人工凍結(jié)作用下原狀軟黏土凍融特性試驗

王升福， 樊文虎，戴道文，薛凱喜，李棟偉

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院，南昌 330013；2.南京林業(yè)大學土木工程學院，南京 210037)

近年來我國地鐵建設(shè)快速發(fā)展，軟土地區(qū)地鐵等地下隧道建設(shè)中人工凍結(jié)法在盾構(gòu)始發(fā)與接收端頭加固[1-2]、聯(lián)絡通道開挖加固[3-5]、富水地層隧道盾構(gòu)盾尾刷更換凍結(jié)加固[6]等的應用，充分發(fā)揮了人工凍結(jié)增強土體的穩(wěn)定性、減少變形和隔斷地下水的優(yōu)點，人工地層凍結(jié)法工程實踐和人工凍土的相關(guān)科研水平亦取得了較大進展。

由于人工地層和天然地層凍結(jié)的原理[7]、邊界條件、凍土形成過程、凍土溫度及溫度梯度等[8]的不同，天然和人工凍土在凍融特征方面的性質(zhì)存在著一定區(qū)別[9-11]。在同一時間內(nèi)，因人工凍土的溫度低，溫度梯度較大，人工凍結(jié)地層凍融過程的凍脹融沉現(xiàn)象較天然凍土更為顯著，且地層凍脹融沉變形規(guī)律受冷媒溫度、凍結(jié)管布置方式、凍結(jié)壁厚度和埋深等諸多因素的影響較大[12-13]。

筆者通過對寧波地區(qū)典型軟黏土開展凍融試驗，研究不同冷端溫度軟黏土凍脹和融沉規(guī)律，探究不同冷端溫度條件下凍結(jié)過程水分遷移及凍融后土柱的水分重分布，并結(jié)合土體結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，深入分析土體凍結(jié)過程的固結(jié)現(xiàn)象，進一步揭示凍結(jié)鋒面的發(fā)展、水分遷移及凍結(jié)過程固結(jié)與時間的關(guān)系，為軟土地區(qū)地鐵聯(lián)絡通道凍結(jié)法設(shè)計等提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與研究方案

對原狀軟黏土試樣開展封閉系統(tǒng)不同冷端溫度條件下的單向凍融試驗，研究原狀軟黏土的凍融特性、凍融過程土體的溫度場變化規(guī)律和凍融前后水分重分布規(guī)律，并對凍融后沿試樣高度不同位置處的土樣進行壓縮試驗，對軟黏土的融土壓縮特性進行系統(tǒng)研究。

1.1 試驗材料

試驗用土取自寧波地鐵5號線勘察段典型的軟黏土土層，其屬海相軟黏土，現(xiàn)場初勘呈軟塑狀態(tài)，層底標高-35.99～-33.05 m。其顆粒分布曲線如圖1所示。

圖1 試驗軟黏土土樣顆粒分析曲線Fig. 1 Soft clay soil particle analysis curve

根據(jù)國家標準GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》中有關(guān)土樣和試樣制備要求，將現(xiàn)場薄壁取土器取得的原狀土樣切削，進行物理力學試驗及后續(xù)凍融試驗。試驗用土基本指標：密度為1.69 g/cm3，含水率為38.38%，比重為2.73，天然孔隙比為1.18，液限為44%，飽和度為87.9%，滲透系數(shù)為4.839×10-7cm/s。采用能夠直接測量導熱性和體積熱容的ISOMET熱特性分析儀，測得原狀土樣的熱物理力學指標為：起始凍結(jié)溫度為-0.4 ℃，導熱系數(shù)為1.36 W/(m·℃)，體積熱容量為2.23 J/(m3·℃)，導溫系數(shù)為0.61 m/s。

1.2 試樣制備

均采用原狀土樣進行試驗，現(xiàn)場用薄壁取土器取得土樣，用制樣器小心切削成直徑79.8 mm，高度100 mm的圓柱體試樣。試樣制成后裝入凍融試驗試樣桶，進行后續(xù)凍融試驗。

1.3 試驗方案

試驗采用封閉系統(tǒng)下單次一維凍融，凍融試驗系統(tǒng)示意如圖2所示，包括控溫環(huán)境箱、試樣筒、上下制冷系統(tǒng)、分層溫度采集系統(tǒng)和豎向位移采集系統(tǒng)等；每個凍融條件設(shè)置兩組平行試驗。

