佛山地区典型土层冻胀特性及热力耦合计算

侯蓓蓓 ,郑 军 ,郭书刚

(1.中建一局集团第五建筑有限公司,北京 100010;2.中煤光华地质工程有限公司,河北 邯郸 056004)

0 引 言

人工冻结法是一种利用人工制冷技术使土体降温,土体中的水结冰后与土体胶结形成具有较高强度的冻土体,继而在冻土体的保护下进行地下工程施工的技术。冻结法具有安全性高、适用范围广、对周边环境影响小等优点,目前已广泛应用于煤矿井筒、地铁联络通道、进出洞等施工过程中。但冻结过程会出现土体的冻胀、融沉现象,进而对地下及地表建(构)筑物、隧道、管线等产生危害。城市地铁多采用浅埋隧道,因此,较多项目需要使用人工冻结法,对冻胀、融沉引起的土层变形尤其敏感。近年来,因冻结法方案设计不科学或现场施工控制不当造成冻胀、融沉变形过大而引发的工程事故屡见不鲜[1-3]。

目前,关于冻土冻胀融沉的研究已取得一定的成果。国内外学者从微观角度对冻胀、融沉机制进行了较为深入的研究,并取得了显著的成果[4-8]。魏厚振等[9]以饱和粉土为研究对象,进行冻结试验,探究了冻结过程中冻胀形成的影响因素;于琳琳[10]对粉质黏土进行冻胀试验,探究了温度场、温度梯度、冻结锋面、含水率及干密度等因素对冻胀的影响;陈爱军等[11]以重塑黏土为研究对象,通过冻结试验探讨了水分迁移与冻胀的影响因素,干密度和含冰量是影响冻土融沉的主要因素,冻土的干密度较大,融沉系数则较小,含冰量大则冻土融化后的沉降量大[12];潘鹏等[13]以宁夏饱和黄土为研究对象,通过冻融试验,探究了其冻胀、融沉与不同补水条件的关系;研究表明冰含量、冻结速率和冷端温度也是影响冻胀压力的重要因素[14-16]。关于土体冻胀融沉数值计算方面,国内外学者也做了许多研究并取得了显著的成果[17-20]。

广东佛山地区的地质条件和气候环境有其特殊性,海陆交互沉积、地层复杂多变、地下水温高、地下水流速大。因此,以佛山某区间联络通道处的代表土体为研究对象,进行了不同条件下的冻胀试验和热力耦合分析,并提出控制冻胀融沉的技术措施,可为该地区在进行人工冻结法施工时提供依据。

1 工程实例

佛山某区间联络通道及泵房中心距为13.010 m,左线隧道中心地面标高为-26.887 m,右线隧道中心地面标高为-26.892 m,联络通道及泵房所处位置地面标高约为左线+2.83 m,右线+2.81 m。联络通道及泵房隧道中心埋深为29.817 m,由于埋深较深,设计冻结壁厚度为2.4 m,冻结帷幕平均温度为≤-10 ℃。佛山市地处亚热带气候区,气温高,年平均气温达到22.1 ℃,7 月最热,平均28.8 ℃。根据勘察报告,得知地表以下1.0 m 处地温测量成果为26.6～27.2 ℃。

联络通道及泵房冻结壁设计如图1所示。联络通道及泵房全断面位于中粗砂、粉质黏土、淤泥质土、粉细砂、强风化含砾砂岩中。取该地区较为典型的中粗砂、粉质黏土、粉细砂为研究对象,探究其冻胀特性,其土体基本物理参数如表1所示,土体热物理参数如表2所示。

表1 试验土样物理参数

表2 土体主要热物理参数

2 冻胀试验

2.1 试验简介

单向冻胀试验在无水源补给的封闭条件下进行,试验严格按照中华人民共和国煤炭行业标准《土壤冻胀试验方法》(MT/T593.2—2011)执行,分别测定试样的冻胀率和冻胀力。采用XT5405B型冻胀仪测定冻胀率和融沉率,采用XT5405C型冻胀仪测定冻胀力。两套冻胀试验仪可根据试验需要,设置不同的冷板温度,测试不同负温等级下冻胀性能,试验设备如图2。

图2 冻胀仪及内部试样测试

试验在无水源补给条件下进行,采用单向冻结。将高径比为0.5的试样放在冷板上,套上有机玻璃筒,限制其径向变形,试样上放置暖板,开启冷、热源,同时记录试样高度变化,直至试样高度变化值≤0.01 mm/h,结束冻胀率试验。此外,在轴向增加变形约束的情况下,可以测得试样冻胀产生的冻胀力。

