广州地铁隧道冻结工程冻土力学特性试验研究_图文

1、第3卷第5期地下空间与工程学报V o.l3 2007年10月Chinese Journal o fU nderground Space and Eng i neering O ct.2007广州地铁隧道冻结工程冻土力学特性试验研究*郑波1,2,张建明2,常小晓2,邓友生2,顾同欣2(1.中铁西南科学研究院,成都6100312.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,兰州730000摘要:人工冻结工程中,天然岩土变为冻岩土,其物理力学性质会发生显著变化,而隧道冻结工程的冻土力学参数,是冻结壁设计和隧道开挖的依据。据此展开室内试验,研究结果表明,在相同的土质条件下,温度越低,冻土

2、的单轴抗压强度越高;当蠕变应力小于冻土长期强度时,可用方程E=A R B t C描述冻土的蠕变过程;而当蠕变应力较大时,上述蠕变方程不适用;在加载应力作用初期,冻土的强度衰减很快,在设计中必须考虑冻土的长期强度,而不能用瞬时强度代替长期强度;在有补给水源的情况下,粉质粘土的冻胀率及融沉系数最大,分别可达26.88%和17.19%。关键词:人工冻结;地铁隧道;力学特性中图分类号:TU411.3文献标识码:A文章编号:1673-0836(200705-0893-05M echan i cal Properties Study of A rtifici ally Frozen Soili n Tun

3、nel Engi neering of Guangzhou M etroZ H ENG Bo1,2,Z HANG Ji a n-m ing2,C HANG X iao-x iao2,DENG Y ou-sheng2,GU Tong-x in2(1.Sou t h w est R esearc h Instit u te of China Rail way Eng i neering,Chengdu610031,China2.S t ate K ey Laboratory of F rozen Soil E ngineer i ng,CAREERI,CA S,Lanzhou730000,Chin

4、aAbstract:In the g round freezi ng,natura l so il becom es frozen so i,l and its m echan ica l properties have a rema rk-ab l e change.T he m echanical param eters of frozen so il in m etro t unne l are the bas i s o f freezi ng w all desi gn and tunne l ex cavation.A na l yses of the test resu lts

5、sho w:(1U nder the sa m e so il conditi on,the lower the te m pe ra t ure,theh i gher the uniax ia l compressive strength.(2W hen t he creep stress is less than t he long-ter m streng t h of frozenso i,l the creep equation can be expressed as E=A R B t C,butw hen the creep stress i s g rea ter,th i

6、s equation is i nva-li d.(3T he di m i n i sh i ng of t he fro zen so il streng t h is quick i n the i nitial stage o f l oading,t herefore,the l ong-ter m streng th o f frozen so il i n the desi gn m ust be consi dered,and it canno t be rep laced by the instantaneous streng t h.(4 In t he open syst

7、e m,t he frost heave and thaw stra i n o f silty clay is the g reatestw ith a v al ue of26.88%,17.19%,re-spec tive l y.K eyword s:a rtific i a l frozen;m etro tunne;l m echan ica l prope rt y1引言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(一般为氨-盐水、液氮或干冰等在冻结管中循环流动,把冷能传给周围地层,使地层中的水冻结成冰,将天然岩*收稿日期:2007-01-24(修改稿作

8、者简介:郑波(1980-,男,湖南邵阳人,博士研究生,主要从事隧道工程及寒区岩土工程等研究。E-m ai:l my1390.基金项目:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所知识创新工程项目(2004104,中国科学院知识创新工程重要方向性项目(K ZCX3-S W-351联合资助。土变为冻岩土,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。用以抵抗地压、水压等外部荷载,隔绝地下水与地下工程的联系,以便在冻结壁的保护下进行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技术,其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以加固地层,保证施工顺利进行。1862年英国人首先将人工制冷方法用于基础工程,1880年德

9、国人提出人工冻结法原理,1883年德国工程师波茨舒在德国阿尔巴里得煤矿首先应用人工冻结法凿井,并获得了冻结法凿井的专利, 1955年我国在开滦林西煤矿首次使用人工冻结法凿井,之后人工冻结法在我国获得了广泛的应用。建国以来,我国已用冻结法建造了400多个井筒,冻结壁总长度超过66k m1。现在随着城市建设工程的不断繁荣,该项技术的应用范围正从矿山竖井建设工程扩展到城市土木工程、地铁、输水管道、核废料地下储仓等工程建设中2,1992年起上海市地下铁道建设中处理局部地层、泵站与地铁隧道的连通部等工程采用了人工冻结法,上海地铁在通过建筑物或公路的部分也应用冻结法3,2005年广州地铁三号线天河客运站折