1. 探溫環(huán)境箱；2. 位移傳感器；3. 冷液循環(huán)進/出口；4. 溫度傳感器； 5. 排水口；6. 控溫底板；7. 試樣筒；8. 控溫頂板；9. 保溫層； 10. 試驗土樣；11. 銅質(zhì)透水板；12. 冷液循環(huán)進/出口。圖2 凍融試驗裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the freeze-thaw test apparatus

為研究不同凍結(jié)條件下試樣豎向溫度隨時間的變化規(guī)律，沿高度方向間隔2 cm安設(shè)熱電偶，實時監(jiān)測試樣內(nèi)部各點溫度。為滿足人工地層凍結(jié)法施工要求，各試驗過程環(huán)境箱、暖端、冷端的控溫要求如表1所示，不同凍融條件下的試驗規(guī)劃如表2所示。凍融試驗中，凍結(jié)過程采用先對試樣恒溫至-1 ℃，然后將控溫冷板設(shè)置為預定凍結(jié)溫度進行凍結(jié)；融化過程停止控溫冷端和暖端的溫度控制，設(shè)置恒溫環(huán)境箱為20 ℃模擬自然解凍。

表1 試驗過程控溫要求Table 1 Controlled temperatures of test procedure

表2 試驗因素水平Table 2 Test factor levels

注：每組試驗編號平行做2個試樣。

2 凍融試驗結(jié)果分析

2.1 凍脹率和融沉系數(shù)變化規(guī)律

土體在單向凍結(jié)融化過程中，沿試樣高度發(fā)生凍脹或融沉，分別用凍脹率和融沉系數(shù)來描述凍脹融沉變形特性，土工試驗方法標準(GB/T 50123—2019)給出了凍脹率和融沉系數(shù)的計算方法。

按照上述計算方法，給出凍脹率和融沉系數(shù)隨冷端溫度變化曲線如圖3。由圖3可見，隨著冷端溫度的降低，凍脹率及融沉系數(shù)逐漸減小，融沉系數(shù)均大于凍脹率。這是由于在未施加附加荷載的情況下，原狀土體經(jīng)過一次凍融，凍結(jié)過程的水分遷移和冰晶發(fā)展對土體原有結(jié)構(gòu)進行了擾動和損傷[7,14]。

圖3 不同冷端溫度條件下凍脹率融沉系數(shù)Fig. 3 Frost heave rates and thaw settlement coefficients of soil at different cold end temperatures

2.2 凍結(jié)過程溫度場變化規(guī)律

2.2.1 凍結(jié)過程溫度場變化規(guī)律

對于原狀軟黏土，在不同冷端溫度凍結(jié)下，試樣豎向各點溫度的變化趨勢基本相同(圖4)，包括試樣恒溫過程及解凍過程，可劃分為4個階段：

1)恒溫階段：在此階段，試樣溫度由室溫在短時間內(nèi)降低至設(shè)定的恒溫值(1±0.5)℃，并保持恒定6 h以上，使試樣溫度達到均勻。

2)降溫階段：凍結(jié)過程開始，隨之冷端溫度達到設(shè)定溫度值，土樣溫度從正溫向負溫降低，并且越靠近冷端土體降溫越快，沿凍結(jié)方向產(chǎn)生溫度梯度，這個階段持續(xù)時間大于24 h。

3)穩(wěn)溫階段：當土體溫度緩慢降低到一定的負溫時，溫度就基本穩(wěn)定，并持續(xù)一段時間，溫度梯度微調(diào)并趨于穩(wěn)定。

4)升溫階段：即凍土融化階段，土體在設(shè)定環(huán)境溫度20 ℃條件下溫度上升較快，短時間內(nèi)即達到正溫。

圖4 冷端溫度-10 ℃凍融過程曲線Fig. 4 Freeze-thaw process curve under the case of -10 ℃

如圖4所示，A、B、C、D、E 5條曲線分別代表沿土樣高度方向不同位置土體溫度隨時間變化曲線，可以看出，越靠近冷端位置，土樣溫度變化越明顯，且曲線基本平行，降溫速率隨與冷端距離增大而降低，土體上端溫度隨試驗時間增長而緩慢降低，并且大部分處于大于-1 ℃的溫度區(qū)，由于上端為控溫暖端，冷端溫度變化對此段土樣中溫度場影響較小。

圖5 凍結(jié)過程不同時刻沿試樣高度不同位置溫度分布Fig. 5 The temperature distribution of the specimen along the height at different times

