（地质工程专业论文）人工冻结条件下上海饱和软粘土的力学特性试验研究.pdf

摘要 摘要 随着上海地区地下空间大规模的开发利用，人工冻结法已成为上海软土地 区地下空间开发利用的一种常用施工方法。在上海地铁4 号线外滩段隧道旁通 道冻结法施工引发的地质灾害发生后，人工冻结施工的不足之处再次引起了学 术界的重视。人工冻结法施工过程中，冻土强度的评估、冻胀引起周围土体位 移的控制，都是工程应用中的关键问题，而且冻结土层开挖施工后有大量残留 在隧道周围的冻土，随着残留冻土融化，土体物理力学性状会发生显著变化， 该变化对已建结构体稳定性的影响也是众多学者关注的重点。 上海地区饱和软粘土在冻结条件下的工程特性的研究，对上海地区地下空 间的人工冻结法施工有十分重要的指导作用。迄今，很少有人对此课题开展研 究，本文以上海第四层淤泥质粘土为研究对象，针对该地区人工冻结施工条件 下的工程特性，进行了以下方面的分析研究： ( 1 ) 通过冻土无侧限抗压试验，揭示了上海第四层淤泥质粘土的冻结强度 随温度的变化关系，并进一步探讨上海第四层淤泥质粘土弹性模量以及泊松比 随温度的变化规律；同时，还对不同环境温度下，冻结时间对人工无侧限抗压 强度的影响进行了试验研究，揭示了冻结时间对人工冻土无侧限抗压强度的影 响规律； ( 2 ) 通过室内冻胀试验，研究冷端温度对土体的冻胀力以及冻胀率的影响 规律，结果显示土样冻胀率以及冻胀力与冷端温度具有较好的线性关系。通过 冻结温度试验测出了土体的冻结温度，同时建立了土样的冻结温度场，进一步 揭示了冻结锋面的发展与时间的关系； ( 3 ) 利用安徽理工大学冻土实验室冻土三轴试验机，通过室内蠕变试验对 上海第四层淤泥质粘土的蠕变特性进行了探讨，并建立了相应的粘土蠕变模型。 通过等时应力应变曲线和等温应力应变曲线，对蠕变过程中的应力应变关系进 行了分析和探讨； ( 4 ) 利用同济大学海洋系国家重点实验室的环境扫描电子显微镜 ( x l 3 0 e s e m ) 对原状土，冻融土和冻结抗压破坏土三种类型土样的微观结构进 行研究，并借鉴前人的研究成果，采用相关软件对土体微观结构如孔隙数量、 孔隙面积、孔隙定向性、单元体的结构特征以及孔隙比等进行定量分析，比较 摘要 分析它们的变化。 关键词：人工冻结法，淤泥质粘土，无侧限瞬时抗压强度，冻胀与融沉试验，蠕 变试验，微结构 h a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e si ns h a n g h a i ，t h ea r t i f i c i a l f r e e z i n gm e t h o di sm o r ea n d m o r ew i d e l yu s e di nt u n n e lc o n s t r u c t i o n ( s u c ha st h es o i l r e i n f o r c e m e n to fb y - p a s sa n dp u m ph o u s eo ft u n n e l s ) i no r d e rt oa v o i dt h ep r o b l e m s o fg e o l o g i c a ld i s a s t e rw h i c hm a yh a p p e ni nt h ef r o z e nc o n s t r u c t i o n ，l i k et h ef r e e z i n g a c c i d e n th a p p e n e di ns h a n g h a it u n n e ll i n e4 ，t h ea r t i f i c i a lf r e e z i n gt e c h n o l o g ys h o u l d b eu t i l i z e ds a f e l i e r , m o r ee c o n o m i c a l l ya n dm o r ee f f e c t i v e l yt os e r v et h es h a n g h a i c i t y i t i sv e r yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yf o ru st os t u d yt h em i c r o s t r u c t u r e ，t h e i n s t a n t a n e o u su n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t h ef r o s th e a v ea n dt h a wc o l l a p s e ，t h e c r e e po ff r o z e ns o i la n di t s e n g i n e e r i n gm e c h a n i s mq u a l i t y - t h er e s u l tw i l l b e b e n e f i c i a lt ot h e f u n