苏州地铁典型土层冻土力学特性研究

【摘   要】人工冻结法已经并将大量用于苏州轨道交通连通道及盾构进出洞施工，而冻土力学特性是冻结法设计所需的重要参数，此前尚无苏州地区冻土物理力学参数相关试验研究资料，若参考其它地区参数进行冻结设计将会给施工带来许多不确定性。本文以苏州地铁典型土层为研究对象，对其冻土抗压强度、弹性模量、泊松比进行室内试验研究，根据试验数据曲线，分析总结了抗压强度随不同温度、含水率、干密度的破坏形态和变化规律以及弹性模量、泊松比随温度变化的规律，并作出了定量和机理分析，研究成果对苏州轨道交通建设冻结法设计指标的确定具有重要参考价值。
【关键词】人工冻土;抗压强度;温度;含水率;干密度

      随着苏州地区地下空间的开发利用，结合苏州地铁典型土层工程地质、水文地质状况，冻结法施工因其超强的适用性与技术可靠性，已越来越广泛地应用于苏州地铁隧道联通道建设中。但目前未有对苏州地铁典型土层冻土的物理力学特性研究，缺乏系统测定的浅表土冻土热物理参数及力学参数的归一化数据，设计中有时使用的参数、指标沿用或参照其他地方资料，与工程实际存在较大出入，而这将会对工程的施工带来很多不确定性，同时也存在巨大的安全隐患^［1］。因此，如何安全、经济、合理地将冻结法服务于苏州地铁建设显得尤为重要，特别是有些复杂地质条件的联通道设计与施工中，避免因基本参数缺陷或影响因素研究不彻底，而引起严重工程灾害以及对周边环境产生重大影响。这就使得建立完整、精确的设计施工参数体系，确保冻结法在苏州地区的应用成熟化成为一个重要的研究课题。
      冻结壁无侧限抗压强度是冻结施工能否进入开挖阶段的一个重要指标，而影响抗压强度主要有三个因
素:温度、含水率和干密度。本文现场取苏州地铁典型土层，针对不同的干密度和含水率水平配制土样，通过室内试验进行无侧限抗压试验以研究获得抗压强度、弹性模量、泊松比分别与温度、含水率、干密度这三因素之间的定量关系，以使人工冻结法在苏州地铁建设中发挥更好的作用。
1、试验研究内容与方法
      本次试验土样取自苏州轨道交通一号线滨河路站附近的第③层粘土、第④₁层粉土、第④₂层粉砂和第⑤层淤泥质粉质粘土，此4种土层是苏州地铁隧道所穿越的典型土层，其基本物理参数见表1。

      试验分原状土和重塑土两类，原状土样用切土器和切土刀将样土修成φ50×100mm的圆柱体试样，重塑土按不同含水率水平(18%、23%、28%、33%)和干密度水平(1.4、1.45、1.5 g·cm^－3)制成相同尺寸试样，保证试样两端面平整，试样长度、直径尺寸误差不超过1mm，两端面平行度误差<0.5mm。试件在试验规划的负温条件下，恒温养护24h以上，然后在冻土压力试验机下按照不同温度(－5℃、－10℃、－15℃、－20℃)精确控制完成，试验时为了克服加载时间对试验结果的影响，采用恒应力增量加载方式(30±5s内使土样破坏)，当荷载达到峰值或稳定后再继续增加5%应变值，即可停止试验，如应力一直增加，则试验进行到轴向应变为20%(主要为粘性土)时停止^［2］。
2、试验结果讨论与分析
2.1试验结果
      每种土样一般进行3个平行试件的抗压试验，若试验数据离散性较大，增加试件数并相应去除离散性较大的数据，各土样不同温度下抗压强度取算术平均值结果如表2。
2.2应力－应变曲线
      图1分别为原状③粘土、④₁粉土、④₂粉砂和⑤淤泥质粉质粘土在温度为－5、－10、－15、－20℃下冻土单轴抗压应力－应变变化曲线，除了找出各土层应力应变发展规律，还对其应力应变曲线进行了模型曲线拟合。

      通过对大量的人工冻土无侧限抗压试验数据进行回归比较分析，发现苏州地区冻土力学本构关系的应力－应变曲线大都可以用具有强度极限的指数函数(BoxLucas1)拟合表示:
      通过对大量的人工冻土无侧限抗压试验数据进行回归比较分析，发现苏州地区冻土力学本构关系的应力－应变曲线大都可以用具有强度极限的指数函数(BoxLucas1)拟合表示:

