吴 镇， 王 磊， 贾 锋， 何亚梦， 吴 泽

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东 济南 250022；2.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)

人工冻结法将天然地层变成冻土层，可起到临时加固土体、抵抗土层压力、隔绝地下水的作用[1,2]，故在国内外采矿工程、基坑支护、市政工程施工等领域得到广泛应用[3-5]。目前，人工地层冻结技术在渗透系数及渗流速度较小的黏土、粉土地层中应用广泛[6,7]，但其在渗透系数及渗流速度较大的卵石地层中的施工技术及效果仍待进一步研究。

土体冻结后其强度获得提升，人工冻结技术正是充分利用这一特点，来保证各项工程的施工效果。目前国内外学者已对人工冻土的强度特性进行了大量的研究[1,2]，并取得了一定的成果。冻土强度特性提高为工程施工提供了可能性，但伴随土体冻结而产生的冻胀变形及融沉，亦可能对工程施工产生不利影响，甚至酿成重大的安全事故，因而针对人工冻土冻胀变形特性的研究不容忽视[8-10]。

土体的冻胀特性的研究主要基于三种冻胀理论：1961年学者Everett[11]提出了第一冻胀理论即毛细理论，该理论分别对冻胀及冻胀力进行了定量的解释和估计，并将冻土冰透镜体产生的原因归结于冻胀压力和抽吸力[12]。基于第一冻胀理论，第二冻胀理论又称Miller[13]第二冻胀理论或冻结缘理论，它认为土体冻胀的影响因素还包括未冻土的初始水分张力、冰透镜体底部的冻结温度、上覆超载压力、冻结缘厚度、冻结缘的温度梯度等。分凝势表示土体内部水分迁移速度与冻土边缘温度梯度之比，是衡量冻土特征的重要指标，由此衍生出了第三种冻胀理论，即分凝冻胀理论[14]又称吸附力理论。综合上述三种理论研究，针对人工冻土开展的一系列试验研究表明，影响该类土体冻胀特性的因素可概括为以下三个方面：土体特性，如土体构造、颗粒分布、含水量、盐分组成及含量等；冻胀试验装置的相关参数，如装置选材，大小形状，装置与土体产生的冻结摩擦；冻结外界因素，如温度梯度、水分条件、冻结约束力等。

如上文所述，各类土质的冻胀特性呈现较大差异，有关学者已对细粒土不同含盐量及荷载状态下的冻胀变形特性进行了相关研究[15,16]，而对于路基工程中的粗粒土，现如今普遍认为土体中细颗粒含量、黏土矿物含量较多，其冻胀变形特性更为明显[17,18]。随着工程建设的发展，施工地质条件呈现多样性，而天然地层中的砾石土、卵石土的冻胀特性尚不明确，人工冻结技术的应用及优化设计，使探究人工冻结富水卵石土的冻胀特性成为必然之选。

1 试验制备

1.1 试验土质

试验用土选取南宁地铁1号线中涉及到的卵石土层，按照实际地勘资料制作重塑土，其粒径级配累积曲线如图1所示。计算所得卵石土不均匀系数和曲率系数分别为Cu=50、Cc=0.5，为级配不良土质。

1.2 试验方案

冻胀试验通过设计不同含水量、不同冷端冻结温度的卵石土冻结试验组，来了解上述两种因素对该土质土体的冻胀变形产生的影响，并进行内在影响机制及理论分析。试验采用下部单向冻结的方式，分别在含水率为6%、9%、饱和以及补水(9%)的条件下进行冷端冻结温度为-5℃、-10℃的冻胀试验。试验编号采用WnTn的形式，其中W代表土样试验时含水量，W1、W2、W3和W4分别代表6%、9%、饱和含水量以及补水条件；T代表试验时底端冻结温度，T1和T2分别代表-5℃和-10℃。

图1 粒径级配累积曲线

依据上述试验方案可将试验组分为开放式(补水条件下)冻胀和封闭式冻胀。冻胀试验装置包括冻胀试验筒(见图2)，传感器、数据采集装置及制冷水浴循环器。试验装置整体实物见图3和图4。

图2 冻胀试验筒设计图

1.3 过程控制

(1)开放冻胀试验组需先调整马氏瓶，使其与冻胀试验筒连接并达到补水试验的要求。为保证在开放式试验时，水分可以自由补充到试验筒内的土样中，应预先在冻胀筒底部平整的铺上一层滤纸。

(2)按试验设计配置试验用土，准确称量后，分层置入试验桶内制成直径20 cm、高20 cm的圆柱土样。在土样分层放置压实的过程中，将11根温度传感器分别通过冻胀筒外壁孔道插入到土样中，温度传感器探头位于土样中心位置，间隔2 cm。

图3 开放式冻胀实物图 图4 封闭式冻胀实物图

(3)待土样及传感器安放完毕后，为防止水分散失，用塑料薄膜盖住土样上方。将上冷浴盘放入冻胀筒中，并与土样表面良好接触。在冻胀筒外部包裹保温材料，并在上冷浴盘顶部安放位移计以及电磁阀，监测土体冻胀量。

(4)冻胀试验恒温阶段，开启试验箱维持环境温度为+1 ℃，并恒温静置24 h。降温阶段，开启与上、下冷预盘板相连的制冷装置，使土样顶部保持在+1 ℃，土样底部达到设计的温度(下部冻结)，开始冻胀试验。