c t i o n a ls a f e t yo fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gi nt h ef u t u r e s of a r , n os c h o l a rh a ss t u d i e dt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e ro fs a t u r a t e d s i l t ys o f tc l a yu n d e r a r t i f i c i a lf r e e z i n gm e t h o di ns h a n g h a i i nt h i sp a p e r , w em a i n l y d i s c u s sc o n t e n t si nf o u ra s p e c t sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h r o u g hi n s t a n t a n e o u su n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t s ，t h es t r e n g t ho f t h ef r o z e ns o i lw a sa n a l y z e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e n g t ha n df r e e z i n g t e m p e r a t u r ew e r ed i s c u s s e d i na c e r t a i nt e m p e r a t u r er a n g e ，t h es t r e n g t ho ft h ef r o z e n s o i la n df r e e z i n gt i m ei n t e r a c ti naq u a d r a t i cp a r a b o l ar e l a t i o ni ne a r l yp e r i o d b e s i d e s ， i ti sa l s oal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et i m ea n dy o u n g sm o d u l u sa sw e l la s p o i s s o n sr a t i o ( 2 ) e x p l o r i n gc h a r a c t e r i s t i co ff r o s t h e a v i n go fa r t i f i c i a lf r e e z i n g s o i li sa k e y t e c h n o l o g ya n di m p o r t a n tb a s a lr e s e a r c h a b o u ta r t i f i c i a lf r e e z i n gm e t h o df o r m u n i c i p a lu n d e r g r o u n ds p a c e a f t e rt h ef r o s t h e a v i n gt e s t ，t h ep a p e r s t u d i e st h es o i l s f r o s t h e a v i n g sr e l a t i o n s h i pw i t hf r e e z i n ge n dt e m p e r a t u r e t h ef r o s t - h e a v i n gr a t i o a n dt h ef r o s t h e a v i n gs t r e s sa r el i n e a rw i t ht h ef r e e z i n ge n dt e m p e r a t u r e t h ep a p e r a l s om e a s u r e dt h ef r e e z i n gt e m p e r a t u r eo fs o i lb yf r e e z i n gt e m p e r a t u r et e s t ， e s t a b l i s h e df r e e z i n gt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nf i e l do ft h es o i ls a m p l e ，a n df u r t h e r r e v e a l e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r e e z i n gf r o n ta n dt i m e i i i a b s t r a c t ( 3 ) t h ef r o z