黄 俊 汤国毅 严 刚 徐 钰 薛陈军

(江苏南京地质工程勘察院，江苏 南京 210041)

0 引言

近年来，随着地下工程的快速发展，冻结法逐渐被应用于地铁的隧道抢险与修复、车站暗挖、盾构接收与始发端头加固、联络通道施工等工程中[1]。但人工冻结法对周边环境和地层存在着明显的冻胀融沉不良现象[2]，冻胀及融沉量过大或不均匀，会造成邻近建筑物或管线的不均匀沉降与破坏，甚至对工程的安全造成影响。

由于地层的复杂性，人工冻结带来的土体膨胀以及解冻引起的工后沉降控制问题仍未得到很好的解决。本文以常州市轨道交通2号线联络通道冻结法施工涉及的典型土层为研究对象，对不同土层在封闭和开发条件下进行冻胀融沉试验，研究其特性，为今后常州地铁在冻结法的使用过程中提供指导性建议。

1 试验方法

本次试验为解决常州地铁所穿越典型土层人工冻结法设计施工时有关冻胀融沉的参数取值问题，研究了各土层在补水(开放)和不补水(封闭)状态下冻胀融沉特性。

冻胀率试验采用无约束的轴向冻胀实验，即试件可以在轴向自由膨胀。在试验过程中，按规定的时间测量了轴向位移与时间的关系，并得到了最大冻胀量，最大冻胀量与原长的比值就是冻胀率。

融沉试验分为土样融化下沉和压缩沉降两个阶段。融沉是由土样的自重引起的，而压缩沉降与外部压力有关，本次试验主要为土样融化下沉试验部分。本文人工冻土融沉试验是每个土样在冻胀试验后一体完成的，土样在某个负温下完全冻结后自然解冻，采集数据计算冻土融沉系数。

试验步骤主要包括样品制备、样品恒温、样品降温与数据采集、样品融沉4个步骤。

1)样品制备。

直接取出原状土样后，在调好尺寸的削土器上削制成φ80 mm×50 mm规格的样品。

2)样品恒温。

样品置于1 ℃低温柜中，并用3 cm厚泡沫塑料保温包裹在样品筒周围，将7个热电偶插入样品筒侧边小孔内，在样品顶部加上薄滤纸和透水石，确保样品上下两面与装置各部分紧密接触，然后通过加压砝码对样品加压。在开放系统中，两只数显式位移传感器对称安置在试样筒顶端安装架上并记录初始读数，样品在0 ℃环境中恒温12 h。

Study on Targeted Poverty Alleviation Model of Rural Tourism in Deyang City from the Perspective of Integration of Agriculture and Tourism______________________ZHANG Dan,WANG Su 29

3)样品降温与数据采集。

样品在低温环境下恒温12 h，启动温度与位移数据采集系统，计算试样恒温过程中压缩变形量；在开放系统中，当样品首先出现冻结锋面时，进行第一次补水，从而保证在整个试验过程中有充足的供水，并实时监测样品不同深度处的温度和冻胀量。

4)样品融沉。

试样在恒温水循环状态下，进行强制解冻融沉，整个过程中记录试样高度变化量[3]。

本次试验土样取自常州市轨道交通2号线KC2101标段联络通道附近的⑤2层粉砂、⑤3层粉砂夹黏质粉土、⑥2层粉质黏土、⑧1层黏质粉土夹粉质黏土，这4种土层是常州市轨道交通2号线联络通道人工冻结法涉及的典型土层，其土层描述和基本物理参数见表1，表2。

表1 土层描述

表2 土层基本物理参数

2 试验装置

采用冻土实验室冻胀融沉仪进行冻胀融沉一体化试验，仪器内部结构示意及装置见图1。

3 试验结果

(1)

其中，η为冻胀率，%；Δh为冻胀量，mm；Hf为冻结深度，不包括冻胀量，mm；试验中为样品初始高度减恒温过程土体在荷载作用下变形量。

土体融化下沉系数计算见式(2)。

(2)

其中，α0为冻土融沉系数，%；Δh0为冻土融化下沉量,mm；h0为冻土初始高度，为50 mm。

对于每一种土样，通常进行3个样品的冻胀融沉试验。如果测试数据具有较大的离散性，则通过增加样品数量并剔除具有较大离散性的数据。各层土在开放和封闭两种状态下的冻胀率和融沉系数的试验结果和算术平均值如表3所示。

3.1 冻胀率

冻胀的原因是土体冻结过程中水分向冻结区的迁移和积聚。由于土壤中水分为两种：结合水和自由水，当土中温度降至负温时，自由水首先冻结成冰晶。随着温度继续下降，弱结合水的最外层开始冻结，冰晶逐渐扩大，使冰晶周围土颗粒的结合水膜减薄，土粒产生剩余的分子引力[5]。

表3 试验结果

图2～图9分别为各土层在封闭系统和开放系统下冻胀率与时间的变化曲线。通过试验曲线和成果可见砂性土的冻胀率普遍小于黏性土，砂性土的冻胀率为黏性土的1/2～1/3，分析原因是水分迁移特征在不同土质中呈现完全不同的状态。砂性土相对黏性土具有颗粒大、比表面积小、表面能低的性状，因此吸附作用较弱，而且孔隙中主要是毛细水，很难形成薄膜结构。在相同的条件下，毛细水的负压要比薄膜水小得多，因而水分迁移能力较弱，表现出较小的冻胀性[6]。开放系统下，由于外界的水源补给，其水分就会向冻结区不断地迁移聚集，使冰晶体增大，形成冰夹层，土体呈现吸水冻结，其冻胀率明显高于封闭系统。

3.2 融沉系数

随着温度的上升，土壤中的冰逐渐融化成水，并在自身重量的作用下，作用在土壤骨架上的有效应力增加，土颗粒之间的胶结度降低，并且土壤中的孔隙受压后体积变小，出现融沉现象；冻土融化包括冰的消失以及土体骨架重新调整后达到新平衡的孔隙率；相变现象和融土中超孔隙水的排出均将导致土体积的变化或者沉降；当融土的体积调整到一个新的平衡孔隙率后整体完成总沉降[7]。

图10～图17分别为各土层在封闭系统和开放系统下融沉系数与时间的变化曲线。从图10～图17中可以看出：开放系统下融沉系数均大于封闭系统下的融沉系数，这与冻胀率变化相似。砂性土的融沉系数小于黏性土，这说明了砂性土与黏性土相比是非冻胀融沉敏感性土。

4 结语

通过对常州典型土层在封闭和开放系统下的冻胀融沉试验，得到了以下结论，对常州市轨道交通后期冻结法设计和施工具有积极的指导作用。1)砂性土的冻胀率和融沉系数普遍小于黏性土。2)无论哪种土性在冻结过程中供水充足时，冻胀率和融沉系数都会明显增大。土中水的迁移是土层冻胀融沉的直接原因。3)无论是封闭还是开放系统，土体经过冻胀融沉后无法恢复至初始状态，总有一定的残余变形。