对联络通道及泵房所处地层土体进行冻胀试验,根据试验内容对中粗砂、粉质黏土、粉细砂土体进行3个温度等级冻胀试验,测定其冻胀率和冻胀力。

2.2 试验结果

不同土体在不同温度下的冻胀率试验曲线见图3～图5,冻胀率、融沉率试验结果见表3所示。

表3 土体冻胀率、融沉率试验结果

图3 中粗砂在不同温度下的冻胀率试验曲线

图4 粉细砂在不同温度下的冻胀率试验曲线

图5 粉质黏土在不同温度下的冻胀率试验曲线

不同土体在不同温度下的冻胀力试验曲线见图6～图8,冻胀力试验结果见表4所示。

表4 土体冻胀力试验结果

图6 中粗砂在不同温度下的冻胀力试验曲线

图7 粉细砂在不同温度下的冻胀力试验曲线

图8 粉质黏土在不同温度下的冻胀力试验曲线

联络通道及泵站所处地层土体均具有较强的冻胀性,且冻胀率和冻胀力受负温影响显著,较低温度下(-10℃、-15℃)的冻胀率和冻胀率较大,较高负温下(-5℃)的冻胀率和冻胀力相对较小。

3 热力耦合数值计算

3.1 ANSYS温度场计算

以联络通道中部处截面为计算模型,模型尺寸与实际尺寸相同,模型外边界取4倍冻结壁厚度,计算采用plane55 单元,计算模型如图9 所示。初始地温取27.2 ℃,积极冻结时间为50 d,数值计算中,冻结孔降温曲线与现场冻结盐水降温曲线一致,如图10所示。

图9 计算模型

图10 冻结盐水降温曲线

3.2 热力耦合计算

首先,进行热分析有限元模型与结构分析有限元模型的转换,将热分析有限元单元通过软件内置程序对应转换成结构分析单元;其次,定义材料的力学性能参数;再者,将热分析计算得到的热载荷值施加到对应结构上,并根据结构分析要求,定义结构计算的边界条件;最后,进行结构计算分析,得到热载荷条件下对应的应力计算结果,同时进行后处理。

3.3 计算结果及分析

以冻结50 d时土体的温度场为载荷,计算模型的冻胀变形量、冻结帷幕的冻胀应力及变形。冻结50 d时土体的温度场如图11所示,热力耦合计算得到的结果如图12～图15所示。

图11 温度场分布

图12 模型的冻胀变形

图13 冻结帷幕的冻胀变形

图14 冻结帷幕第一主应力

图15 冻结帷幕第三主应力

由以上计算结果云图可以得到:计算模型由冻胀引起的最大变形量发生在联络通道泵房位置正上方地面处,变形量约为2 cm,冻结帷幕由冻胀引起的最大变形量为1.75 cm,同时冻结帷幕由于冻胀力而产生的第一主应力最大值为0.55 MPa,第三主应力最大值为1.05 MPa。

第一主应力为弯拉应力,最大发生在冻结帷幕与联络通道交接面,而冻结帷幕其余部分则较小;第三主应力为压应力,整个冻结帷幕均匀分布,表示该冻结帷幕受力均匀。计算得到冻胀引起的联络通道所处位置竖直向上的地面处最大变形量约为2 cm,现场实际监测此处地面的最大变形量为2.1 cm,与计算值接近。表明所构建的冻结帷幕热力耦合计算模型具有较高的可靠性,可以为本工程及类似冻结工程提供计算依据,增加其安全性。

4 地层冻胀和融沉控制措施

地层冻胀控制措施:首先,可以采用加快冻结速率的方法以减少冻胀变形。其次,在冻结壁内侧的待开挖联络通道土体中布设泄压孔,泄压孔采用与冻结管相同的钢管,并制作成花管。泄压孔顶端安装压力表,根据压力变化情况,通过打开阀门释放内部压力,泄压孔最大压力控制在0.4 MPa以下,进而有效地减小冻胀压力。

地层融沉控制措施:冻土融化后,体积减小,同时,自由水流失等会使地层出现融沉现象。为了防范较大融沉对地面的影响,采用在联络通道周围结构及土体中预埋注浆管,根据实时变形监测情况进行对应的跟踪补偿注浆,以减轻融沉的影响。

5 结 论

为探究冻结过程中冻土的冻胀机理,通过人工冻土冻胀试验,获得佛山地区不同土体在不同温度下的冻胀率、融沉率、冻胀力等试验结果。并利用ANSYS有限元计算软件,进行热力耦合分析计算,以探讨冻结土体的冻胀规律。

(1)不同土体的冻胀率、融沉率会有不同,有些还差距较大,如-10 ℃下,中粗砂、粉细砂、粉质黏土的冻胀率分别为5.43%～6.85%、7.65%～8.76%、11.71%～11.96%,中粗砂冻胀率最小,粉质黏土冻胀率最大,粉质黏土冻胀率近乎为中粗砂冻胀率的2倍,它们的融沉率也有类似规律。

(2)联络通道及泵站所处地层土体均具有较强的冻胀性,且冻胀率和冻胀力受负温影响显著,较低温度下(-10 ℃、-15 ℃)的冻胀率和冻胀力较大,较高负温下(-5 ℃)的冻胀率和冻胀力相对较小。

(3)通过热力耦合计算可以得到,计算模型由冻胀而产生的第一主应力最大值为0.55 MPa,第三主应力最大值为1.05 MPa;计算得到冻胀引起的联络通道泵房位置正上方的地面处最大变形量约为2 cm,现场实际监测此处地面的最大变形量为2.1 cm,与计算值接近。表明所构建的冻结帷幕热力耦合计算模型具有较高的可靠性,可以为本工程及类似冻结工程提供计算依据,增加其安全性。