e ng r e ys i l t yc l a yo ft h e4 t hs t o r e yh a st h eo b v i o u sc r e e p c h a r a c t e r i s t i c , t h ef r o z e ns o i lc r e e pi st h em o s tp r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i co ff r o z e ns o f t m e c h a n i c a lb e h a v i o r b ya n a l y z i n gt h ec r o pt e s tr e s u l to ft h ef r o z e ns o i la n du s i n g t h ee m p i r i c a lm e t h o d ，t h ep a p e rh a so b t a i n e dc r e e pe q u a t i o n f r o mt h ea n a l y s i so ft h e s a m e - t i m el o n g - t e r mc r e e pc b i v d 3a n dt h e , s a m e - t e m p e r a t u r el o n g - t e r mc r e e pc u r v c so f s t r a i n s t r e s s ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e n s t r e s s s t r a i ni sf a r t h e rd i s c u s s e d ( 4 ) i nt h i sp a p e r , t h em i c r o s c o p i cb e h a v i o ro fg r e ys i l t yc l a yo ft h e4 t hs t o r e yi s s t u d i e db ym e a n so fs c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e t h es h a p e ，s i z ea n dc o n t a c t c o n d i t i o no ft h eb a s i ce l e m e n t so ft h es o i lm i c r o s c o p i cs t r u c t u r e ，t h es h a p ea n dt h e s i z eo ft h ep o r ea r ef u r t h e rs t u d i e d i na d d i t i o n ，t h r o u g ht h ei n f o r m a t i o no b t a i n e d f r o mt h es e mp h o t ob ym e a n so fc o m p u t e rv e c t o rp r o c e s s i n gs o f t ，t h eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sm e t h o do fm i c r o s t r u c t u r eo fs i l t yc l a ys o i l si sp r e s e n t e d t h ea n a l y s i sr e s u l t s h o w st h a tt h es h a p ea n dd i r e c t i o n a l i t yo ft h ep o r ec h a n g e sl i t t l ec o m p a r e dw i t h u n d i s t u r b e ds o i l ，b u tt h ep o r ed i a m e t e ri n c r e a s e sw i t hf r e e z i n gt e m p e r a t u r ed e c l i n e s k e yw o r d s ： a r t i f i c i a l f r e e z i n gm e t h o d ， s a t u r a t e ds i l t ys o f tc l a y ,i n s t a n t a n e o u s u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，f r o s th e a v ea n dt h a wc o l l a p s et e s t ，c r e e p t e s t s ，m i c r o s t r u c t u r e 1 v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 串扣碍竺 孙3 一 签 年 一 者础姗三 沦 一 恸 学 一 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文：是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：谨聿 召年3 月。