10、返线隧道工程也采用了人工冻结方法,在建筑群中进行新的高层建筑的深基础施工也在进行应用冻结法的技术准备和研究4。然而,人工冻结工程中,随着天然岩土变为冻岩土,其物理力学性质发生显著变化,因此,为了确保冻结法施工过程的安全,必须给冻结壁的设计和施工提供准确可靠的冻土力学特性参数,从而确定合理的冻结壁厚度、冻结时间以及隧道开挖过程中应注意的事项等。本文结合位于YDK0+230.4与YDK0+368.5之间,斜穿广汕公路和沙河立交桥的广州地铁三号线水平隧道冻结工程,对其冻结壁设计范围内具有代表性的土质进行了室内冻土试验研究,以期为隧道冻结工程的设计与施工提供参考依据。2土质基本物理性质试验共取4种位于

11、冻结壁设计范围内具有代表性的土质,分别为中细砂土、粉质粘土、可塑砂质粘性土、硬塑砂质粘性土。其常规土工实验结果见表1。从表中可以看出,试样具有天然含水量大、孔隙比大的特点。表1常规土工试验结果Tab le1N ormal exp er i m en t result of th e soil土质天然含水量w(%密度Q(kg/m3孔隙比e液限wL(%塑限wp(%中细砂土22.119.80.67-粉质粘土28.119.10.6634.721.7可塑砂质粘土28.418.40.8834.624.7硬塑砂质粘土24.519.00.8033.621.23冻土物理力学性质所有试验根据煤炭部行业标准人工冻土

12、物理力学性能试验规程(MT/T593.41996进行,首先,对拟进行分析测试的土质,通过钻孔采取岩芯,获得尺寸为U90mm200mm的土样。然后,将土样用双层塑料袋包装密封并用报纸包紧,再用胶带捆扎。随后,将捆扎好的土样浸入石蜡中再次密封,并用报纸包裹(防止土样运输过程中颠簸损坏,装入土样筒内。最后,将土样筒用胶带密封,填写土样标签并贴于土样筒上,运回冻土实验室。在实验室根据试验要求,制成原状及重塑土样,在负温下冻结、修整,并恒温2448h,制成试验所需的冻土样。对所取的4种土质均进行2个温度水平(-5e,-8e下的冻土物理力学性质试验,每种土质制作3-5个平行样,在试验结果处理过程中,根据情

13、况剔除个别离散性较大的数据,然后取其平均值为最终试验结果。3.1冻土单轴抗压强度试验冻土单轴抗压强度是一种短时荷载下的强度,是冻土试验中最直观、最基本的试验内容,也是目前设计部门进行冻结壁设计的主要依据。试验采用应变速率控制加载方式,应变速率设定为1.0%/ m i n。试验在美国制造的MTS-810材料试验机上进行,均采用原状土试样,试件尺寸为U61.8mm 125.0mm。在相同的试验条件下,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,如图1、图2。对于应变软化型出现应力峰值(图1,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2,抗压强度取其应变达到1

14、5%时的应力值。根据试验得出的4种土质在2种温度条件下的单轴抗压强度值,如图3。由图可知,在相同的温度条件下,中细砂土抗压强度较高,粉质粘土的抗压强度次之,硬塑砂质粘性土抗压强压最低;在894地下空间与工程学报第3卷 图1 应变软化型曲线F i g .1 Curve of stra i n-so fteni ng图2 应变硬化型曲线F i g.2 Curve o f stra i n-harden i ng相同的土质条件下,温度越低,冻土的抗压强度越高,且中细砂土强度提高值最大,由此可见,对于一定的土层,可以通过降低温度的方法来提高冻土的抗压强度,更好地抵抗地压、水压等外部荷载,隔绝 地下水与

15、地下工程的联系。图3 单轴抗压强度-温度曲线F i g .3 Curve of un iax ia l compressive streng thand te m pera t ure3.2 冻土单轴压缩蠕变试验对于一个完整的冻土蠕变试验,其试样变形过程一般会经历明显的三个阶段:非稳定蠕变阶段(应变速率逐渐减小,稳定蠕变阶段(应变速率保持常数,加速蠕变阶段(应变速率逐渐增大。冻土在加速蠕变阶段产生的变形会超出容许变形值,会发生破坏。故在工程实践中,从安全的角度考虑,一般不允许冻土出现加速蠕变阶段。试验采用多试样单级应力加载方式,蠕变加载系数大致按0.55、0.60、0.65、0.70取值。试验

16、在M TS-810材料试验机上进行,均采用重塑土试样,试件尺寸为U 61.8mm 125.0mm 。表2 冻土单轴蠕变方程试验参数Tab l e 2 Experi m ent para m eters of creep equat i on on frozen so il土质含水量(%干容重(g /c m 3试验温度(e A B C 粉质粘土23.421.56-5.00.00003227.5900.364-8.00.0004703.1560.152可塑砂质粘性土31.171.41-5.00.001704.4650.359-8.00.00005866.9910.451硬塑砂质粘性土22.471.

