寧波地區(qū)人工凍土抗折特性研究

劉華吉

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

我國(guó)人工凍結(jié)法施工技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，目前隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)大量應(yīng)用在隧道土層加固、特殊地段工程處理、基坑工程等方面[1-7]。凍結(jié)法施工設(shè)計(jì)之前，應(yīng)準(zhǔn)確獲取人工凍土的物理力學(xué)性質(zhì)。我國(guó)學(xué)者已對(duì)人工凍土進(jìn)行了多方面的研究，目前已形成較多的凍土試驗(yàn)成果和理論[8-9]。黃 星[10]等采用單軸抗壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)對(duì)凍土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比研究，獲取了不同土質(zhì)抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的特性及溫度變化規(guī)律；姚兆明等[11]提出了人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度不同核函數(shù)的遺傳支持向量機(jī)計(jì)算模型；胡向東等[12]研究了不同含鹽量的重塑土在不同溫度下的強(qiáng)度表現(xiàn)。蔡正銀等[13]研究了含鹽量和含水率對(duì)凍土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，凍土強(qiáng)度隨著含水率的升高增強(qiáng)，到達(dá)峰值后降低，隨含鹽量的升高而降低。王儒默等[14]以不同含水率和不同凍結(jié)時(shí)間展開(kāi)研究，對(duì)黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，凍結(jié)后的粉質(zhì)黏土隨凍結(jié)時(shí)間的增大其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大。

為獲取甬舟鐵路金塘海底隧道工程[15]在凍結(jié)狀態(tài)下的典型土樣的抗折特性，依據(jù)《人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)》（MT/T 593-2011）標(biāo)準(zhǔn)，在不同溫度和不同含水率條件下對(duì)土樣進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，獲取其抗折特性和規(guī)律，可為人工凍結(jié)法施工在金塘海底隧道建設(shè)中應(yīng)用提供必要的設(shè)計(jì)參數(shù)和依據(jù)，進(jìn)而保證工程施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 土樣基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)于隧道洞身附近采取2 組不同的典型土層作為試驗(yàn)對(duì)象，嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）進(jìn)行常規(guī)土工試驗(yàn)，每組至少取6 個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。具體試驗(yàn)項(xiàng)目：含水率試驗(yàn)、密度試驗(yàn)、土粒比重試驗(yàn)和液塑限試驗(yàn)。常規(guī)土工試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 常規(guī)土工試驗(yàn)結(jié)果

2 凍土力學(xué)性能研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

人工凍土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)所用儀器為南京林業(yè)大學(xué)凍土試驗(yàn)室的微機(jī)控制多功能凍土試驗(yàn)機(jī)(WDT-100B)。

其中加載夾具采用雙點(diǎn)加載的鋼制加壓頭，使兩個(gè)相等的荷載同時(shí)作用在小梁的兩個(gè)三分點(diǎn)處；與試樣接觸的兩個(gè)支座頭和兩個(gè)加壓頭應(yīng)具有直徑約15 mm 的弧形端面（為防止接觸面出現(xiàn)壓融，弧形端面宜采用非金屬材料制作），其中的一個(gè)支座頭及兩個(gè)加壓頭宜做成使之既能滾動(dòng)又能前后傾斜。試樣尺寸及加載示意見(jiàn)圖1。

圖1 試樣加載示意圖（單位：mm）

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用凍結(jié)重塑土試樣，其制備方法按《人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)：人工凍土試驗(yàn)取樣及試樣制備方法》（MT/T 593.1-2011）的規(guī)定進(jìn)行。試樣規(guī)格： 200 mm×50 mm×50 mm?？拐蹚?qiáng)度試驗(yàn)在-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃4 個(gè)溫度水平下進(jìn)行試驗(yàn)。每個(gè)溫度下再制取4 個(gè)不同含水率的不同土層試樣進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。若試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散較大（超過(guò)15 %），則增加試件數(shù)并相應(yīng)去除離散性較大的數(shù)據(jù)。

首先制備試樣，并且在-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃低溫環(huán)境下恒溫24 h，試驗(yàn)前檢查試樣外觀，測(cè)量試樣斷面尺寸。試樣不得有明顯缺陷。在試樣側(cè)面標(biāo)出加載點(diǎn)位置。

將試樣在試驗(yàn)機(jī)的支座上放穩(wěn)對(duì)中，承壓面應(yīng)選擇試樣成型時(shí)的側(cè)面。按要求調(diào)整支座和加壓頭位置，其間距的尺寸偏差應(yīng)不大于±1 mm。

開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)加載壓頭與試樣快接近時(shí)，調(diào)整加壓頭及支座，使接觸均衡。對(duì)試樣進(jìn)行兩次預(yù)彎，預(yù)彎荷載均相當(dāng)于破壞荷載的5 %～10 %。以60 N/s的速度連續(xù)而均勻地加載(不得沖擊)。加載過(guò)程中自動(dòng)記錄荷載與跨中撓度值。典型凍土樣品破壞圖見(jiàn)圖2。

圖2 典型凍土樣品破壞圖

根據(jù)采集數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算破壞荷載及跨中相對(duì)撓度。

粉土和粉質(zhì)黏土抗折強(qiáng)度與相對(duì)撓度關(guān)系曲線見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 粉土凍土抗折強(qiáng)度與撓度關(guān)系曲線（含水率30%）