，圆日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着城市建设不断发展和城市规模的不断扩大，饱和软粘土地区城市( 如 上海、杭州、广州、天津等) 人口急剧增长、土地使用压力日趋增加，开发地 下空间已成为人类扩大生存范围的重要手段和发展趋势。城市地下空间的有效 利用使得一系列城市地下工程施工技术蓬勃发展n m 】。因此，在城市中如何对地 下施工产生的环境效应进行正确地预测和控制，对城市环境控制起着至关重要 的作用。目前，地下工程施工处理方法非常多，人工冻结法就属于其中常见的 一种，其原理就是利用人工制冷技术，使天然土体温度降低，地层中的水结冰， 把天然岩土变成冻土，从而提高土体的强度和自稳能力，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固结地层，冻结壁是一种临时支护结 构，永久支护形成后，停止冻结，冻结壁融化。它具有止水性好、强度高等优点， 越来越多的城市地下工程已经采用了人工冻结法来进行土体的加固处理口1 。 人工冻土是一种特殊土类，其性质与温度密切相关。决定冻土性质的冻土 力学参数在人工地层冻结工程的理论与实践研究中具有重大意义。它是对冻土 壁形成与发展过程进行预报的重要指标，准确合理的取值不但关系到工程的安 全，而且经济上也具有重要意义。人工冻结法形成的冻土与末冻结土体相比，冻 土的工程性质要复杂得多，其中最重要的原因是土体在冻结过程中有冰的形成。 冰的形成往往导致土体体积增大和内部水分的重新分布，而冰的融化使得土体 体积变小，导致土体的力学性质变得极不稳定h 1 。 因此，人工冻土的力学特性是人工冻结技术在工程应用中所关注的主要问 题，表现在以下几个方面：人工冻结法作用后土体的强度变化规律的分析；冻 胀率与融沉问题及其在施工过程中的控制方法；冻胀力对周围土体作用后所引 起的变形影响及其分析方法。同时，研究人工冻土在冻融过程中发生的微观结 构、强度与变形特征对隧道或地下工程在施工、营运时的工程质量的影响，具 有较大的理论意义和工程实践意义。 1 1 国内外研究现状 第1 章绪论 1 1 1 人工冻结粘土强度研究 人工地层冻结技术已广泛应用于城市地下空间开发和建设，并取得了较好 的经济效益。人工冻结施工过程中需解决的一个关键问题是冻结壁的合理设计， 而准确确定人工冻土抗压强度是进行冻结壁合理设计的前提。因此，人工冻土 抗压强度是是冻土力学性能的重要指标之一。目前，人工冻土抗压性能指标主 要通过抗压强度试验确定。至今，在国内外可见到很多关于这方面的研究。早 在1 9 3 0 年俄罗斯冻土学的开创者崔托维奇在各种不同温度下进行了亚黏土和 砂土冻结试验后，得出了随着温度的降低，冻结强度按照非线性规律增大，并 逐渐衰减，而且在不同温度下，砂质土和粘性土的冻结强度具有不同比值的特 性嘲。之后国外冻土学方面的许多著名学者也进行了这方面的探讨，如 v i a l o v 】、l a d a n y i h l 等。在土体含盐对冻土力学性质影响方面的研究上，p h a r r 研究了含盐冰和含盐冻结砂在荷载不变的情况下无侧限抗压强度的性质，结果 认为，尽管两种材料到达破坏的时间相差很远，但应变小于2 时蠕变性质是非 常相似的阐：b i g g a r 对多种冻结盐渍土和含盐多年冻土区的桩基进行力学试验分 析，得到盐分的影响使得应力应变公式中，应力指数是一个变化的值，并给 出部分含盐量的参考值饽1 。g a n d a h l r 通过研究认为：在融化过程中，土的抗剪 强度衰减程度与其类型有关。对于泥砾土等，由于其低孔隙率，对水有极大的 敏感性，含水率微小的增长也会引起其迅速软化或融化而导致其抗剪强度急剧 降低。粘性土则相反，由于有明显的毛细作用，含水量较小的增大不会迅速导 致其软化，而且由于融化而降低的抗剪强度不会由于蒸发而得到较快的恢复叭。 国内许多学者对冻土强度已有较深入研究。在冻结强度和温度的关系方 面，吴紫江1 等曾研究指出，土体温度低于冻结温度之后，冻结强度是随着温 度的降低而升高，强度和温度之间满足幂函数关系式，幂指数的大小取决于土 的物理性质( 含水量，颗粒大小) 和基础材料性质( 粗糙度等) 的参数值；后来朱元 林口列、李海鹏等n 3 1 对冻结砂土及粉土的无侧限瞬时强度进行了详细的研究， 认为抗压强度与应变率( 或破坏时间) 及温度等因素关系密切，并给出了它们之 间的定量关系。李洪升等n 钔( 自饱和冻结粘土) 进行了冻结轻粉质壤土抗压强 度对应变速率敏感性的试验研究，认为应变率、温度是抗压强度的主要影响因 素，并且得出了以应变率、温度为变量的强度模型随着自然界条件变化。在冻 结强度和含水量的关系方面，陈湘生等指出，它们之间的关系具有非线性性质， 2 第1 章绪论 当土体冻结时，冻结强度随着含水量增大而升高。