的孔隙水含盐量将随工程位置、季节、天气等因素[1]的不同而发生变化。具有高灵敏性的淤泥质黏土孔隙水含盐量的不同，将会给冻结软黏土的物理力学特性带来较大影响[2]。针对冻结含盐土特性的研究，HIVON 等[3]对砂土、粉土、黏土进行了不同含盐量下的无侧限抗压强度试验，分析了不同土质下冻土脆性变形及塑性变形的表现形式，归纳分析了未冻水、试验温度、含盐量对含盐冻土的无侧限抗压强度的影响。ZHANG 等[4]针对冻融含盐粉土的抗剪强度进行了试验，结果表明含盐粉土的抗剪强度随含盐量的增高而略微降低。ZHAO 等[5]研究了荷载下冷冻硫酸盐粉土力学特征，并建立了各向异性边界面弹塑性本构模型。ZHANG 等[6]在结晶动力学上，研究了饱和冻结硫酸盐盐渍土水热盐力学的相互作用。慈军等[7]对罗布泊地区的天然含盐土的冻胀规律进行了研究。徐湘田等[8]对不同围压下的含硫酸钠盐的冻结粉砂进行三轴压缩试验。得到了含硫酸钠冻结粉砂的强度随围压的增大先增大后降低的规律。高娟等[9]对冻结盐渍土三轴剪切试验过程中的损伤及压融特点进行了分析，结果表明在三轴剪切中损伤变量随静水压力的变化而改变。可以看出目前国内外关于含盐冻土特性的研究主要是针对非饱和的盐渍土、针对粉土与砂土的研究。针对具有高冻融敏感性的饱和软黏土的物理力学特性影响的研究相对较少。软黏土的冻结特性将会直接影响到人工地层冻结法施工时的隧道沉降、地表变形、冻结施工完成后的注浆需求等。研究孔隙水含盐量对软黏土冻结特性的影响有助于过江、过海隧道冻结施工安全控制，以及周围环境的治理。

表1 河口三角洲地区滨海盐度Table 1 Coastal salinity in the estuary delta

1 试验土体

沿江地区的软黏土为饱和土，土体含盐量的变化与孔隙水含盐量具有相关关系[1]。饱和软黏土中的可溶盐大多以离子的形式赋存于孔隙水中。土体含盐量的变化主要是因为长江水或海水改变了软黏土土体孔隙水中的含盐量。本文选取软黏土孔隙水含盐量为研究自变量。本文立足于人工地层冻结法，冻结工程施工时土体只需冻结一次，故不考虑冻融循环。

试验所用的土样为上海浦东区长江隧道附近的第4层淤泥质黏土。该土层为滨海−浅海相沉积，是一种含水率高、孔隙率大、压缩性高、强度低、灵敏度高的饱和软黏土土层。对深度为10.0 m 钻孔内土体的孔隙水进行多次采样，使用简分析法对土体孔隙水中离子的含量进行检测，结果如表2；明显看出Na+和Cl−是软黏土孔隙水所含离子中最主要的种类，成分种类与海盐成分相似。软黏土的物理力学特性如表3所示。

表2 孔隙水离子含量的测定结果Table 2 Measurement results of ion content in pore water

表3 软黏土物理力学参数Table 3 Physical parameters of soft clay

试验首先使用去离子水对原状土进行反复洗盐，使滤液的电导率＜300 μS/cm(GB/T50123—2019，土工试验方法标准)。将土样晒干并粉碎后，使用0.5 mm 的分析筛进行分筛。由于上海市第4层淤泥质黏土孔隙水含盐量普遍介于0.6%～4.1%[10]，故本次试验选取0.00%，1.25%，2.50%，3.75%和5.00% 5 种不同浓度的盐溶液(海盐成分：92.2% 的NaCl，2.3% 的CaCl2，2.3% 的MgCl2，2.0%的Na2SO4，1.2%的NaHCO3)对土样进行重塑。采用分层击实法在相应模具中对软黏土进行击实重塑，制样结束后密封静置3 d。重塑土的含水率与上海市第4 层软黏土平均含水率大致相同，为50.1%。

2 试验方法

2.1 软黏土的单向冻融试验

地铁联络通道的冻结工程，是由成排的冻结管冻结施工所完成的。冻结开始后，随着时间的推移，冻结锋面从冻结管附近逐渐向四周推移，最终形成冻结帷幕。成排的冻结管冻结土体的过程可以整体概化为一个一维的单向冻结的过程。冻结过程的概化如图1所示。使用单向冻结法对含盐冻土进行研究，不仅能更有效的模拟人工地层冻结法在现场施工时的冻结过程，这有利于研究实际冻结过程中的水分、盐分迁移规律；还能较准确的测量现场冻结土的平均冻胀率、融沉系数。地铁联络通道的人工地层冻结法的研究中，单向冻结相较于其他冻结方式，具有更明显的优势。