(5)试验开始后，土样单向冻结48 h，在此期间使用数据采集仪采集温度数据，4 min/次，冻结后，分层取出土样，并测量每一层的含水量变化。

2 温度场变化及水分迁移分析

2.1 土体内部温度场变化

通过土样中埋设的温度传感器监测冻结过程中的土体温度场变化情况，部分试验结果见图5～图7，图中标记距离值为距试样筒底部冷端侧的距离。

(1)试验开始后，除暖端外土体内部各测温点温度迅速下降，近似呈线性发展趋势。试验开始后24 h左右，试样内各测点温度达到稳定，且该温度场分布一直持续到试验结束。

图5 冷端温度为-5℃、含水量为6%时不同测点温度随冻结时间变化曲线

图6 冷端温度为-10℃、含水量为6%时不同测点温度随冻结时间变化曲线

图7 冷端温度为-10℃、含水量为9%时不同测点温度随冻结时间变化曲线

(2)在相同的冷端冻结温度下，9%含水量土样试验组的温度下降趋势小于6%含水量土样试验组，同时开放式冻胀试样的温度下降趋势小于封闭式冻胀试验。由此可知，含水量越高，或有外界补水的条件下，冻结时温度下降越慢，分析其原因：冻结过程中，水-冰相变会释放大量潜热，含水量越高，释放潜热量越大，冻结速率越慢。

2.2 土体水分迁移现象

土体冻结过程中，温度梯度致使土体内部水分发生迁移现象。不同试验条件下，试样土体冻结后含水量与高度关系曲线见图8～图10。由图可知：

(1)土体内部含水量变化可大致分为两类，距冷源较近位置的土体含水量高于初始含水量，距冷源较远位置的土体含水量低于初始含水量。各试验组试样底部的含水量均增加，且开放式试样的含水量增加显著。上述现象表明，温度梯度提供了水分迁移的驱动力，试样土体中的未冻水向冻结区迁移，试样暖端的水分不断向冷端迁移，含水量在冷端增高，在暖端降低，且接近冷源位置的含水量变化更为明显。

图8 冷端温度为-5℃时，含水量与距冷端距离的关系曲线

图9 冷端温度为-10℃时，含水量与距冷端距离的关系曲线

图10 开放式试样补水量随时间变化曲线

(2)同一初始含水量的试验组，冷端温度越低，试样含水量沿高度方向变化的趋势减弱，试样底部含水量增加量减少。且开放试验组中，温度梯度增加，试样补水量相对减少。分析其原因，冷端温度越低，土体内部冻结速率大于水分迁移速率，水分迁移量减少。

3 冻胀变形分析

以冷端温度为-5℃的试验组为例，分析不同含水量条件下，土体冻胀量随时间变化的趋势，见图11。土体冻胀的过程可大致分为四个阶段：冻缩阶段，土体冻胀量为负值，环境温度降低导致土体颗粒收缩；冻胀快速发展阶段，冻结锋面处水分聚集结冰，体积增大，形成冰透镜体；冻胀缓慢发展阶段，土体内冰透镜体继续发展，但自由水含量减少，结冰速率减慢；稳定阶段，冻结锋面基本稳定，冻胀发展基本停止。

图11 冷端温度为-5℃，不同含水量条件下冻胀量随时间的变化曲线

土体冻胀的冻胀率为试样的最大冻胀量与冻结深度(不包含冻胀量)的比值，即η=Δh/hf×100%。式中：η为冻胀率(%)；hf为冻结深度(mm)，即为试样的起始高度去掉恒温中试样的变形量；Δh为最大冻胀量(mm)。各试验组冻胀率统计于表1中。

表1 人工冻结富水卵石土在各试验条件下的冻胀率

各试验条件下的土体冻胀量随时间变化情况，见图12，对比分析可知：

图12 土体冻胀率随时间的变化曲线

(1)在相同的含水量条件下，冷端温度越高，土样冻胀变形越大。试样冷端温度越高，土样两端温度梯度越小，冻结锋面的推进速度较为缓慢，水分在迁移的过程中得以冻结，因而冻胀变形大。

(2)相同冻结温度模式下，含水量越高，冻胀量越大，且开放体系中土样冻胀量显著高于封闭体系。对比图10可知，水分的补给与冻胀过程几乎是同步的，冻结前期，温度梯度驱动水分迁移，试样补水过程中，冻胀也随之不断地发育；当冻胀量发生到某一程度时，虽然冻结锋面仍在继续发展，但是随着土样的冻结，土样内孔隙逐渐减少，补水量显著减少，导致冻胀发展逐渐变缓，甚至停止。

4 结论

(1)含水量越高，冻结时温度下降越慢，且水分补给可有效减慢冻结发展进程。

(2)在冻结过程中，温度梯度使土体中发生水分重分布，试样底部含水量较初始增加较为明显，但温度梯度的加大可在一定程度上削弱水分迁移现象。

(3)封闭系统下，土体的冷端温度越高，冻胀率越大；土体的含水量越高，冻胀率越大。开放系统的冻胀率明显高于封闭系统，外界水分进入并在试样中发生分凝冻胀是富水卵石土样冻胀的主要原因。

(4)对富水卵石地层进行人工冻结法施工时，选择合适的手段，隔绝外部地下水的补给，并且在冻结过程中，选择较低的冻结温度，加快冻结速率，可有效减少冻胀量，减轻冻胀现象产生的危害。