在土中含水量增至一个极限 值时，冻结强度达最大值，超过此极限值后，冻结强度则随着含水量继续增大 而降低，最后趋近一个稳定值。所有这些对土的冻胀性评价、工程设计有着十 分重要的意义渊1 们。 1 1 2 人工冻结粘土冻胀、融沉研究 随着人工冻结法的在地下工程中的广泛引用，施工过程中常伴随有土体冻 胀和融沉现象，对土的工程性质以及相邻建筑物产生不良影响甚至破坏。因此， 研究土体冻胀、融沉的影响规律对于人工冻结法施工过程的控制具有十分必要 的意义。 土是一种多孔隙非均质体。在天然条件下，土层在平面和深度上的非均质 性，导致了土体冻胀的非均匀性。同时，土的粘粒含量、颗粒成分和吸附阳离 子成分不同，土体本身冻胀特性也不相同，如图1 1 所示是三种典型土( 砂土、 粉质亚粘土、粘土) 冻结试验得到的冻胀特征曲线。 由图可见：饱水砂土各向冻结时，开始体积迅速增大但数量不大，然后趋 于平稳：粘土冻结时初期土样有一些收缩，随后冻胀现象持续相当长的时间； 粉质亚粘土冻胀初期如粘土一样有一些收缩，而后发生极强烈的冻胀( 冻胀率 可达1 0 以上) ，与时间成正比，然后随温度降低趋于稳定。粉质亚粘土因其透 水性较好所以其冻胀性最强。 i _ 一 - _ _ - _ = 一i 一鬻糕 - - 一下7 r “ 。一一z 7 一 一 墨= ，7 o28l o1 2 时闻( 小时) 图1 1 典型土的冻胀曲线 早在1 7 世纪后期，人们就已经注意到冻胀现象，但是直到2 0 世纪，人们 3 的 的 的 2 l l o q 0 孚v 硌送蛞 第1 章绪论 才逐渐认识到水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源h 7 1 。e v e r e t t 首先提出了 第一冻胀理论即毛细理论。然而，毛细理论却不能解释不连续冰透镜是如何形 成的，并且该理论低估了细颗粒土中的冻胀压力。认识到毛细理论的不足之处， m i l l e r 提出在冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀 的带，称为冻结缘n 8 】。冻结缘理论克服了毛细理论的不足，称为第二冻胀理论。 j e s s b e r g e r 做了人工冻土工程( 冻结凿井中冻结壁) 方面的离心机模拟试验，模拟 了冻结凿井中冻结壁温度场及蠕变的位移场，得出了深冻结井冻结壁温度场和 位移场在开挖后随时间而变化的规律n 引。在国内，冻胀现象也引起了众多国内 专家学者的重视。周国庆在试验研究的基础上，探讨了饱水砂层的竖向冻结及 融化过程土中结构切向受力的变化。陈湘生等在清华大学离心机上进行了土壤 冻胀离心模拟试验，验证了土壤中温度传递、冻胀缩比等的可靠性。杨成松 通过室内实验得到以下结论：土体在冻融循环过程中的变化量与温度梯度和时 间密切相关，而且不同初始干容重在连续冻融过程中的变化趋势不同。但是冻 融循环达到一定次数后，任何干窑重土体的最大冻胀量与随后发生的最大融沉 量相等。土体冻胀率随冻结速率呈指数形式递减，而冻胀力的发展量和大小取 决于冻结速率的快慢。未冻区的压密状态以及水分向冻结锋面的迁移量；经过 多次冻融循环以后，土体的干容重最终趋向某二个只与土体性质有关的稳定值 【2 l 】 1 1 3 人工冻结粘土蠕变研究 冻土作为一种极为特殊的材料，由于其内存在着未冻水和冰使其应力、应 变强烈地表现出时间效应；即在恒定荷载作用下变形随时问增长和在变形量保 持一定的条件下应力随时间而弱化嘲。前苏联学者c c 维亚洛夫和扎列茨基等 人通过对冻结井壁的模拟试验发现：由于冻土具有很强的流变特性，使得冻结 壁未被破坏并丧失承载能力之前，冻结壁因随时间发育了过大的蠕变变形也可 能导致冻结管的断裂矧。由此可见时间因素对冻土力学特性的重要作用，在冻 土的本构关系中，应当包括时间的因素，即找到一个能够反应冻土力学实质的 流变本构方程，来用于冻结壁的力学设计。冻土在受力变形时，除了瞬时弹性 和塑性变形外，最显著的特征是随时间发育了不可恢复的蠕变变形，占总变形 量的主要部分。冻土的蠕变研究一直是冻土力学中的前沿谋题，确定冻土蠕变 4 第1 章绪论 指标和预测冻土蠕变模型是冻土蠕变试验研究的两大任务。为此，许多学者进 行了这方面的研究工作，提出了衰减蠕变模型、稳定蠕变模型、渐进流蠕变模 型及全过程蠕变模型1 。 早在本世纪三十年代，前苏联由于开发西伯利亚大片多年冻土的工程建设 需要最早开展了冻土力学的研究，并认识到时间因素对冻土力学性质的影响。 五十年代初期开始对冻土蠕变性质进行了系统的研究，与此同时，美国由于二 战在寒区军事建设的需要因冻土工程问题而遇到了各种困难，a c f e l 系统的研 究冻土的蠕变及强度性质，由此揭开了冻土蠕变研究的序幕汤，。 维亚洛夫首次提出了冻土常期强度的概念，认为冻土结构的承载力必须考 虑冻土的蠕变性质。六十年代初，维亚洛夫在总结大量的试验结果基础上结合 非线性蠕变理论提出了冻土的流变学原理，并第一个提出了描述冻土蠕变过程 的经验模型( v y a l o v , 1 9 6 3 ) ，他的研究奠定了冻土蠕变研究的基础，从此冻土蠕 变性质的研究便成为冻土力学研究中一项重要组成部分，冻土蠕变性质研究也 从现象认识逐步跨到理论分析啪1 。 