深部人工冻土物理力学特性研究现状概述.pdf

2014年10月 ? 第40卷 总第181期 2014年 第5期 Sichuan Building Materials DOI:10. 3969/ j. issn. 1672 -4011. 2014. 05. 033 深部人工冻土物理力学特性研究现状概述 方蕾蕾 (安徽理工大学土木建筑学院, 安徽 淮南 232001) 作者简介:方蕾蕾(1990 - ),女,安徽安庆人,在读硕士研究生,主要 研究方向:深部人工冻土。 摘 要: 随着全球经济不断发展, 各种资源需求量的 增加使得地表面空间不够利用, 于是人类开始了向更深的 地下空间进行开发和利用。 然而对于深部地下空间的开挖 问题, 首先要解决的就是在含水层和软弱土层的开挖技术 问题。 在现代的技术中, 人工冻结法因为其本身所具有的 优点而备受重视。 深部人工冻结法施工中最为重要的一点 就是对冻结壁的设计, 冻结壁的强度和变形是决定深部人 工冻结技术应用的成败关键。 本文就人工冻土的基本概念 做了叙述, 同时还将深部人工冻土和浅部冻土相比较, 以 更好地说明深部人工冻土的特点, 并对于在冻结壁的设计 中需要了解的物理力学特性做出了概述。 关键词: 深部人工冻土; 浅部冻土; K0固结; 物理力 学特性 中图分类号: P642 14文献标志码: B 文章编号:1672 -4011(2014)05 -0071 -03 0 前 言 在当前社会经济不断发展、 全球人口不断增长的情况 下, 相对来说, 地表以上空间就显得越来越小, 这就迫使 着人们要不断地开发新空间, 因此开始了地下空间的开发。 人工冻结法由于其本身基本不受支护范围和支护深度的限 制, 且能够有效地防止涌水, 在城市挖掘、 钻凿施工中亦 能够很好地防止相邻土体的变形, 而受到越来越多的重视, 并逐渐成为完成地下工程的主要技术手段之一。 1 人工冻土概况 人工冻土, 其实就是以人工制冷的方法将地下开挖工 程周围的松散含水层或者破碎含水层冻结起来而形成的, 其目的就是利用冻土有着较高的强度且有不透水的特性来 抵抗岩土的压力, 并依靠由冻结土形成的冻结壁来隔绝其 内、 外地下水的联系, 然后在冻结壁的保护下进行工程建 设。 人工冻土根据其所处的地层深度不同又分为深部人工 冻土和浅部冻土两类。 1 1 深部天然土体与浅部天然土体的物理力学性质 对不同土体来说, 其不同的物理力学性质决定了不同 的用途, 一般说来, 土体的物理力学性质主要包括密度、 含水率、 饱和度、 强度与变形参数等参数1。 天然深部土体, 由于其相对于浅土层来说较长一段时 间都是处于高压 K0的作用下,则必然会在高压 K0的作用下 进行着固结的过程,其中所谓 K0固结,也即土体在无侧向变 形的条件下进行的竖向固结,此时,土体水平和竖直方向的 有效应力之比称为 K0值,K0= Rh/ Rv。 正因为深部天然土体 有着高压固结的过程, 使得其物理力学性质必然与那些处 于无载或低应力水平下的地表或浅部土存在着显著差异。 此外, 天然土体在沉积形成的过程中还因受到各向不 等的应力状态的影响, 使得其具有与浅部土显然不同的各 向异性的特性。 1 2 深部人工冻土力与浅部冻土的形成过程不同 第一, 从 1 1 可以得出, 由于深部天然土体与浅部天 然土体的物理力学性质的不同, 从而影响了其冻土的力学 性质。 而且, 随着地压的增大, 土体的冰点(即结冰温度) 会随相应的降低2。 第二, 深部天然土体在高压的条件下形成冻土的过程 中, 会出现水分的迁移、 冻胀变形等现象, 对形成的冻土 也会产生微观结构的影响, 进而在很大程度上决定了其力 学性状。 