图1 工程概化图Fig.1 Engineering generalization drawing

本次试验使用自行设计的一套单向冻结仪对软黏土进行单向冻融试验。试验装置如图2 所示；该冻结仪由冻结器、试样筒、反力架、低温冷冻液循环泵、温度传感器、位移传感器构成。试样筒直径100 mm，高50 mm。对于低渗透性的软黏土来说，在冻结施工的期间内，外界水分的补给量十分微小，因此软黏土的冻结试验一般采用非开放式冻结系统[11]。根据实际冻结施工中冻结壁温度分布[11]特征，试验设计冷却端的温度为−20 ℃。开启低温循环泵给装置底部通入−20 ℃的低温液后，土样开始冻结。当土样温度不再下降后，稳定冻结5 h。然后关闭冻结系统让土样在18 ℃室温下自然解冻，直至土体恢复至18 ℃。这一温度与上海市地温基本相同。

图2 冻结装置Fig.2 Freezing device

另取一组土样进行冻结，冻结稳定后土体不进行融化。使用岩石切割机在冻结方向上切割成为厚度为1 cm 的5个碎块，每个碎块分成3份使用铝盒烘干法测定其含水率。然后将已烘干的土样进行研磨，要能通过0.5 mm 孔径的试验筛。准确称取20g的已烘干试样，放置于锥形瓶中并加入100 mL 水，封闭瓶口剧烈震荡10 min 后，进行干过滤，并使用电位滴定法测定滤液的含盐率[10]。

2.2 冻结土的单轴抗压试验

取5 个直径为50 mm，高为100 mm 的空心圆柱模具，将配好的不同孔隙水含盐量的重塑土填筑入空心圆柱模具。在试样筒四周包裹一层保鲜膜，防止在冰箱冻结期间散失水分。之后将试样筒放置温度设置为−20 ℃的DW−40 型低温试验箱中冻结48 h。冻结完成后，将试样放置于带有保温设施的电子万能试验机上进行单轴抗压试验[14]。试验完成后将5组试验数据进行整理。

3 软黏土的冻融试验结果及分析

3.1 冻结土体的传热特性

如图1所示，试样筒中心位置自冻结端向上每隔1 cm 埋设T1−T5 共计5 个温度传感器，用于对土体温度的监测。冻结作用下不同孔隙水含盐量软黏土温度变化趋势基本一致，孔隙水含盐量为3.75%的土体试样冻结温度变化曲线如图3 所示，土体冻结融化的过程大致分为温度下降、冻结稳定和温度回升3个阶段。

图3 试样温度变化曲线(3.75%)Fig.3 Temperature change curves(3.75%)

当冻结开始后，土体温度快速下降，且温度下降速率越来越慢，当温度缓慢降低到某一温度值时，便长时间处于稳定状态。冻结结束后，土体开始吸热，温度先是快速升至−1 ℃左右，受相变吸热的影响，温度会在−1 ℃附近维持一段时间，然后再次快速升高。当快到与环境温度相同时，升温速度又降缓，最终温度回升至18 ℃。

为研究不同孔隙水含盐量的冻结土体的传热特性，分别选取不同孔隙水含盐量冻结土体温度稳定阶段平均温度进行分析。最上层的土体温度在0 ℃左右，其余传感器位置的土体完全处0 ℃以下；T1～T5 传感器监测不同孔隙水含盐量冻结稳定阶段温度监测结果如图4。可以看出，在不排除系统误差的情况下，冻结稳定阶段不同孔隙水含盐量的温度变化幅度一般不超过1.3%，相对较小。故孔隙水含盐量对冻结土体的热力学性质不具有较大影响。实际冻结工程中，含盐量高的软黏土冻结帷幕温度分布特性与淡水冻结温度分布特性区别不大。

图4 冻结稳定阶段温度监测结果Fig.4 Results of temperature monitoring during freezing stabilization

在冻结初始温度、稳定温度大致相同的情况下，土体达到温度稳定所需的时间可以反映温度降低的速率，土体降温至稳定所需时间如表4 所示，可以看出，不同含盐量冻结至稳定所需时间大致相同，误差不超过1.5%。温度降低速率大致相同。

表4 温度降低至稳定所需时间表Table 4 Temperature decrease time

从试验温度测试结果上看，不同孔隙水含盐量的软黏土冻结过程中的温度变化速率基本相同，冻结稳定时温度分布特性基本一致，可以说明在孔隙水含盐量在5%以内时，盐分不能对土体的导热特性产生明显的影响作用。