我国较系统的研究冻土蠕变起始与七十年代，最初是解决青藏线建设的冻 土问题。其中冻土蠕变研究也是沿用前苏联的研究方法，通过大量的室内外试 验取得了许多成果，得到了大量的工程设计参数2 。李海鹏等通过三轴应力状 态下兰州黄土的动蠕变试验发现，破坏时间随围压增大而增大，但随着围压的 进一步增大而减小；相对应的最小蠕变速率随围压的增大面减小，但随着围压 的进一步增大而增大。在同一围压下破坏时间随频率和蠕变应力的增加而减 小，最小蠕变速率随蠕变应力的增加而增加。九十年代初冻土工程国家重点试 验室建立以来，我国的冻土蠕变研究迈向新台阶，朱元林等研究了冻结粉砂在 常应力下的蠕变特性，讨论了几种经典蠕变模型的适用性，给出了蠕变破坏准 则，又在动三轴试验基础上研究了围压对冻结粉土在动荷载下蠕变性能的影响， 给出了动三轴蠕变模型。盛煜等基于归一化思想，考虑到冻土蠕变曲线的相似 性，建立了冻土的归一化蠕变模型，即冻土的蠕变规律可以由无量纲化的蠕变 指标和一条只与材料性质有关归一化蠕变曲线描述，与外荷载、温度和时间无 关。并在此基础上模拟分析了常应力和变应力条件下冻结砂土的蠕变过程，试 验结果与计算结果有很好的一致性。这样在工程应用中只要知道冻土在恒应力 下的蠕变指标及一条蠕变曲线，便可根据变动过程中冻土的蠕变破坏性质的研 究结果应用归一化模型预报冻土在变应力条件下的蠕变汹3 。这些研究丰富和 5 第1 章绪论 发展了冻土力学的研究内容，使我国冻土蠕变研究处于国际领先地位。 1 1 4 人工冻结粘土微观研究 事实上，在1 9 2 5 年t e r z a g h i 就已经提出了土的微观结构的概念。随后 g o l d s c h m i d t ( 1 9 2 6 ) 和c a s a g r a n d e ( 1 9 3 2 ) 也注意到了微观结构的土力学价值，并进 一步发展了t e r z a g h i 的结构模式，提出了基质粘土和健合粘土的概念。通过对微 观结构的观察和分析l a m b ( 1 9 5 3 1 9 5 8 ) 提出了边边、边。面、面面等几种 微结构单元体的排列方式。w l k u b i e n a 的“微观土壤学”为微结构理论的形成和 发展奠定了重要基础。但此阶段由于研究手段的局限性，致使对土体微观结构 的研究速度非常缓慢。到上个世纪五六十年代，随着“浸胶法”技术的发明，为 人们对微观结构的研究提供了很大的方便。奥地利著名学者r b r e w e r ( 1 9 6 4 ) 开始 注意到了结构要素的完整性，特别是结构单元的定向分布特征，并在k u b i e n a 的结构描述体系基础上提出了全新的土壤微形态分析体系，并第一次完整的提 出土壤“组构”概念。7 0 年代以来，由于电子计算机技术的不断提高，计算机图 像处理系统被引入土的微观结构的研究中，使土的微观结构的定量化分析水平 大大提高。t o v e y 等应用计算机图像处理系统对土的微观结构进行了定量分析， 后来又开发了一系列软件，取得了许多重要成果。在国内，微观结构的研究也 取得了较大发展，施斌教授( 1 9 9 7 ) 初步建立了粘性土微观结构的观察技术体 系和定量分析体系，首次提出了团粒频率分布函数和微观结构简易定量分析方 法蚓 a q 铷。 国内外学者对粘性土体的研究大致从宏观、细观、微观等三方面进行： 宏观结构：指自然土体或原状土体中可用肉限观察的结构特征。单元体的大小 可由几毫米到数米，各单元体的形状、大小、状态、相互间的排列及接触特征， 裂隙方向、大小、有无充填及充填物的性质，再加上土体的颜色特征等一起构 成土体的宏观结构特征：细观结构：指利用偏光显微镜对薄片、光片进行观 察获得的结构特征、结构单大体的大小为0 0 5 - - 2 m m ，即为砂、粉粒组、原生 矿物颗粒及粘粒的集聚体组成。微观结构：指用各种电子显微镜和x 光衍射 仪等现代技术手段揭示的结构特征。结构单元体小于0 。0 0 5 m m ，它由单粒、团 聚体、叠聚体和孔隙等组成。微观结构包括这种微小单元体的特征、在空间的 分布状况以及它们之间的接触连接待点和微观孔隙特征。通过微观结构的研究 6 第1 章绪论 可以认识土的许多工程性质的本质嘲3 。了解土质人工改良的机理，尤其为建 立正确的土本构关系，解释宏观现象等提供了重要的意义。 纵观国际上粘性土微观结构的研究历史，粘性土微观结构研究的盛行时期 是在六七十年代，当时发表了不少文章。1 9 7 3 年在瑞士召开了第一次土的微观 结构国际会议，第五届国际土力学会议中也有许多论文。从7 0 年代后期起，国 际上微观结构研究热开始冷了下来，有关微观结构方面的论文也少见了。然而， 与此同时，以t o v e y 和o s i p o v 等领导的课题组在对粘性土微观结构形貌计算机 定量处理方面取得了重要进展，以b a z a n t 领导的研究小组在建立粘性土微观力 学方面有了新的突破闯。 我国开展粘性土微观结构的工作要比国际上晚了几十年，除了陈宗基( 1 9 5 7 ) 提出粘性土三维网格模型和6 0 年代末张宗估、林崇义、朱海之等对黄土微观结 构开展一些工作外，一直到7 0 年代末( 那时国际上的微观结构开始冷了下来) ， 我国对粘性土微观结构的研究工作才真正开展起来。