南通地鐵典型土層凍脹特性試驗研究★

姚亞鋒 張哲媚 顧凡渝 王 偉

(南通職業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226001)

隨著南通城市快速軌道交通規(guī)劃的獲批和立項，地鐵建設(shè)進(jìn)入全面的準(zhǔn)備和深入研究階段。隧道開挖在地鐵建井中顯得尤為重要，常用凍結(jié)法進(jìn)行施工[1]。以往實踐表明，凍土的凍脹力學(xué)特性對凍結(jié)法施工至關(guān)重要。

針對南通地區(qū)典型土層人工凍結(jié)黏土在不同溫度水平下進(jìn)行凍脹力和凍脹率試驗，尋求溫度對凍脹程度的影響規(guī)律；針對工程的復(fù)雜多變，利用試驗數(shù)據(jù)，對傳統(tǒng)的凍脹率公式進(jìn)行優(yōu)化。該研究為南通地區(qū)人工凍結(jié)黏土凍脹特性分析和計算提供一種有效的新方法，其研究成果可為南通地鐵建設(shè)中凍結(jié)法隧道建井提供可靠資料，有效避免井筒滲水和塌方等安全事故的發(fā)生[2-5]，減少經(jīng)濟(jì)損失。同時，獲得的模型和方法也可應(yīng)用于其他相似的工程領(lǐng)域。

1 土樣采集及試驗方法

1.1 土樣采集

土樣取自南通地鐵隧道典型黏土層，將取出的土樣包裝捆扎好，并做上相應(yīng)的屬性標(biāo)記，裝入準(zhǔn)備好的巖箱，派專人穩(wěn)妥的送到實驗室內(nèi)。

具體試件的制作完全參照國家凍土試驗規(guī)范(MT/T 593.6—2011)，每顆試件尺寸在φ50 mm×25 mm大小，其外形誤差控制在1.0%以內(nèi)，試件上下平面的平行誤差則要小于0.5 mm，如圖1所示。在試件的上、下端各設(shè)置一個溫度傳感器監(jiān)測試驗過程中溫度的變化是否符合規(guī)范的要求。

1.2 試驗方法

凍脹率試驗方法：軸向無約束凍脹實驗，即試件在軸向可以自由膨脹。在試驗過程中，按規(guī)定要求的時間測量試件軸向的位移與時間的關(guān)系，并得到試件的最大凍脹量δmax，試件的最大凍脹量δmax與試件原長的比值為試件的凍脹率[6]，凍脹率試驗裝置如圖2所示。

凍脹力試驗方法：即試件在零位移約束下進(jìn)行凍土的凍脹試驗，在試件的上端施加縱向約束，并用荷重傳感器量測凍土的凍脹約束力，同時記錄試驗過程中，凍土的凍脹約束力的發(fā)展與時間的關(guān)系，得到凍土最大凍脹約束力σmax，凍脹力試驗裝置如圖3所示。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 凍脹試驗結(jié)果

本次凍脹試驗試件的高徑比采用0.5，即試件尺寸為φ50 mm×25 mm。冷端溫度分別為-10 ℃±0.5 ℃，熱端溫度為20 ℃±2 ℃[7]。

各個土層的最大凍脹率和最大凍脹力的試驗結(jié)果見表1。

表1 各土層的凍脹程度參數(shù)

2.2 凍脹力與時間的關(guān)系曲線

根據(jù)試驗結(jié)果，以第二組數(shù)據(jù)為例，畫出凍脹力與時間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

2.3 凍脹率與時間的關(guān)系曲線

同理以第二組數(shù)據(jù)為例，根據(jù)表1畫出凍脹率與時間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

2.4 試驗結(jié)果分析

通過表1可知，整個試驗土層凍脹力在0.23～0.69之間，凍脹率在3.01%～5.49%之間，大部分試驗凍土的凍脹力和凍脹率不大，屬于中等強(qiáng)度凍脹土。由凍脹力和凍脹率與時間關(guān)系曲線可知，凍脹程度隨時間而增加，增加到一定程度逐步趨于穩(wěn)定，總體來說，溫度越低，凍脹力(率)也越大。

3 凍脹評價模型優(yōu)化

根據(jù)人工凍土的凍脹特性原理，引起土體凍脹的主要因素有土性、溫度、含水量和荷載等。工程中通常用凍脹變形量表征土體凍脹變形的程度，考慮到不同地區(qū)土性的不同導(dǎo)致變形差異，因此，改用凍脹率表征凍土凍脹特征值。

在數(shù)學(xué)上，計算凍脹率用凍脹量除以凍土深度的百分比值獲得[8,9]，即：

(1)

其中，η為凍脹率;Δh為凍脹量;hf為凍土深度。

為了進(jìn)一步考慮時間因素，表明時間對凍脹率的變化，根據(jù)試驗曲線圖4,圖5，可將式(1)優(yōu)化為下式[10]：

(2)

其中，t為凍結(jié)時間；A為待擬合參數(shù)。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，利用MATLAB數(shù)值擬合式(2)中的參數(shù)，最后優(yōu)化后式(2)表示為：

(3)

為驗證優(yōu)化后式(2)的合理性，故另取南通地鐵典型土層7組黏土，通過凍脹試驗比較其公式計算值與試驗值，見表2。

表2 凍脹率計算值與試驗值對比

根據(jù)對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的式(2)運用在具體工程中的計算值和試驗值十分接近，誤差在2%～7%之間，故能更有效表征南通地區(qū)地鐵典型土層凍土的凍脹特性。

4 結(jié)語

1)由凍脹力和凍脹率與時間關(guān)系曲線可知，溫度越低，凍脹力(率)也越大。凍脹程度隨時間而增加，增加到一定程度逐步趨于穩(wěn)定，整個過程經(jīng)歷快速、過渡和穩(wěn)定。

2)各層土樣凍脹程度曲線變化趨勢大體接近。在快速凍結(jié)期間，曲線爬升較快，凍脹程度較大；在過渡期，曲線上升變得緩慢，可見凍脹程度明顯減小；而在穩(wěn)定期，曲線幾乎趨于平穩(wěn)，整個凍脹程度保持不變。

3)結(jié)合工程的復(fù)雜多變，對傳統(tǒng)凍脹率公式進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)優(yōu)化后的式(2)運用在具體工程中的計算值和試驗值十分接近，誤差在2%～7%之間，故能更有效表征南通地區(qū)地鐵典型土層凍土的凍脹特性。