凍結(jié)過程不同時刻(凍結(jié)開始1和5 h時)各層土的溫度變化規(guī)律見圖5。曲線表明：土樣在單向凍結(jié)溫度場中，隨著時間的增長，土樣溫度隨距離冷端范圍不同而變化顯著，越靠近冷端位置溫度變化越大，且冷端溫度越低，降溫速率越大，各層土的溫度下降值也越大。在距離冷端10 mm處，冷端溫度為-5 ℃情況下，4 h內(nèi)溫度下降2 ℃，而當冷端溫度為-15 ℃時，溫度下降了4.8 ℃，可見冷端溫度越低，土體凍結(jié)速率將成倍數(shù)增加。在距離冷端90 mm處的試樣頂端，4 h內(nèi)試樣溫度變化值均小于1 ℃，且溫度始終處于0 ℃以上。

研究結(jié)果表明：在恒溫單向凍結(jié)過程中，沿凍結(jié)方向不同位置處溫度不同，其溫度分布隨凍結(jié)時間的持續(xù)而變化，且變化規(guī)律與凍結(jié)溫度場的溫度梯度(冷端溫度為-5，-7，-10和-15 ℃，試驗原狀土土柱高度為10 cm，則可得對應的軸向溫度梯度值分別為0.6，0.8，1.1和1.6 ℃/cm)密切相關(guān)。由于上下控溫板與外部冷浴連接，溫度恒定，當土體凍結(jié)完成時，通過溫度監(jiān)測系統(tǒng)記錄各層土體的溫度為一恒定值。不同冷端溫度條件下凍結(jié)完成時各土層溫度具有較好的線性關(guān)系，如圖6所示。

圖6 凍結(jié)完成時沿試樣高度溫度分布Fig. 6 The temperature distribution along the sample height whenthe freezing was finished

由圖6可見，當冷端溫度為-15 ℃時，溫度梯度為1.6 ℃/cm，凍結(jié)完成時凍結(jié)鋒面位置處于試樣頂端，即在此溫度梯度下土樣完全凍結(jié)。而冷端溫度較高時，凍結(jié)鋒面位置將動態(tài)穩(wěn)定于試樣上部的某一位置，且未凍段的長度隨冷端溫度的升高而增大，即土樣凍結(jié)段長度越小。

圖7 凍結(jié)過程土體凍結(jié)鋒面隨時間發(fā)展曲線Fig. 7 The freezing front development in the freezing process

顯然，當冷端溫度分別為-5和-7 ℃時，土樣并未完全凍結(jié)，參與凍脹一部分的土樣高度小于原試樣高度，以溫度低于土體起始凍結(jié)溫度-0.4 ℃作為土樣凍結(jié)的標準，回歸關(guān)系如表3所示，當冷端溫度分別為-5和-7 ℃時，凍結(jié)段(溫度低于-0.4 ℃)高度分別為70.8和81.3 mm。

表3 不同冷端溫度凍結(jié)完成時沿試樣不同高度處溫度梯度擬合Table 3 The temperature gradient fitting along the specimen height under the four conditions

2.2.2 凍結(jié)過程中凍結(jié)鋒面發(fā)展規(guī)律

基于自下而上的單向凍結(jié)條件，土樣凍結(jié)時凍結(jié)鋒面自下而上擴展。凍結(jié)鋒面(freezing front)定義為凍結(jié)土體與未凍土之間可移動的接觸界面。假定試驗土樣均勻，凍結(jié)鋒面則為一個平行于凍結(jié)冷端界面的平面。土的起始凍結(jié)溫度可判斷土處于凍結(jié)狀態(tài)的起點(本試驗土體初始凍結(jié)溫度為-0.4 ℃)，即作為確定凍結(jié)鋒面所在位置的判別依據(jù)[10,15]。

根據(jù)上述分析，將不同冷端溫度條件下凍結(jié)過程到達某一高度位置處所經(jīng)歷的凍結(jié)時間繪制凍結(jié)鋒面位置隨凍結(jié)時間關(guān)系，如圖7所示。可見，各條件下凍結(jié)鋒面發(fā)展曲線呈對數(shù)增長變化趨勢，且凍結(jié)鋒面發(fā)展距離與時間二者之間呈對數(shù)增長，以下列線性變換對數(shù)函數(shù)進行擬合：

y=a-bln(x+c)

(1)