17、61-5.00.001156.7990.471-8.00.0003465.3000.3973.2.1 冻土单轴蠕变在冻土蠕变试验中,具有实际工程意义的仅为其前二个蠕变阶段,即冻土发生破坏以前的变形过程。大量的研究结果表明5,当仅考虑蠕变前二个阶段的变形时,冻土的蠕变过程可以用下述方程描述:E =A R B tC (1式中:E 为轴向应变(%,R 为轴向应力(MPa,t 为时间(m i n ;A 、B 、C 为与土质及温度有关的试验参数,可以通过回归分析求得,见表2。由式(1及表2中相应参数拟合的蠕变曲线与实测蠕变曲线的对比情况如图4所示。从图中可以看出,当蠕变应力较小时两者吻合较好;而当蠕变应

18、力较大时两者偏差较大。由此可见,当应力较大时,上述蠕变方程不适用。3.2.2 冻土长期强度冻土中由于冰和未冻水的存在,其强度随时间延长而不断衰减,最后趋于稳定。通过蠕变试验可知,冻土的破坏时间随加载应力的减小而逐渐延长。此即表明,冻土的强度随时间的延长而逐渐降8952007年第5期 郑 波,等:广州地铁隧道冻结工程冻土力学特性试验研究 图4 冻土单轴蠕变曲线拟合F ig .4 F itted curve o f un i ax i a l creep on frozen so il低。国内外大量的研究结果表明6,冻土的强度随时间衰减的过程可以用如下方程描述:R f =Bln (t f /A (

19、2式中:R f 为冻土的长期强度(M Pa,t f 为破坏时间(m i n ,A 、B 为随土质及温度变化的试验参数。根据蠕变试验,将冻土试样的加载应力及其相应的破坏时间代入上式,通过回归分析可以求得参数A 、B 的值,见表3。表3 冻土长期强度方程试验参数T ab le 3 E xper i m en t para m e ters of long -ter m strength on frozen soil土质含水量(%干容重(g /c m 3试验温度(e A B 相关系数粉质粘土23.421.56-5.00.248614.510.996-8.00.052123.420.994可塑砂质粘性

20、土31.171.41-5.00.131810.600.999-8.00.001522.220.977硬塑砂质粘性土22.471.61-5.00.002515.700.988-8.05.1E -528.650.997由式(2及表3中相应的试验参数拟合的长期强度曲线与实测值的对比情况如图5。其中,离散点为实测值,实线为拟合曲线。可以看出,当破坏时间较短时,两者吻合很好,可以用来计算冻土 的长期强度值。图5 冻土长期强度曲线拟合(粉质粘土F i g .5 F itted curve o f l ong -ter m streng t h on frozen so il(silty c lay 对冻土

21、长期强度变化规律的进一步分析可知,在加载应力作用的初期,冻土的强度衰减很快,随着时间的延长,其过程逐渐趋于平缓,且冻土温度越低,冻土长期强度越高,方程系数A 随温度降低而降低,系数B 随温度降低而升高。在工程实践中,由于隧道开挖后并不能立即支护,其间会有一定的时间间隔,在这段时间内,冻土的强度会随时间大幅度降低。因此,在人工冻结工程的设计和施工中,必须考虑冻土的长期强度,而不能用瞬时强度来代替长期强度。3.3 冻胀及融沉试验冻胀及融沉试验分封闭系统和开放系统两种情况。在封闭系统试验中,由于无水源补给,所以单向冻结时,试样的竖向自由冻胀量及竖向最大冻胀约束力均较小,它并不能反映现场的真实情况。基