圖4 粉質(zhì)黏土凍土抗折強(qiáng)度與撓度關(guān)系曲線（含水率31.26%）

2.3 參數(shù)計(jì)算

人工凍土抗折強(qiáng)度：

式中：ff為抗折強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N；l為支座間距(即跨度)，l=3h，mm；b為試樣截面寬度，mm；h為試樣截面高度，mm。

抗折強(qiáng)度以3 個(gè)試樣測(cè)值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同溫度下凍土抗折強(qiáng)度分析

兩種土層試樣在-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃4個(gè)凍結(jié)溫度水平下的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 粉土凍土抗折強(qiáng)度與溫度關(guān)系

根據(jù)圖5、圖6試驗(yàn)結(jié)果可知，溫度對(duì)粉土和粉質(zhì)黏土的凍土抗折強(qiáng)度影響較大。含水率相同時(shí)，隨著凍結(jié)溫度的降低，凍土的抗折強(qiáng)度線性增大，根據(jù)曲線關(guān)系擬合結(jié)果，平均每降低1 ℃，粉土層抗折強(qiáng)度增大約0.18 MPa，粉質(zhì)黏土層抗折強(qiáng)度增大約0.20 MPa。這是由于凍土的凍結(jié)狀態(tài)和組構(gòu)與凍結(jié)溫度的高低密切相關(guān)，進(jìn)而直接決定著凍結(jié)狀態(tài)下凍土的力學(xué)性質(zhì)。隨著溫度的降低，凍土中含冰量增加，巖土顆粒間的膠結(jié)力加強(qiáng)，抗折強(qiáng)度增大。

圖6 粉質(zhì)黏土凍土抗折強(qiáng)度與溫度關(guān)系

3.2 不同含水率下凍土抗折強(qiáng)度分析

在-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃4 個(gè)溫度水平下不同含水率的兩種土層試樣的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 粉土凍土抗折強(qiáng)度與含水率關(guān)系

圖8 粉質(zhì)黏土凍土抗折強(qiáng)度與含水率關(guān)系

圖7、圖8的試驗(yàn)結(jié)果表明，在凍結(jié)溫度相同時(shí)，含水率的不同對(duì)抗折強(qiáng)度有一定影響。隨著含水率從30%增大到36%過(guò)程中，粉土試樣的抗折強(qiáng)度逐漸減小，其中含水率為30%時(shí)，其凍土試樣抗折強(qiáng)度最大；粉質(zhì)黏土在含水率從28%增大至37%過(guò)程中，其凍土試樣的抗折強(qiáng)度先增大后減小，但是變化差異性不明顯。在粉質(zhì)黏土含水率為34%時(shí)，其抗折強(qiáng)度最大?？芍煌临|(zhì)由于其顆粒組成成分不同，其凍土試樣的最大抗折強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率也不同。

4 凍結(jié)條件下不同土層抗折強(qiáng)度差異

溫度對(duì)粉土和粉質(zhì)黏土人工凍土的力學(xué)性質(zhì)影響較大。溫度的改變直接影響凍土的凍結(jié)狀態(tài)和組構(gòu)，從而改變凍結(jié)狀態(tài)下凍土的力學(xué)性質(zhì)。溫度降低時(shí)，凍土中未凍水含量減少，含冰量增加，巖土顆粒間的膠結(jié)力加強(qiáng)，進(jìn)而強(qiáng)度增大。

試樣含水率對(duì)凍土的強(qiáng)度有一定影響，但是不同含水率在相同溫度下強(qiáng)度變化差異性相對(duì)較小。這是因?yàn)樵谕翆雍饰催_(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，隨著含水率的增加，冰與土顆粒、鹽晶體之間的膠結(jié)能力增強(qiáng)；當(dāng)含水率達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，土體中的空隙完全被冰填充，土顆粒、冰晶體、鹽晶體及它們之間的相互作用達(dá)到了最好的狀態(tài)，強(qiáng)度達(dá)到最大。隨著含水率繼續(xù)增大，強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，是由于隨著含水率繼續(xù)增加，超過(guò)最優(yōu)含水率時(shí)，土中水結(jié)冰將產(chǎn)生過(guò)大的凍脹，從而破壞土骨架，反而使得土體顆粒與冰體間的膠結(jié)能力下降，整體強(qiáng)度下降。

5 結(jié)論

本文研究表明，溫度、含水率是影響人工凍土抗折強(qiáng)度的重要因素。主要結(jié)論如下：

（1）粉土和粉質(zhì)黏土人工凍土的力學(xué)性質(zhì)受凍結(jié)溫度影響較大，其抗折強(qiáng)度均隨溫度的降低而增大，且與溫度具有較好的線性關(guān)系。

（2）不同含水率對(duì)粉土層和粉質(zhì)黏土層力學(xué)性質(zhì)有一定影響。且不同土質(zhì)的最大抗折強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的含水率不同，粉土試樣在含水率為30%時(shí)，其抗折強(qiáng)度最大，粉質(zhì)黏土試樣在含水率為34%時(shí)，其抗折強(qiáng)度最大。

（3）超過(guò)飽和最優(yōu)含水率時(shí)，粉土和粉質(zhì)黏土中的水在結(jié)冰過(guò)程中將產(chǎn)生凍脹，對(duì)土的骨架造成破壞，從而使得土體顆粒與冰體間的膠結(jié)能力下降，抗折強(qiáng)度減小。

（4）由于人工凍結(jié)力學(xué)機(jī)制復(fù)雜，且受環(huán)境條件影響較大，隧道凍結(jié)法施工方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮地方經(jīng)驗(yàn)、工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件等因素，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)獲取的人工凍土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行修正后使用。