式中，a、b、c為系數(shù)，主要與不同冷端溫度相關(guān)。

4種冷端溫度條件下，凍結(jié)鋒面發(fā)展距離H與時間t之間的擬合關(guān)系如表4所示。

軟黏土凍結(jié)鋒面在凍結(jié)的前5 h內(nèi)發(fā)展較快(圖7a)，隨后凍結(jié)鋒面的移動速度降低，凍結(jié)鋒面逐漸以較小的移動速率向土體上端推進。凍結(jié)初期降溫較快，此時凍結(jié)鋒面推進速度最快；隨著凍結(jié)鋒面逐漸上移，溫度變化逐漸減緩。當凍脹變形穩(wěn)定后，土樣溫度變化緩慢，此時土樣中溫度分布基本穩(wěn)定。4種冷端溫度(溫度梯度)條件下，凍結(jié)鋒面隨時間的發(fā)展曲線相似，軟黏土凍結(jié)過程土體凍結(jié)鋒面隨時間發(fā)展關(guān)系符合如式(1)所示的擬合關(guān)系，其中a、b、c是與凍結(jié)冷端溫度(溫度梯度)相關(guān)的系數(shù)。

表4 凍結(jié)過程凍結(jié)鋒面發(fā)展與時間的關(guān)系Table 4 The relationship between the freezing front development and time under the four cases

2.2.3 凍結(jié)完成時間

土體在單向凍結(jié)條件下，不同凍結(jié)溫度梯度凍結(jié)完成時間差異較大，當凍結(jié)2 h內(nèi)試樣高度變化值小于等于0.02 mm時結(jié)束凍脹試驗，即為凍結(jié)完成時間。不同溫度條件下凍結(jié)完成時間關(guān)系如圖8所示。由圖8可見，冷端溫度越低，凍結(jié)完成的越快，隨著冷端溫度的升高，凍結(jié)完成時間呈指數(shù)規(guī)律增長。

(2)

式中：t為凍結(jié)階段所經(jīng)歷的時間， h；TF為凍結(jié)冷端溫度， ℃。

圖8 不同冷端溫度凍結(jié)完成時間Fig. 8 The freeze equilibrium time at four freezing temperatures

凍結(jié)完成時間與凍結(jié)鋒面的推進速度及凍脹率、融沉系數(shù)密切相關(guān)，對比圖3和圖8可以看出，凍結(jié)冷端溫度越低，凍結(jié)完成時間越短，對應的凍脹率和融沉系數(shù)也越小。說明凍結(jié)冷端溫度越低，凍結(jié)封面發(fā)展速度越快，凍結(jié)過程未凍段水分向凍結(jié)鋒面遷移時間也越短，由此產(chǎn)生較小的凍脹量和融沉位移。換言之，較低的冷端溫度凍結(jié)時，凍結(jié)鋒面的發(fā)展較快，對土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擾動也就越小。這也證實了在實際人工凍結(jié)工程中，在其他條件允許的情況下，采取低溫速凍的方式也是有效抑制過大凍脹融沉變形量的有效措施。

3 物理性質(zhì)試驗結(jié)果分析

3.1 水分重分布特征

將試樣按照既定溫度梯度凍融并穩(wěn)定后，取出試樣沿試樣高度平均切為5層(每層20 mm)，以烘干法分層取樣測量土樣含水率分布規(guī)律，以確定不同條件下水分遷移量。不同條件凍融后沿試樣高度不同位置處的含水率變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 凍融前后含水率分布Fig. 9 Distribution of moisture content before and after freeze-thaw

由圖9可以看出，對于原狀軟黏土，在其他因素不變的前提下改變凍結(jié)冷端溫度(溫度梯度)，不同冷端溫度條件下，凍融后水分重分布規(guī)律差異非常明顯：

1)4種凍結(jié)冷端溫度凍融后，與原狀土相比，土柱頂部含水率明顯降低，試樣最上層含水率分別降低6.5%,4.5%,2.7%和2.1%；土柱中下部含水率增大，且含水率最大的位置出現(xiàn)在試樣中間，相對于原狀土分別增大2.0%,1.6%,1.1%和0.9%；試樣最下部含水率略有增大，但變化值相對較小，相對于原狀土分別增大0.7%,0.6%,0.5%和0.3%。

2)各溫度梯度凍結(jié)后含水率變化規(guī)律基本一致，沿試樣高度的上層土體在4種溫度梯度凍結(jié)后平均含水率均減小，且溫度梯度越小，含水率變化值越大；試樣下部3層土體中，4種溫度梯度凍融后含水率均增大，且溫度梯度越大，變化值越小。

當土樣進行單向凍結(jié)時，由于試樣由下往上降溫需要一定時間，凍結(jié)鋒面存在于中部的時間變長，試樣中水分有足夠的時間進行遷移，相對于試樣底部，中部含水率增大較明顯，且隨著凍結(jié)鋒面往上推移，推移速度變慢，特別是當凍結(jié)溫度梯度較小時，水分遷移更為明顯，上部含水率出現(xiàn)降低，且變化量較大。

