摘 要: 人工冻土的物理力学指标是地铁隧道工程冻结壁设计参数和开挖的依据。通过对宁波轨道交通一号线联络通道② ～ ⑤海相沉积软土地层人工冻土的室内单轴抗压强度和抗剪强度试验，获得了冻结前后② ～ ⑤土层的比热容、导热系数、内摩擦角和粘聚力的对比结果以及不同温度条件下冻土的极限抗压强度、弹性模量和泊松比结果。试验结果表明:② ～ ⑤土层人工冻结土的物理力学指标较原状土有很大的提高，人工冻土极限抗压强度、弹性模量随温度的降低而增大，近似呈线性关系。各土层泊松比、温度的变化对冻土泊松比影响较小，随温度的降低有一定的减小。在 － 10℃ 条件下，冻结前淤泥质土、粘土层的内摩擦角和粘聚力有了大幅的提高，而③₁砂土层的内摩擦角增幅较小。

关键词: 软土; 人工冻结; 强度特性

 

      人工冻结法是利用人工制冷技术，在地层钻孔中安放一系列冻结管，通过制冷剂在冻结管中循环流动，把冷能传给周围土层，使土层中的水冻结成冰，将天然土体变为人工冻土，从而形成具有强度较高、稳定性较好、不透水的临时支撑结构———冻结壁。该工法实质上是采用人工制冷临时改变土层性质以加固土层，保证施工顺利进行。人工冻结技术可广泛应用于城市地下工程中，包括盾构隧道盾构进出洞土体加固、盾构隧道地下或海底对接时土体加固、城市地铁泵房、旁通道和急转弯部分、建筑基坑加固、地 下 工 程 涌 水 加 固等^［1］。

      国内外在天然冻土动、静态物理力学特性方面已取得了诸多研究成果，在人工冻结黄土、粉土、粘土、砂土等的静动力学特性方面也取得了一定的成果^{［2 ～ 5］}。对于软土地区隧道局部冻结施工部位人工冻土工程特性以及对隧道工程质量的影响研究较少。目前，我国东南沿海大量地下工程位于软土地层中，人工冻结对隧道运行局部稳定和变形有较大的影响。唐益群等以上海复兴东路越江隧道旁通道冻结法施工中遇到的第⑥层粉质粘土及第⑦层粉细砂为研究对象，针对设计冻结壁重要强度参数无侧限瞬时抗压强度，进行了室内试验研究，揭示了两种土的冻结强度随温度的变化关系，同时研究了粉细砂的冻结强度随含水率的变化规律^［6］。肖海斌对温度为 － 1℃ 、－ 5℃ 、－ 10℃ 、－15℃ 、－ 20℃ 、－ 24℃ 以 及 含 水 率 为 14% 、17% 、19% 、20% 、22% 、23. 15% 、25% 的单轴抗压强度进行测试^［7］。常小晓等据室内单轴和三轴压缩试验的试验结果，分析了高围压下冻结粘土的应力应变行为与单轴压缩条件下应力应变行为的异同^［8］。杨平等研究了原状土与人工冻融土的密度、干密度、含水量、饱和度、孔隙比、塑限、液限、塑性指数、液性指数、渗透系数等物理指标，以及抗剪强度、无侧限抗压强度、压缩模量等力学指标的差异性^［9］。张世银等全面地考虑了影响人工冻土冻结温度的定量、定性因素，运用人工智能理论，提出一种预测人工冻土冻结温度的新方法，在此基础上，分析了各影响因素的灵敏度^［10］。

      宁波地区海积软土层分布十分广泛，厚度不均，物理力学性质差，地质环境十分敏感和脆弱。拟建宁波市轨道交通 1 号线为宁波市轨道交通线网规划中的东西向主干线，其西连高桥镇，东连北仑中心区，贯穿海曙老城区、三江口、江东新城区以及规划中的东部新中心，全长约 21. 30km。其中 12 个区间各设联络通道拟采用冻结法施工。为了确保人工冻结施工的安全性、经济性和环保性，需要通过试验分析宁波地区典型土层在冻结条件下物理力学性能，为人工冻结法设计、施工提供必要的参数。

 

      建设场地位于宁波平原，属甬江水系。宁波站历年最高潮水位 2. 903m(1985 国家基准，下同)，历年最低潮水位 － 1. 657m，平均高潮位 1. 213m，平均低潮位－ 0. 487m。