      σ=a(1－e^－bε)
      式中:a———与温度有关的冻土极限强度，a值越大表示冻土的极限强度越高;
             b———冻土强度随应变增加的衰减速率大小，b值越大表明冻土强度降低越快。
      在拟合函数中，－10℃下③粘土、④₁粉土、④₂粉和⑤淤泥质粉质粘土参数a、b值分别为(4.8207，0.3251)、(4.4413，0.6113)、(7.6115，0.4619)、(4.4743，0.3077)。b值在0.3～0.7之间，说明各土层冻土在－10℃时，当试样强度达到极限应力后，随着应变的持续增大，试样强度降低速度较慢。
      由图1看出，4个土层在－5℃下，初期应力急剧增大，当应力达到临界值后，应力增加幅度减缓，应力－应变曲线变化趋势呈弱硬化形态;温度降低到－20℃后，粘土、粉土和粉砂曲线呈软化型，尤其是粉砂，应力达到峰值后衰减非常明显，这说明温度的降低，提高了冻土的脆性破坏特征。引起这一现象的原因是由于随着冻结温度的降低，冻土中未冻水含量逐渐减少，固体颗粒与冰胶结得越牢固，强度也越大，从而导致冻土塑性行为随未冻水含量的减小而逐渐不明显。而淤泥质粉质粘土在试验温度范围内，应力－应变曲线始终属非线性弱硬化特征，且随温度降低曲线越接近理想塑性破坏，这是由该土层土颗粒之间的排列、颗粒间冰的胶结强度决定的^［3］。
      从土体破坏后形态来看，大多试样破坏后呈鼓状，表面分布着许多细小的裂纹，这表明破坏主要受控于土颗粒与冰晶体间的粘结，当对试样施加荷载后土骨架被压缩，结构趋于紧密，局部出现相对低密区，变形发展到屈服阶段后，土颗粒由高密区向低密区滑移试样局部鼓胀，以致表面出现微裂隙，产生缓慢应变而最终导致试样破坏。少数粉砂试样破坏机制属脆性剪切破坏，破坏角在35～48°间。
2.3抗压强度与温度的关系
      对表2试验数据进行分析，绘制曲线图2，并拟合出4种土层的无侧限抗压强度与温度的关系式:
      ③层粘土:
      σ=0.2925|T|+1.5122，R=0.9983
      ④1粉土:
      σ=0.3703|T|+1.5122，R=0.9981
      ④2粉砂:
      σ=0.68|T|+0.56，R=0.9996
      ⑤淤泥质粉质粘土:
      σ=0.3|T|+0.6622，R=0.9783

      根据图2及上述拟合的曲线方程，可以分析发现:
      (1)－5℃时各土层的冻结强度在2～4MPa不等，之后随着温度的逐渐降低而逐渐增加，到－20℃时冻结强度达到6～14MPa，比－5℃时增大3～3.5倍，并且无侧限抗压强度随温度的下降而呈线性增长，线性相关系数均在0.99以上。
      (2)粉砂抗压强度随温度降低而增大的速率最大，平均降温1℃抗压强度增加0.68MPa。其它土层的抗压强度随温度降低而增大趋势基本相当，平均降温1℃强度增加0.3 MPa左右，这表明粉砂的冻结强
度比其它土层提高得更快，冻结效果更好。而回归直线的斜率k值正是反应了土层受温度影响的大小次序:粉砂(0.68)>淤泥质粉质粘土(0.3703)>粘土(0.3)>粉土(0.2925)。
      (3)无侧限抗压强度是由三部分组成，即冰的强度、土骨架的强度以及冰与粘土颗粒胶结后形成的粘结力和内摩擦力。抗压强度随冻土温度的降低而增大，主要是因为温度降低导致冻土中未冻水含量减少，相对含冰量增加，使岩土颗粒间的胶结力增强^［4］，在一定的温度范围，冻土抗压强度与负温绝对值呈线性关系。
      (4)常规设计温度－10℃下，原状③粘土、④₁粉土、④₂粉砂、⑤淤泥质粉质粘土无侧限抗压强度分别为3.92 MPa、4.37 MPa、7.88 MPa、4.02MPa。
2.4抗压强度与含水率的关系
      根据试验数据，绘出－10℃下无侧限抗压强度与土体含水率的关系曲线如图3所示。
      图3表明，－10℃下，粘土、淤泥质粉质粘土在含水率为18%～28%时，其无侧限抗压强度随含水率增加而增大，平均增加1%抗压强度分别增加0.23 MPa、0.22MPa，含水率为28%～33%时，土体逐渐达到饱和，抗压强度趋于极限值。粉土、粉砂在试验所取含水率区间即18%～33%，其无侧限抗压强度随含水率增加而始终增大，基本呈线性增长，平均增加1%抗压强度分别增加0.25 MPa0.41MPa。