研究表明[12]，土体导热特性与土体的三相组成及构造、土体各相的物理性质相关。重塑对比试验(见第5 章)说明软黏土的盐分变化大多是离子含量的变化，对土颗粒的性质影响较小。孔隙水中离子的变化，不能明显地改变土体土体的三相组成比及构造，特别是对饱和土体导热特性占最主导地位的土颗粒骨架(固相)的影响不大。低含盐量的溶液导热性受盐分影响也较小，这也说明孔隙水含盐量在5%以内时，盐分对未冻结软黏土导热性质影响较小。当软黏土冻结后，土体中出现冰相，盐分虽然会致使冻结土中的未冻结水含量略微增大[2]，从而影响冻结土的构造。但在孔隙水含盐量5%这个低含盐量的范围内，未冻水含量变化依然相对有限。对导热特性起最主要作用的固相(土颗粒、孔隙冰)的影响程度依然十分微小。从而说明盐分对冻结土导热性质的影响也较小。这也就解释了盐分不对土体温度变化产生影响的试验现象产生的原因。根据前人对上海软黏土导热特性的试验研究结果[13]，未冻结软黏土的导热系数为0.95 W/(m∙K)；冻结软黏土的导热系数为2.34 W/(m∙K)。

3.2 冻胀与融沉

人工地层冻结法应用于软黏土层时，土体冻结会产生较大的冻胀，融化又会造成大量的沉降。冻胀会对隧道管片产生巨大的压力从而带来安全隐患，同时还会造成地表隆起、隧道变形的不良影响；融沉又会带来地表塌陷、隧道沉降等问题。软黏土的冻胀融沉特性对施工安全控制十分重要。试验筒顶杆链接的位移传感器监测到了不同孔隙水含盐量软黏土冻融位移变化曲线如图5所示。

图5 位移变化曲线Fig.5 Displacement curves

冻结阶段冻胀随时间增长曲线大致呈现S 型，增长速率先增大后减小。产生这种现象的原因为，试样底部的土快速下降到冰点，产生冻胀，从而致使试样整体呈现膨胀的趋势。初始阶段试样筒中含有大量未冻结土，随着温度的降低未冻土会出现冷缩现象，同时已冻结土的膨胀也会致使未冻结土压缩。未冻结土的冷缩、压缩在一定程度上抑制了土样的整体膨胀。随这冻结锋面的扩展，未冻结土的厚度将急剧降低，从而降低了未冻结土的冷缩、压缩的程度，致使土样呈现膨胀速率越来越快的现象。伴随着冻结的进行，温度下降速率越来越低。渐渐地，温度下降速率将成为主要因素影响土样的整体膨胀，土样整体膨胀将速率随其逐渐降低。最终使冻胀曲线呈现S型特征。

当试样温度大致稳定不再下降时(约试验开始后9 h)，土体冻胀位移也大致稳定，进入一个相对稳定的阶段。当土体开始融化后，土体立刻出现沉降。土体融沉大致分为2个阶段，首先是快速沉降阶段，该阶段土体融沉速率快，主要是孔隙水相变体积减小所致；其次是缓慢沉降阶段，该阶段沉降速率很小，并随时间的变化而越来越小。这个阶段是土体在重力的作用下固结所致[14]。

冻胀率是土体最大冻胀量与冻结前土体的高度之比(MTMT/T 593.6−200，人工冻土物理力学性能试验)，即：

式中：η为冻胀率，%；Δh为冻胀量，mm，H为冻结前土样高度，mm。

不同孔隙水含盐量土体的冻胀率，结果如图6。

图6 软黏土冻胀率测定结果Fig.6 Frost heave test results

结果表明，随着孔隙水含盐量的增加，土体冻胀率呈现出降低的趋势。降低的速率随含盐量的增高而降低。这将会减小冻胀对隧道管片的压力，减小隧道变形；同时也会减小地表变形。

产生这种现象的原因为：盐分可以降低溶液的冰点，含盐量越高的溶液越难被冻结。冻结过程中，当孔隙水中的水分子被冻结后，盐分被保留了下来。这就致使被冻结水分子周围未冻孔隙中的未冻水含盐量升高，从而抑制了未冻水的进一步冻结。相同条件下孔隙水含盐量高的土体含有更多的未冻结水[2]。盐分减小了被冻结孔隙水的量，也就减小了土体整体的冻胀率。

土体融沉系数为冻结土融化所产生的沉降量与融化前土体试样高度的比(MTMT/T593.6−200,人工冻土物理力学性能试验)，即：

其中：δ为土体的融沉系数，%；h1为融化前土体样的高度，mm；h2为融化后土体样的高度，mm。

不同孔隙水含盐量软黏土的融沉系数测定结果如图7所示：试验结果表明，随着孔隙水含盐量的增加，土体融沉系数呈现出降低的趋势。

图7 软黏土融沉系数测定结果Fig.7 Thaw settlement coefficient test results

产生这种现象的原因为软黏土的冻结过程极大程度上破坏了原土体的内部结构[3]。当土体孔隙水含盐量增加时，土体中含有的盐分可以致使冻结土中含有更多的未冻水。这就削减了孔隙水相变时其对土体结构的破坏程度，从而致使孔隙水含盐量更高的土体在融化时保留更多的土体结构性，从而减小了土体的融沉系数。