      建设场地地表水属宁西平原河网水系，河渠密布，每平方公里面积内河渠长度在 2. 5 ～ 4. 0km，河渠宽度在 15 ～ 50m，主要为后塘河、西塘河和北斗河。后塘河及西塘河位于线路南侧，水深一般在 1. 0 ～ 3. 5m，水位距岸顶 0. 5 ～ 1. 6m。场地属浙江省岩石地层区划东南地层区，前第四纪地层单一，主要为白垩系下统方岩组(K₃f)紫红色粉砂岩，埋深在 85 ～ 100m。第四纪地层发育，厚度较大，且层位较稳定，厚度一般小于 100m，从中更新世至全新世地层发育齐全。主要成因类型有河流相、河湖相及海相等，从老到新是由一套陆相堆积—海陆交替堆积—海相堆积地层组成，上部软土层厚度大。联络通道穿过软土层主要为②_{2 － 1}层流塑淤泥、②_{2 － 2}层流塑淤泥质粘土、②₃流塑淤泥质粉质粘土、③₁层灰色粉土或含粘性土粉砂、③₂层流塑—软塑粉质粘土、④_{1 － 1}层流塑淤泥质粉质粘土、④_{1 － 2}层软塑—流塑粉质粘土、④₂层软塑粘土，局部地段为⑤₁可塑粘土和⑤₂可塑—软塑粉质粘土 10 个土层。

 

      在望春站—环城西路站区间、环城西路站—大卿桥站区间、西门口站—市府站站区间 3 个联络通道布设勘探孔，深度为 45. 0 ～ 50. 0m，并将其划分为 1 个统计单元。取原状土样主要在粘性土、粉土和砂土中进行，取样位置视土层的埋深及厚度变化情况而定，联络通道 周 边 距 结 构 6m 范 围 内 取 样 间 距 宜 为 1. 0 ～1. 5m，其他地段 2 ～ 3m，以确保本标段每层取土试验数据不少于 11 个，Ф90 × 500mm 薄壁样或 36 个 Ф108× 200mm 铁皮样或 18 个 Ф90 × 300mm 薄壁样。

      在实验室中进行原状土样制作及试验严格按照国标 GB /T50123 － 1999 及 煤 炭 行 业 标 准 MT/T593 －1996 的有关要求进行。

      (1) 冻结原状土试样的制备

      小心开启原状土包装，辨别土样上下层次，用钢锯平行锯平两端。无特殊要求时，使试样轴向与自然沉积方向一致，将土块修整成型。

      (2) 冻结重塑土试样的制备

      将土样切碎，在 105 ～ 110℃ 温度下恒温烘干，放入干燥器中冷却至室温。将烘干、冷却的土样进行破碎(切勿破碎颗粒)。根据土样天然含水率，对干土进行配水(或加冰晶)，并搅拌均匀，密封后放入保湿器内养护 24h 以上。彻底清洗模具，并在模具内表面涂上一层凡士林，分次均匀将土样放入模具击实。将试样在所需试验温度下脱模修整。将制备好的低温重塑土试样置于所需试验温度下恒温养护，在 24 ～ 48h 内可用于试验。

      (1)测定冻结法施工直接影响范围内原状土和冻土的热物理指标。主要应包括土层结冰温度、导热系数和比热等。

      (2)测定冻结法施工直接影响范围内人工冻土的力学指标。主要应包括不同温度( － 5℃ 、－ 10℃ 、－15℃)的 冻土抗压 强度、冻土弹模、冻土 泊 松 比，－10℃ 冻土的剪切强度等。提供地基土冻结法施工设计参数和合理化建议。

      (1)冻土单轴抗压强度试验

      采用微机控制多功能冻土压力试验机测定 － 5℃ 、－ 10℃ 、－ 15℃ 时的极限抗压强度、弹性模量和泊松比。试验过程包括试样准备、加载、数据采集与成果分析等。每层地基土一般进行 4 个试件的抗压试验。试验前，将土样制成φ50 × 100mm 的圆柱体试样，端面修平以保证试样长度误差不超过 1mm，直径误差不超过1mm，两端面平行度误差 < 0. 5mm，试件在试验拟定的负温条件下，恒温养护 24h 以上，以确保试样内温度一致。人工冻土无侧限瞬时抗压强度试验所用仪器为微机控制多功能冻土压力试验机。

      单轴抗压强度试验结果主要包括试件在不同负温下的极限抗压强度、冻土弹性模量、冻土泊松比等参数，应变和应力计算如下:

ε₁= Δh / h₀，σ = F / A_a

      式中:ε₁———轴向应变;

            Δh ———轴向变形，mm;

             h₀———试验前试样高度，mm;

              σ ———轴向应力，MPa;

              F ———轴向荷载，N;

             A_a———校正后试样截面积，A_a= A₀/ (1 －ε₁) ，

                          其中 A₀为试验前试样截面积，mm²。

      冻土弹性模量计算方法是取冻土单轴抗压强度(σ_S)的一半与其所对应的轴向应变值(εr_{1 /2})的比值，泊松比取冻土单轴抗压强度的一半所对应的径向应变值(ε_{t1 /2}) 与其对应的轴向应变值(ε_{r1 /2})的比值。