3.2 體積變化特征

3.2.1 凍融前后干密度及孔隙比變化

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可獲得不同冷端溫度條件下凍融后沿試樣不同高度處的孔隙比和干密度分布。受壓縮試驗試樣環(huán)刀高度為20 mm所限，對凍融后的試樣沿試樣高度平分為3段，每段取樣測得其孔隙比及干密度。4種冷端溫度條件下凍融后沿試樣高度不同位置處的孔隙比和干密度的分布情況見圖10。由圖10可見，整體上4種冷端溫度條件下凍融后與原狀土相比試樣上部的孔隙比減小，中部和下部的孔隙比增大；而干密度的分布與孔隙比正好相反，即凍融后試樣上端的干密度增大，而試樣中下部的干密度減小。這說明凍融后試樣上部變得更加密實，而試樣中下部的密實度減小。

圖10 凍融后土樣的孔隙比和干密度分布Fig. 10 Pore ratio and dry density distribution of soil samples after freeze-thaw

3.2.2 水分重分布和土體結(jié)構(gòu)改變

在封閉系統(tǒng)條件下軟黏土進行單向凍融試驗，凍結(jié)過程在凍結(jié)鋒面附近存在負孔隙水壓力即吸力，引起水分遷移并最終帶來凍融后土體內(nèi)水分的重分布，并且在這個過程中會擾動土骨架使土樣變得不均勻。通過前述對不同冷端溫度凍結(jié)條件下凍融后軟黏土沿試樣高度不同位置取樣測試其含水率、孔隙比和干密度，并與凍融前相應高度位置處的值進行比較，可得圖11所示的4種條件下凍融后沿試樣高度不同位置處的含水率、孔隙比和干密度的變化情況。其中，由于含水率本身單位為%，計算時取凍融后各土層的值與對應高度處原狀土含水率之差；孔隙比和干密度取以凍融后的變化值與原狀土對應位置處的孔隙比和干密度值，即以變化率的形式表示，單位為%。

從圖11中可以看出，在試樣最上端靠近凍融暖端的位置處，冷端溫度為-15 ℃條件下含水率減小2%，而當冷端溫度上升至-5 ℃時，含水率減小7%。而含水率增大量最大的位置出現(xiàn)在試樣中部不同位置，4種條件下含水率增大1%～2%，與含水率減小量最大值相比略小。軟黏土凍融后這種含水率的變化也表明水分從暖端位置向冷端位置遷移的方向和強度與冷端溫度密切相關(guān)，冷端溫度越低，水分遷移的強度越低。

封閉系統(tǒng)條件下單向凍融，使土體內(nèi)部水分發(fā)生從暖端向冷端遷移的現(xiàn)象，而水分遷移和凍結(jié)鋒面推移過程中對土骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，這種對土體的破壞程度可通過凍融后土體孔隙比和干密度的定量變化表示。如圖11所示，在試樣上部，4種冷端溫度條件下,當冷端溫度為-15和-10 ℃時孔隙比減小2%，而當冷端溫度為-5 ℃時孔隙比減小15%；干密度增大量也從冷端溫度為-15 和10 ℃時的1%增大到冷端溫度為-5 ℃ 時的9%。同樣，在試樣下部，孔隙比增大量從冷端溫度-15 ℃ 的1%變化到-5 ℃的5%，而干密度減小量也從冷端溫度-15 ℃的0.5%變化到-5 ℃的2.2%。

圖11 4種冷端溫度凍融后不同位置處含水率、孔隙比和干密度變化Fig. 11 Moisture content, void ratio and dry density variation along specimen height after freeze-thaw experiments at four freezing temperatures

4 結(jié) 論

1)封閉系統(tǒng)4種不同冷端溫度凍結(jié)土樣的融沉系數(shù)均大于凍脹率，凍結(jié)完成時沿試樣不同高度處溫度梯呈線性分布。

2)凍結(jié)過程凍結(jié)鋒面發(fā)展與時間呈指數(shù)關(guān)系，凍結(jié)完成時間與凍結(jié)冷端溫度呈指數(shù)關(guān)系。

3)凍融后沿試樣高度方向水分重分布，試樣上部含水率減小，中下部增大，且凍結(jié)冷端溫度越低，變化越明顯。

4)結(jié)合沿土樣高度不同位置處含水率、孔隙比和干密度的變化，揭示凍融過程隨水分遷移過程負孔壓的存在對土樣有固結(jié)作用。