然而, 对于浅部天然土体来说, 其形成冻土主要 是因为大气冷源作用于地表或浅部天然土体而形成的, 当 然, 除了一些高海拔、 高纬度的高寒地区以外, 浅部冻土 的深度一般不超过 50 m。 由此可知, 浅部天然土体处于无 载或低载状态, 冻土形成环境与深部土人工冻土是有着明 显差异的。 1 3 深、 浅部冻土的力学性状不同 深部人工冻土以卸载或卸载后再增载的应力路径为主; 而对于地表或浅部冻土来说, 其冻土的应力路径通常以加 载为主。 在不同的应力路径中, 冻土将呈现出不同的力学 性状。 1 4 深部人工冻土以冻结壁来承载 在冻结法施工过程中, 作为重要设计环节之一的冻结 壁, 设计的好坏决定了深部人工冻土施工技术的成败。 因 为冻结壁是作为深部人工冻土施工过程中的支护结构而存 在的。 冻结壁的承载能力不仅与冻土的力学性能有关, 还 与冻土结构的形式、 尺寸、 规模以及冻土的形成过程等因 素有关。 2 深部人工冻土的物理力学特性研究 2 1 物理性质指标 冻土基本物理指标的测定精度, 决定着工程的可靠性。 冻土是由不同的物质组成的四相物体, 其中包括矿物颗粒、 冰、 未冻水和气体。 冻土的物理性质指标主要包括通过试验测定的四大基 本指标以及可以通过相应计算公式计算得到的其他指标。 其中, 四大基本指标指: 冻土矿物颗粒的比重 Gs、冻土的天 然容重 r、冻土的总含水量 wc和冻土中未冻水含量 wH,可以 通过计算得到的其他物理指标如下: 相对含水量 i,是指冻土中冰的重量与全部水的重量的 比值,即 i = gi/ gw; 17 2014年10月 ? 第40卷 总第181期 2014年 第5期 Sichuan Building Materials 体积含水量 iv,是指冰的体积与冻土总体积的比值,即 iv = Vi/ V; 重量含水量ig,是指冰的重量与土颗粒重量的比值,即ig = gi/ gs; 冻土干容重 rd,是指土颗粒的重量与冻土的总体积的比 值,即 rd= gi/ V; 冻土孔隙比 e,是指冻土中孔隙的体积与土颗粒体积的 比值,即 e = Vk/ Va; 冻土的物理力学特性包括冻土的热物理性质、力学性质 及流变性三大类。 2 2 热物理性质 冻土的热物理性质是由水处在不同相态时或正在发生 相变时的特性所决定的。冻土的热物理性质可以用比热 C、 导热系数 、导温系数 a、结冰温度及冻土的热容量 Q 来描 述。 比热是表示冻土温度发生变化时,所需要吸收或放出的 热量,用 C 表示。冻土的比热有两种指标:质量比热 CM和容 积比热 CV。其中,质量比热是指 1 kg 冻土发生 1 K 温度的改 变,所需要吸收或放出的热量多少,用 CM表示,单位 kJ/ (kg K);容积比热是指 1 m3冻土发生 1 K 温度的改变,所需要吸 收或放出的热量多少,用 CV表示,单位 kJ/ (m3 K)。计算公式 分别如下: CM= CP+ ( - u) Ci+ u C 1 + ; CV= s CP+ ( - u) Ci+ u Cw 1 + = S CM 式中 CP 融土颗粒的比热,一般为0 71 0 84kJ/ (kg K); 含水量,%; u 未冻水含水量,%; Ci 冰的比热,一般为 2 1kJ/ (kg K); Cw 水的比热,一般为 2 1kJ/ (kg K); s 融土的干密度,一般为 1 300 1 700 kg/ m3。 注意,比热随温度而变化,工程中一般用平均比热,即温 度变化中吸收或放出的总热量除以温度变化总值。 冻土的导热能力表示物体传热的难易程度,其也取决于 各组分的导热能力,即冻土导热系数取决于矿物骨架、水、冰 和气体的导热系数3。通常所采用的导热系数是指温度梯度 为 1 K/ m 时,单位时间内通过单位面积的热量,用 表示,单 位 J/ (m h k)。