在人工地层冻结法实际施工中，冻结施工结束，土体就开始融沉。为消除融沉对地表、隧道的不利影响，需对软黏土土层进行注浆处理。孔隙水中的盐分削弱了融沉阶段软黏土对隧道、周围环境所带来的影响，减少注浆总量，对工程是有利的。

3.3 水分迁移与盐分迁移

不同孔隙含盐量冻结土体水分子含量测定结果如图8所示。

图8 冻结土水分子含量测定结果Fig.8 Determination of water molecule content in frozen soil

可以看出不论孔隙水含盐量的多少，距离冷端近的部位，水分子含量高。冻结过程中软黏土的水分都具有水分向冷端汇聚的趋势；孔隙水含盐量越高，水分迁移的趋势越弱。这说明孔隙水中的盐分抑制了冻结时的水分迁移。

对于土体的含盐率，可使用式(3)进行计算：

其中：ωs为1 kg 质量未冻结软黏土所含NaCl 的质量，g；m1为溶解剂的质量，g，本次使用100 g 的蒸馏水；m为溶解的烘干土的质量，g。

除去含盐量为0%的试验组，其余组不同位置冻结土含盐质量测定结果如表5 所示。可以看出，同一试样不同位置单位质量冻结软黏土所含盐分的质量变化不大，不能看出盐分具有明显迁移特性。故软黏土的冻结可以致使孔隙水中的水分子迁移，而对孔隙水中的盐分没有明显的效果。

表5 冻结土含盐率测定结果Table 5 Results of determination of salinity in frozen soil

4 冻结软黏土的单轴抗压强度及分析

不同孔隙水含盐量软黏土的单轴抗压试验应力−应变曲线]如图9 所示，冻结软黏土受压破坏过程可大致分为3个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段、受压破坏阶段。刚开始施加压力后，应变随应力呈线性增长，冻结土体处于弹性应力状态；随后随着应力的增长，应变增长的越来越快，冻结土体产生越来越多的塑性变形，直至达到冻结土体所能承受的最大应力；当应力达到峰值后，便发生衰减。

图9 冻结软黏土的应力−应变曲线Fig.9 Stress-strain curves of frozen soft clay

孔隙水含盐量与冻结软黏土单轴抗压强度的关系如图10，可知冻结土体的单轴抗压强度随孔隙水含盐量的增高而降低。孔隙水含盐量越大，对冻结软黏土单轴抗压强度的影响程度越低。

图10 冻结软黏土的单轴抗压强度试验结果Fig.10 Uniaxial compressive strength test results

人工冻土的弹性模量一般取冻土单轴抗压强度(σs)的一半与其所对应的轴向应变值(ε1/2)的比值。不同孔隙水含盐量下冻结软黏土的弹性模量计算结果如图11 所示，可以看出随着孔隙水含盐量的增大，土体弹性模量也具有降低的特征。

图11 冻结软黏土弹性模量试验结果Fig.11 Test results of elastic modulus of frozen soft clay

造成这种现象的原因为：孔隙水中含有的盐分可以致使冻结软黏土中含有更多的未冻水[2]。更多孔隙中的水不能被冻结作用所冻结，这不仅减少了被冻结冰的质量，同时还削弱了冻结冰的整体性[15]。从而致使冻结软黏土单轴抗压强度和弹性模量均有所降低。

孔隙水中的盐分降低了冻结软黏土的单轴抗压强度与弹性模量。这不仅削弱了软黏土冻结帷幕的承载能力，还增大了因开挖所造成冻结帷幕的变形，为工程带来不利影响。

5 试验合理性分析

受现场取样的限制，大多无法取到同一位置不同含盐量的软黏土原状样，故本文使用配比了不同孔隙水含盐量的重塑土进行冻结试验。为检验配比的重塑土是否能有效的反映原位软黏土的冻结特性，特此配比测定了一组相同孔隙水含盐量的原状土与重塑土的冻结特性，重塑土离子含量测定如表5 所示，冻结特性试验结果如表7 所示。可以看出重塑土各离子含量与原状土含量接近。试验使用密闭静置3 d 的重塑土冻结特性的试验结果与原状土试验测试结果差别较小，一般不超过3.1%。新制、静置3 d 和静置30 d 的重塑土冻结前孔隙水含盐量完全相同，说明短时间内软黏土的盐分都是以离子的形式存在，重塑后土颗粒并不会大量吸收孔隙水中的离子而改变土体性质。对比拟合数据估测值与原状土特性值，误差也相对较小，说明使用静置3 d 的重塑土所得的试验结果与实际情况较为相符。