E =(σ_S/2)/ ε_{r1 /2}，μ = － ε_{t1 /2}/ ε_{r1 /2}

      (2) 冻土抗剪强度试验

      试验采用人工冻土三轴压缩试验系统进行试验。试验过程包括试样准备、加载、数据采集与成果分析等3 个主要过程。 本试验采用冻结原状土试样，采用多试样 加 载 方 式 进 行 试 验。 试 样 尺 寸 为 φ50mm ×100mm，每个土层取 4 个试样，并且在 － 10℃ 低温条件下恒温 24 小时以上。试验时首先使试样进行固结，三轴试验仪剪切时轴向应变速率取 1% /min，测读体变测量 仪 的 数 值，试 验 过 程 中 围 压 波 动 度 不 大 于 ±10kPa。试验直至轴向应变达到 20% 为止，记录荷载及变形终值，计算内摩擦角和粘聚力。

 

      选取了 CK1 － Z74、CK1 － Z94、XS － Z10、DX －Z07、HD － Z07、WH － Z11 和 SF － Z25 号等 7 孔取样，采用 ISOMET 热特性分析仪进行室内热物理参数测试。土层② ～ ⑤共 10 个亚层土体的导热系数和比热容测试结果如表 1 所示。从表 1 可知:随着含水量的增加，土层冻结温度也随之增加，含水量超过 38% 后有减小趋势。各土层的比热容 C 相差不大，人工冻结后比热容 C 有一定的减小。稍密 ～ 中密粉砂、含粘性土粉砂的导热系数大于其它土层，在人工冻结后，导热系数有较大的增加。

      (1) 冻土的破坏形态

      土冻结后温度越低，其破坏强度越大，引起这一现象的主要原因是由于冻土中冰水含量的相对变化所导致的。在较高温度条件下，冻土易达到屈服点，产生屈服破坏。当温度降低时，冻土中未冻水含量将减少，而含冰量相应增大，由于含冰量的增大，使冰土之间的胶结作用增强，抵抗变形能力则增强，土体易产生剪切破坏。因此，本试验淤泥、淤泥质粉质粘土以及流塑状态下的粉质粘土试件在 － 5℃ 、－ 10℃ 时大多呈腰鼓破坏形态，而在 － 15℃ 时大多呈剪切破坏形态;可塑状态的粉质粘土、粘土、粉砂试件在 － 5℃ 时大多呈腰鼓破坏，在 － 10℃ 、－ 15℃ 时大多呈剪切破坏，典型土样破坏形态如图 1 和图 2 所示。

 

      (2) 人工冻土强度特性

      各土层在 － 5℃ 、－ 10℃ 、－ 15℃ 3 个温度水平下冻土极限抗压强度如表 2 所示，冻土弹性模量和泊松比如表 3、4 所示。各土层冻土极限抗压强度总体上随温度的降低而增大，与温度具有很好的线性关系，相同温度情况下，粉砂冻土抗压强度较大，粉质粘土与粘土其次，淤泥则最小。各土层冻土的弹性模量上随冻结温度降低而增大，与温度近似呈线性关系，这一点同文献［1］、［6］的结论一致。在相同温度情况下，粉砂冻土弹性模量较大，粉质粘土与粘土其次，淤泥则最小。各土层冻土的泊松比随温度的降低而减小，温度的变化对冻土泊松比大小的影响较小。

 

 

      由于隧道埋深主要分布于③₂土层，本文给出了－ 5℃ 、－ 10℃ 、－ 15℃ 三个温度水平下 ③₂土层应力应变关系曲线如图 3 ～ 图 5 所示。在相同的试验条件下，人工冻土单轴抗压强度试验的应力 － 应变曲线有两种类型:应变软化型和应该硬化型。对于应变软化型出现应力峰值(图 5，试样 2)，抗压强度取其应力峰值;对于应变硬化型不出现应力峰值(图 3 和 4)，抗压强度取其应变达到 15% 时的应力值。

 

      随着温度的降低，冻土的强度近似呈线性增加，各土层温度与强度、模量之间的回归公式如表 5 所示。可见，对于人工冻土来说，温度的高低，不仅决定着冻土的形成与融化，而且决定着冻结状态下冻土的力学性质。由于土体处于负温下被冰封所胶结，有很大的强度，随着负温度的变化其强度相应地产生急剧的变化，冻土随着负温度的降低其极限强度急剧增加。

      本试验采用冻结原状土试样进行试验，采用多试样加载方式进行试验，－ 10℃ 下各土层冻土抗剪强度试验结果如表 6 所示。从表 6 可知，在 － 10℃ 条件下，冻结前淤泥质土、粘土层的内摩擦角和粘聚力有了大幅的提高，而③₁砂土层的内摩擦角增幅较小。可见，土体，尤其是淤泥质土经过人工冻结后其强度参数得到了很大提高，在软土中实施人工冻结可以有效保证地下工程施工的安全性。