一般情况下,黏土: = 1 4 左右;砂土: = 1 4。总的来说, 越大,越容易传热4。 冻土的导温性是表示物体中某一点在相邻点温度变化 时改变自身温度的能力,而导温系数 a 则是衡量导温性的物 理指标,表示温度场中各点温度平衡速度快慢的指标,计算 公式为: a = CM s 由上式可知,冻土的导温系数 a 越大,则土冷却或加热 的速度越快。但是,需要注意的是,冻土的温度系数会随着含 水量增加而增大,但达到一定含水量后趋于平稳。 冻土的结冰温度常常在0 以下,与土的含水量、粒度、 水溶液的浓度有关。 热容量是指每 1 m3冻土从原始温度降低到某冻结温度 所放出或吸收的热量,用 Q 表示,单位 KJ/ m3。冻土的热容量 由几个部分组成,即 Q = Q1+ Q2+ Q3+ Q4; 第一是水由原始温度降到水的结冰温度时所释放的热 量,用 Q1表示,计算公式为: Q1= Cw W T 式中, 为含水量;CW为水的比热;W为水的密度。 第二是水结冰所释放的潜热量,用 Q2表示,计算公式 为: Q2= 336 ( - u) s 式中,为 u为冻土中未冻水含量;s为融土颗粒干重。 第三是水由自身的结冰温度降到冻土的冻结温度所释 放出来的热量,用 Q3表示,计算公式为: Q3= Ci ( - u) i(td- tp) 式中,tp为冻结壁的平均温度。 第四是颗粒由原始温度降到冻结温度所释放出来的热 量,用 Q4表示,计算公式为: Q4= (1 - ) Cs s t 式中,Cs为融土的比热;s为融土颗粒干重。 2 3 力学性质及流变性 冻土的力学性质与冻土的温度、未冻水含水量、颗粒组 成、矿物成分、荷载作用时间及冻结速度有着密不可分的关 系,包括抗压强度、抗剪强度这两个主要要指标,其中抗压强 度是最突出冻土的力学优势。 2 3 1 冻土的抗压强度 试验表明,对于冻土来说,其抗压强度很高,极限抗压强 度甚至能与混凝土相当。作为建筑物地基来说,这是很有利 的。同时,冻土的抗压强度其实与温度、含水量、土颗粒以及 荷载作用时间有着密不可分的关系,这些也对冻土的抗压强 度大小有着决定性的影响。 试验表明,在一定的温度范围内,冻土的抗压强度与负 温绝对值呈线性关系,即冻土的抗压强度随着冻土的冻结温 度的下降而呈增大趋势。其中,单轴抗压强度可用线性方程 表示: m= 0+ B | | 式中,0为 = 0 时的抗压强度;为冻结温度;B为试验 系数5-8。 三轴抗压强度可按 1993 年马巍等根据大量冻土三轴抗 压强度试验结果提出的抛物线型强度屈服准则来理解。 冻 土抗压强度与一定范围内温度呈线性关系的主要原因是, 当负温不大且当温度降低时, 冰的强度和胶结能力会随之 增大, 使得土颗粒骨架和冰之间的联结加强, 同时土中未 冻水含量逐渐减少变成冻结状态, 从而增加了含冰量, 达 到增加抗压强度的效果。 但当达到一定温度时, 随温度的 降低, 抗压强度和温度间不再是线性关系, 目前还没有准 确的公式能够反映抗压强度与温度的关系, 但我国一般采 用前苏联的公式来进行工程估算, 即: = - 0 153t2+ 11t + 20 一般来说, 当温度在 - 20 时, 对于黏土冻土来说, 抗压强度小于 5 MPa,而对于砂土来说小于 10 MPa 。 从试验可知, 在土中含水量还未达到饱和时, 冻土强 度会随着含水量的增加而增加, 当达到饱和状态时, 含水 量若继续增加, 冻土的抗压强度反而会降低。 当含水量超 过饱和含水量一定程度时, 冻土的抗压强度也会降到和冰 的强度差不多大。 土颗粒对冻土抗压强度的影响可总结为: 在其他条件 相同的情况下, 土颗粒越粗, 冻土的抗压强度越高; 土颗 粒越细, 冻土的抗压强度越低。 