特别是随着国内扫描电镀 的普及，利用电镜进行微观结构特征研究的入越来越多，在8 0 年代中期达到高 潮；发表了大量有关的论文并分别于1 9 8 3 年和1 9 8 1 年召开了两次土结构全国 会议。从这些会议的论文和近几年国内发表的论文中反映出以下4 个特点： 起点高。虽然起步较晚篮半个世纪) ，但研究的技术手段起点较高，许多研 究者均利用了国际上最先进的电子显微镜测试手段开展工作，从这点来说已 经赶上了世界先进水平。 纯粹的结构形态分析少，结合粘性土尤其一些特殊土( 如黄土、膨胀土、软 土等) 工程性质的定性研究多，应用土结构在解释一些土特殊工程性质方面取得 了较大进展。如张宗祜( 1 9 8 3 ) ，高国瑞( 1 9 7 9 ，1 9 8 0 ) 、王水炎、滕志宏( 1 9 8 2 ) 等 对黄土的微观结构进行了观察和分类，并与黄土湿陷性的关系进行了探讨；孪 生林、秦素娟、薄遵昭( 1 9 8 0 ，1 9 8 3 ，1 9 8 5 ) ，旌斌( 1 9 8 5 ) ，李生林、施斌( 1 9 8 6 ) ， 施斌、李生林( 1 9 8 8 ) 、高国瑞( 1 9 8 1 ，1 9 8 5 ) ，罗鸿喜( 1 9 8 1 ) 等对膨胀土的微观结 构与工程性质的关系进行了详细的研究，取得了一批很有价值的成果；王幼璇 ( 1 9 8 1 ) 等对湖北蒲圻陆水河畔二级阶地的第四纪红土微观结构开展了研究；罗鸿 喜、陈守义( 1 9 8 1 ) ，谭罗荣、张梅英( 1 9 8 2 ) ，李生林、施斌( 1 9 8 2 ) 等对海相沉积 枯土特性的微结构进行了深入的研究；曲永新等( 1 9 7 7 ) ，王幼麟( 1 9 8 0 ) ，陈守义 ( 1 9 8 0 ) 对软岩微观结构特征与工程特性进行了详细分析。 微观结构各样技术有了重大进展，这是以李生林等( 1 9 8 5 ) 、吴义祥等( 1 9 8 8 ) 7 第1 章绪论 分别成功地研制了冷冻真空升华干燥仪，填补了我国微观结构各样技术的空自 为标志的。 微观结构的定量研究已开始起步，如谭罗荣( 1 9 8 0 ) ，施斌等( 1 9 8 8 ) 利用x 光 衍射仪对粘性土中扁平粘土矿物颗粒定向排列进行了定量测定；吴义祥( 1 9 8 8 ) ， 施斌( 1 9 9 0 ，1 9 9 5 ) 应用了计算机图像处理技术对微观结构形貌进行了定量研究， 取得了重大进展。 土体微观结构的变化，虽然国内外有许多学者都在进行土体微结构方面的 研究，并取得了可喜的成就，但真正研究地铁振动荷载作用下饱和软粘土微结 构的变化规律也不多见。通过大量检索的研究成果表明，粘土不存在象晶体结 构或分子结构那样固定而规整的组合模式，颗粒排列十分复杂，具有相当大的 随机性。而且不同地区，软土土性的差异很大，在行车振动荷载作用下，土体 变形和位移主要由内部结构所致，结构单元体在土体变形过程中处于一种动态 平衡，不同的时空土体微观结构具有其独特的变化特征矧。尽管国内外对粘 土微观结构研究取得了许多研究成果，但大多处于理论探索阶段，真正利用微 观结构研究取得的成果来解决具体的工程问题尚不多见。 1 2 选题依据和研究意义 人工冻结法施工在上海软土地区隧道建设中得到广泛应用，特别是隧道旁 通道、地下泵房等的土体加固施工。但上海地区地下水位较高，年平均水位埋 深一般为0 5 - 0 7 m ，松软土层较厚，含水量较大，工程中常见的以淤泥质粘性 土为不良土层，该地区的地铁隧道一般位于第层淤泥质粘土层中，人工冻结 使地铁隧道周围饱和淤泥质粘土层冻胀变形引起隧道轴线沉降，使地铁隧道管 片破裂、渗水或漏泥，严重影响隧道管片质量与地铁的安全运营。在上海地铁4 号线外滩段隧道旁通道冻结法施工引发的地质灾害发生后，人工冻结施工的不 足之处再次引起了学术界的重视。而且冻结层开挖施工后有大量残留在隧道 周围的冻土，随着残留冻土融化，土体在冻融过程中物理力学性状会发生显著 变化，是否会影响到开挖结构体的稳定也是众多学者关注的重点。迄今国内很 少有人涉足上海地区饱和软粘土在冻结条件下的工程特性的研究，而这对隧道 将来运行时的局部稳定和变形有相当大的关系。 以往的冻结法施工既有成功的经验也有失败的教训，意大利a g r is a u r o 盾构 8 第1 章绪论 隧道及我国上海轨道交通四号线的联络通道工程冻结旄工事故，都造成了巨大 的经济损失。总结成功经验，汲取教训，更加安全、更加经济地指导今后类似 工程的设计与施工是本文的出发点。冻结技术的广泛应用必将提高施工质量、 加快工程进度、节省工程投资，产生巨大的社会经济效益。对避免冻结法施工 中可能产生有关的地质灾害问题，使冻结施工方法更好地为上海软土地区地下 工程建设服务，具有较大的理论意义和工程实践意义。 1 3 本文主要研究工作 本文针对上海第四层淤泥质粘土在人工冻结施工条件下的工程特性，进行 了以下分析研究工作： 上海第四层淤泥质粘土在冻结作用下的无侧限瞬时抗压强度的试验研究 主要针对设计部门进行冻结壁设计的重要设计参数无侧限瞬时抗压强度， 进行了室内试验研究，揭示了上海第四层淤泥质粘土的冻结强度随温度的变化 关系，并揭示了上海第四层淤泥质粘土弹性模量以及泊松比随温度的变化规律， 这对更好的指导冻结施工具有重要意义。 