22、于此,本试验中采用有水源补给的开放系统。在冻胀试验条件中,试样冷端(顶端温度设定为-8e ,暖端(底端温度设定为1e ,持续时间均在72h 以上;融沉试验采用冻胀试验后的土样,在冻胀试验结束后,立即进行融沉试验,试样暖端(顶端的温度为20e ,冷端(底端的温度为1e ,试验在自由排水条件下进行,直到试样的融沉变形量基本稳定为止。试验均在实验室自主研制的XT-5405冻融试验装置上进行,采用重塑土试样,试件尺寸为U 100mm 100mm 。通过试验得出的3种土质的冻胀率及融沉系数,如表4所示,由表可知,在相同的试验条件下,粉质粘土的冻胀率及融沉系数最大,硬塑砂质粘性土次之,可塑砂质粘性土最小。

23、相应地,冻胀率及融沉系数越大,试验过程中补水量就越大,补水量最大的是粉质粘土为204m ,l 所以在实际工程中要充分考虑由于冻胀造成地面较大的变形,以免影响建筑物以及交通运输的安全。896地下空间与工程学报 第3卷表4 冻胀及融沉数试验结果Tab l e 4 Experi m ent resu lts of frost heave and tha w 土质干容重(g /c m 3含水量(%冻胀补水量(m l 冻胀率(%融沉系数(%粉质粘土1.5723.920426.8817.19可塑砂质粘性土1.4230.4395.552.22硬塑砂质粘性土1.6122.012113.848.66试样在冻结及

24、融化过程中的变形曲线如图6所示。由图可知,经过约160h 后,粉质粘土变形量达22mm,远远超过由水变成冻的膨胀率9%所产生的变形量,产生这种情况的原因是由于在有水分补给的开放系统中,试样内部有大量的分凝冰形成。可见,如果在地层中粉质粘土占较大比重时,地表变形量是相当可观的,很有可能导致地表建筑物由于不均匀变形而产生的破坏,必须引起的高度 重视。图6 冻胀及融沉变形过程曲线F i g .6 Cu rve of frost heave and tha w de f o r m ati on从图中还可以看出,对于粉质粘土及硬塑砂质粘性土,冻胀试验结束时该试样的冻胀量仍在继续增长,即冻胀变形过程还未

25、完全达到稳定状态。因此,该试验结果给出的冻胀率及融沉系数可能偏小,工程应用中应适当外推或增大安全系数,以确保工程施工的安全。冻胀和融沉并非是一个完全可逆的过程,土体经过冻胀后再进行融沉,总有一部分冻胀变形不能立即恢复,且融沉基本上是瞬时发生的,所以隧道冻结工程开挖后要以一定温度梯度缓慢进行解冻,并尽可能采取辅助措施,如对冻结地层钻孔浇筑混凝土桩,防止由于解冻而使地表产生突变变形,造成对地表建筑物的损坏。4 结论与建议(1在相同的温度条件下,中细砂土的抗压强度较高,粉质粘土次之,可塑砂质粘性土及硬塑砂质粘性土较低;在相同的土质条件下,温度越低,冻土的抗压强度越高,对于一定的土层,可以通过降低温度

26、的方法来提高冻土的抗压强度。(2冻土的单轴蠕变过程可以用方程E =A R B t C描述。当蠕变应力小于冻土的长期强度时,由上式计算的蠕变曲线与实测的蠕变曲线吻合较好;而当蠕变应力较大时,两者偏差较大,上述蠕变方程不适用。(3冻土单轴抗压强度随时间衰减的过程可用方程R f =Bln (t f /A 描述。在加载应力作用初期,冻土的强度衰减很快;但随着时间的延长,其过程逐渐趋于平缓。在冻结法施工过程中,由于隧道开挖后并不能立即支护,其间会有一定的时间间隔,在这段时间内,冻土的强度会随时间而大幅度降低。因此,设计中必须考虑冻土的长期强度,而不能用瞬时强度代替长期强度。(4在有水分补给的开放系统中,

27、粉质粘土的冻胀率及融沉系数最大,分别可达26.88%和17.19%,同时试样内部有大量的分凝冰形成,导致冻胀过程中,粉质粘土变形量达22mm,远远超过由水变成冻的膨胀率9%所产生的变形量,必须引起高度的重视。冻胀和融沉并非是一个完全可逆的过程,土体经过冻胀后再进行融沉,总有一部分冻胀变形不能立即恢复,且融沉基本上是瞬时发生的,所以隧道冻结工程开挖后要以一定温度梯度缓慢进行解冻,并尽可能采取辅助措施,如对冻结地层钻孔浇筑混凝土桩,防止由于解冻而使地表产生突变变形,造成对地表建筑物的损坏。参考文献:1 崔广心.深土冻土力学冻土力学发展的新领域J.冰川冻土,1998,20(2:97-99.(CU I

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