其原因是由不同颗粒成分 27 2014年10月 ? 第40卷 总第181期 2014年 第5期 Sichuan Building Materials 造成土中所含的结合水的差异引起的。 除此之外, 土颗粒 的矿物成分和级配对冻土的抗压强度也有一定的影响。 2 3 2 冻土的抗剪强度 冻土的抗剪强度与温度、正应力、粘聚力c、内摩擦角 的大小等有关,可用库伦公式表示: = c + tan 由上式可知, 当温度相同时, 砂土的抗剪强度比黏土 的抗剪强度高。 冻土具有明显的流变性, 反应了冻土中应力与应变随 时间变化的特性, 包含了应力应变本构关系、 蠕变性、 蠕 变数学模型及强度松弛等四个重要指标。 对于冻土来说, 当荷载作用在其上面时, 其应力 - 应 变关系一般不是呈线性关系的, 也就是其不服从虎克定律。 实际来讲, 冻土的应力 - 应变关系, 由于冻土本身具有流 变性而发生了改变, 在应力一定时, 应变会随着时间的推 移而逐渐增长; 当应变一定时, 其应力会随着时间的推移 而呈逐渐减弱的趋势。 大量的研究发现, 冻土的应力 - 应 变关系很复杂, 不能够用某一种关系式来描述全部的应力 - 应变关系曲线, 而应该用不同的关系式分别描述不同类 型的应力 - 应变关系。 1991 年 ZhuYuaulinetal 根据大量试 验, 将冻土的应力 - 应变关系分成 9 种基本类型, 并分别 给出了它们的应力 - 应变方程。 然后根据这 9 种类型应力 - 应变关系曲线及其适用的土质、 含水量、 应变率及温度 条件, 编制了冻土应力 - 应变关系类型图, 研究者或工程 技术人员可以根据需解决问题的土质、 含水量、 应变率及 温度资料, 从该图中查出对应的应力应变关系类型, 并可 从有关文献中查出其应力应变本构方程。 对于冻土的蠕变特性, 是指在恒载作用下, 变形随时 间的延长而增大, 且没有明显的破坏特征, 可以大致划分 为两类: 衰减蠕变和非衰减蠕变。 典型的蠕变曲线如图 1 所示。 衰减蠕变: 即蠕变速率会随着时间的延长而减小, 最 后趋近于零。 非衰减蠕变: 即变形速率随时间延长而增大, 期间冻土的变形速率不断增加, 并很快导致冻土发生脆性 破坏。 如图 1(a)所示, 在衰减过程中, 变形速率逐渐趋近 于零, 蠕变变形收敛于某一个变形水平, 如图 1(b)所示, 非衰减蠕变包括三个阶段: 非稳定蠕变阶段: 此阶段中蠕变速率随时间衰减; 稳定蠕变阶段: 此阶段中蠕变速率为一个常数; 加速蠕变或称破坏阶段: 蠕变速率随时间增长而迅 速增加, 直至破坏。 00tt 00tt 2S2姨2S2姨 2dS2姨 dt 2dS2姨 dt 2dS2姨 dt 0 2dS2姨 dt =常数 (a) 衰减型蠕变(b) 非衰减型蠕变 图 1 复杂应力状态下人工冻土的典型蠕变曲线 3 总 结 冻土的力学特性参数是冻土壁设计的主要依据, 同时 深部人工冻土的力学特性研究是深部岩土工程冻结法施工 的前提。 因此, 在当今社会经济情况下, 对于正努力着手 开发地下资源的我们来说, 细致、 认真地学习了解深部人 工冻土的物理力学特性, 是非常有必要的。 ID: 001472 参 考 文 献: 1 崔广心. 论深厚表土层中确定地下结构物外载的基础理论 深部土力学J. 煤炭学报,1999,24(2):123 -126. 2 崔广心. 杨维好,李毅. 受载荷的湿土结冰温度变化规律的研究 J. 冰川冻土,1997,19(4):321 -327. 3 丁靖康. 冻土的工程性质Z.2001. 4 马芹永. 人工冻结法理论与施工技术M. 北京:人民交通出版 社,2007. 5 马巍,吴紫汪,等. 冻土的蠕变及蠕