上海第四层淤泥质粘土在人工冻结作用下的冻胀、融沉特性的试验研究 土的冻胀变形在试验中用冻胀量来描述，是当冻胀变形受约束或不许变形 时，冻土对约束物产生的推力。冻胀量和冻胀力是土体中水冻结成冰体积膨胀 的特征。土冻结时水结晶成冰，体积增大，在填充了冻土土体内的孔隙后，推 动土颗粒移动，从而产生冻胀变形。而当温度降低，冰包裹体开始融化，土体 强度降低，体积减小，从而产生土体融沉现象。 本文利用安徽理工大学冻土试验室冻胀试验仪和冻结温度测试仪，通过室 内冻胀与融沉试验，找出冷端温度对土体的冻胀力以及冻胀率的影响规律，结 果显示土样冻胀力以及冻胀率与冷端温度具有较好的线性关系。通过冻结温度 试验测出了土体的冻结温度，同时建立了土样的冻结温度场，进一步揭示了冻 结锋面的发展与时间的关系。为上海地铁隧道冻结法设计、施工与地铁安全运 营提供了有价值地参考。 上海第四层淤泥质粘土在人工冻结作用下的蠕变的试验研究 冻土是种极为特殊的材料，在其内部由于未冻水和冰包裹体的存在，使其 9 第1 章绪论 应力、应变表现出很显著的时间效应，即在恒定荷载作用下变形随时间增长和 在变形量保持一定的条件下应力随时间而弱化。所以，人工冻土有较明显的蠕 变特性。 本文利用安徽理工大学冻土试验室冻土三轴流变仪，通过室内蠕变试验对 上海第四层淤泥质粘土的蠕变特性进行了探讨，并建立了相应的粘土蠕变模型。 蠕变模型的建立对以后人工冻结法施工过程的控制具有十分重要的意义。 上海第四层淤泥质粘土的微观结构试验研究 通过s 尉( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 对上海第四层淤泥质粘土的原 状土、融土以及瞬时无侧限瞬时试验后土样的微观结构进行扫描，利用扫描电 镜对土的微结构基本单元的形状和大小、基本单元体的接触状态、基本单元体 间的联结形式等方面进行研究。在此基础上，将原状土和冻融土扫描电镜图片 进行矢量化处理和定量化分析。 1 0 第2 章人工冻土瞬时抗压试验 2 - 1 引言 第2 章人工冻土无侧限瞬时抗压试验 人工冻土无侧限瞬时抗压强度是冻土最基本的力学特性，也是目前人工冻 土工程中最常用的设计指标。人工冻土无侧限瞬时抗压强度的特性目前已有很 多学者进行了研究，但主要集中于对冻结沙土和粉土抗压强度方面的研究，对 于饱和冻结粘土抗压性能的研究很少。 本章将以上海第四层淤泥质粘土为研究对象，利用安徽理工大学冻土试验 室研制的w d t 一1 0 0 型电液伺服冻土单轴试验机，针对设计部门进行冻结壁设计 的重要设计参数无侧限瞬时抗压强度，进行了室内试验研究，揭示了上海第四 层淤泥质粘土的冻结强度随温度的变化关系，并进一步探讨冻结上海第四层淤 泥质粘土弹性模量以及泊松比随温度的变化规律；同时，还对不同环境温度下， 冻结时间对人工冻土无侧限瞬时强度的影响进行了试验研究，揭示了冻结时间 对人工冻土无侧限瞬时抗压强度的影响规律，这对更好的指导冻结施工具有重 要意义。 2 2 冻土单轴试验机简介 图2 1w d t - - 1 0 0 型冻土试验机外观 第2 章人工冻土瞬时抗压试验 冻土单轴试验机与常规试验机相比增加了控温系统，其难度大、系统复杂、 技术要求高。冻土单轴强度试验n d t - 1 0 0 在电液伺服冻土性能试验机( 见图2 1 ) 上进行，试验装置最大加载能力为i o o k n ，精度1 。试验荷载和试验数据由计 算机根据设定好的参数自动控制和采集，并自动画出应力一应变曲线图，试验 机采集界面如图2 2 所示。 麓鬏憋黔。慧雯。烹冀。曼强 洲耐_ 辅酝肆 a e 即，嚣#奉 # 月 m 9 _ # t ，艄 o 垂擀“，i “ 18 j 州 i 。 ： 疆田i - 一 搿罄鞠酝疆麓国匿黝凌联鞠糍鞠戮鳓翰躺糍鼎缓燃 $ * i 嵫是： 口堍口q 凸日髓 越样搬一 ：，畦瑶挚数 序 觯 + 触t 目岬 料- 鲫瓤瞒删i 耐茑可 撕 2 n 。 一 ”_ ! 苎” m 两一。 、 口，m z 1 7 一 i t 0 a t $ 囊o 加 蕾t 震0 椭t 甜 ，。； t 德 站熏嚎何 f “ 0 = 女m 弱节 - - 目雇蛐黼t q 瞿 + 、 盎e 譬，；0 矗毒a 赫 m m ；? 删| t 鲫 d 2 3 人工冻土瞬时无侧限抗压强度与环境温度的关系探讨 2 3 1 上海地区饱和软粘土的基本特性 上海地区饱和软粘土是在水流缓慢的环境中，并在微生物参与作用的条件 下形成的近代沉积物，其结构疏松，强度较低。矿物成分中除部分石英、长石、 云母外，还有大量的粘土矿物，尤以蒙脱石居多，含有较多的有机质和少量的 水溶盐类矿物。其亲水性很强，主要结构形式为蜂窝状，在工程上表现为： ( 1 ) 高孔隙比、天然含水量大于液限 上海地区该类土的常见孔隙比为0 8 - 1 3 ；液限一般为3 0 - 6 0 ，饱和度一 般较好；天然含水量为4 0 。6 0 ；天然含水量大于液限，未经扰动的土样，通常 处于软塑状态。 ( 2 ) 渗透性弱 1 2 第2 章人工冻土瞬时抗压试验 上海地区饱和软粘土的渗透系数一