      由上述分析可以看出，粘土和淤泥质粉质粘土在恒定负温下，随着冻土含冰率的增加，其抗压强度也是增加的，因为含水量愈大，起胶结作用的冰也愈多，孔隙完全充满水时抗压强度最大，其瞬时抗压强度接近于一个极限，即冰的抗压强度［5］。
2.5抗压强度与干密度的关系
      试验干密度范围涵盖了现场各土层干密度值，据试验数据绘出了－10℃下无侧限抗压强度与土体干密
度的关系曲线，如图4所示，由图可见，4种土层抗压强度随土体干密度增加几乎不变，所以干密度对冻土
抗压强度影响较小，而不同土层由于岩土颗粒大小及矿物质等的差异，抗压强度明显不同。
2.6弹性模量及泊松比与温度的关系
      冻土在荷载作用下会发生弹性变形，本文研究了不同土层的弹性模量E、泊松比μ与温度的关系。冻
土弹性模量的确定:在工程中常采用的方法是取冻土无侧限强度(σ_s)的一半与其所对应的应变值(ε_1/2)的
比值，即E=(σ_s/2)/_ε1/2。冻土的泊松比:μ=ε₂/ε₁即为冻土横向与纵向应变的比值^［6］。

      从图5、6可以看出4种土层的弹性模量、泊松比与温度的关系，即弹性模量与温度的关系是线性的，随温度的降低而增大。泊松比与温度的关系呈近似线性关系，随温度的降低而减小。
      通过线性回归分析，可得4种土体分别具有如下关系:
      ③层粘土:
      E=20.14|T|－29.633
      μ=－0.007|T|+0.3433
      ④1粉土:
      E=20.01|T|－1.5667
      μ=－0.0065|T|+0.33
      ④2粉砂:
      E=46.39|T|－104.55
      μ=－0.0065|T|+0.34
      ⑤淤泥质粉质粘土:特性研究2010年
      E=19.82|T|－31.367
      μ=－0.003|T|+0.2933
      由上述关系式可知，人工冻土的弹性模量可通过降低土体温度来提高。同时，弹性模量还与土质及土体粘粒含量有关，粘粒含量越多，弹性模量越小。泊松比也与温度呈近似线性关系，随温度减低，泊松比减小，这与前人研究的结果是一致的［7，8］。
3、结语
      (1)系统地获得了苏州地铁典型土层冻土无侧限抗压强度、弹性模量、泊松比的定量值及其随温度、含水率变化的规律，研究成果将为苏州轨道交通建设应用冻结法施工提供冻结设计所需重要参数。
      (2)从应力－应变曲线看，苏州各典型土层大都属于塑性破坏，试样呈腰鼓状，表面出现微裂隙。
      (3)苏州地铁典型土层冻土的抗压强度随冻结温度的降低而线性增长。
      (4)－10℃下，试验所取含水率范围内粉土和粉砂抗压强度呈线性增长，受含水率影响最大的土层是粉砂，而干密度对各土层抗压强度影响不大。
      (5)苏州各典型土层人工冻土弹性模量随温度降低而线性增加，泊松比随温度降低而线性降低。
参考文献:
［1］杨平，张婷.人工冻融土物理力学性能研究［J］.冰川冻土，2002，24(5):665－667.
［2］M T/T593.人工冻土物理力学性能试验［S］.
［3］常小晓，马巍，王大雁.高围压下冻结粘土的抗压强度试验研究［J］.冰川冻土，2007，29(4):636－638.
［4］肖海斌.人工冻土单轴抗压强度与温度和含水率的关系［J］.岩土工程界，2007，11(4):62－63.
［5］杨平.深部原状和扰动冻粘土力学性能差异性研究［J］.1996，18(3):256－261.
［6］洪军.人工冻结条件下上海饱和软粘土的力学特性试验研究［D］.上海:同济大学，2008.
［7］ISGF.Classification and laboratory testing ofartificially frozen ground.ASCEJ of Cold RegionsEngineering，1987，1(1):22－47.
［8］程知言，颜庭成，秦江红.上海软土人工冻结热力学性质研究［J］.地质与勘探，2005，41(2):90－92.