（森林工程专业论文）人工冻土冻胀、融沉特性试验研究.pdf

摘要 人工冻土冻胀融沉特性研究是人工冻结法向城市地下空间推广应用的关键技术和重 要基础研究工作。由于目前国内缺乏统一的冻结温度及冻胀试验装置，本文自行研制了可 实现微机数据采集的冻结温度及冻胀试验装置。利用该装置首次针对南京地区典型土质一 一淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉砂，采用单因素和正交试验系统地进行了冻结温度、 冻胀和融沉试验。 通过试验得出了冻结温度随土质、含水量、干密度、含盐量及水质的变化规律，研究 结果表明，含盐量对冻结温度影响最显著，而干密度对冻结温度无影响。 通过开放和封闭系统冻胀试验研究了冷端温度、含水量、千密度及上部荷载对土体冻 胀的影响，冻胀率随冷端温度降低和含水量的减小而线性减小、随上部荷载增大呈指数 规律减小；其中含水量的影响最显著，冷端温度次之。并获得了南京地区淤泥质粘土和 淤泥质粉质粘土在封闭、开放系统中冻胀预报统计模型各因素对冻胀的综合作用 遁过单项对冻胀的相加模型来表示。研究结果表明粉砂冻胀率是淤泥质粘土冻胀率的 十分之一，冷端温度、含水量两个因素变化对其冻胀率几乎不产生影响，因此在砂性 等无粘性土中应用冻结法对周围环境危害较小。 通过土体融沉试验，首次发现三种土质融沉系数随千密度变化均存在一个对应土 体最小融沉系数的临界千密度；融沉系数随含水量的增大而增大，并存在一个含水量 转折点，但不同土质其变化趋势不同，淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土小于该含水量时 融沉系数变化率较小，超过这个含水薰后变化率变大并线性增大，粉砂小于该含水量 时融沉系数变化率较大，超过这个含水量后变化率变小并线性增大。 论文最后讨论了研究成果在工程中的应用，并提出了抑制冻胀减小融沉的措施，这 些工作对今后人工冻结在城市地下工程中应用和减小对周围环境的危害具有重要的实用 价值和理论指导意义。 关键词：人工冻土、冻结温度、冻胀率、融沉系数、影响因素 a b s t r a c t e x p l 0 矗n ga r d 行d d 丘e 瘟培s o j j ss p e c 埘i 够。f 矗o s “l e 8 “n g a n dt h a k s e 】e m o n i s l 【e y t e c h n 0 1 0 9 y a 1 1 d i 唧o r t a n t b a s a lr e s e a f c ha b o u tp o p u l a r i z i n ga m f i c i a l 厅e e z i n gm e t l l o df o r m u n i 咖a l 吼d e 增u n ds p a c e d w i i l g t o b e i n g1 a c ko fu n i f o mn 弓e z i n gt e m p e r a t u r e a n d 行o s t h e a v i n g t e s t e ra t p r e s e n t i n c h i n a ，i nt h ep a p e r ，t b ea u m o rh a sd e v e l o p e dm e 丘e e z i n g t e m p e r a t u r ea n df 如s t - f l c a v i n gd e v i c ew h i c hi n ) d u c e sc o m p u t | rt og a 也e rd a t a f o rt 圭l e f i r s t t i m e ，a i r i l i n ga tr c p r e s e n t a t i v es o i lg r o u p s i l tc l a y ，s i l tm e a l yc l a ya n dm e a l y s a n di nm e r e g i o n o fn 删i n g b ym ed e v i c e ，i tu s e ss i n 9 1 ei n g r e d i e ta n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t a t i o nt op r o c e e d t h ef r e e z i n gt e m p e r a t l l r e ，f m s th e a v i n ga i l dt h a w s e t t l e m e n tt e s ts y s t e m a t i c a l l y e d u c i n gf r e e z i r i gt e m p e r a t u r e sm l ew h i c ha d 印t ss o i lg r o u p ，w a t e rc o n t e n t ，出y d e n s i t y s a l i n i t yc o n t e n ta dw a t e rq u a l i t yt oc h a n g ei t sv a l u e t h es t u d ys h o w sm a ts a l i n i t yc o n t e m f a c t o ri n f l u e n c i n gf r e e z i n gt e i i l p e r a t u r er e m a r k a b l y a n dt h e 山y d e n s i t ys e l d o mi n n u e n c i n gm e 行e c z i n gt e m p e r a m r e a f t e rt h eo p e n i n ga i l do b t u r a t i o nf r o s t h e a v i n gt e s t ，t 量l ep a p e rs t u d i e s 血e s o i i sf m s t h e a v i n g sr e l a t i o n s h i pw i mt t l e 行e e z i n ge n dt c m p e r a t u r e ，w a t e rc o n t e n t ，d r y d e n s i t ya n du p s i d e 1 0 a d ，t h ef 而s th e a v i n gq u o 廿e t yi i l i i l i s h sw 汕m e f r e e z i n ge n dt e m p e r a t u r ed c b a s i n g 柚dw a t e r c o n t e n tr e d u c i n ga n dt h ef r o s th e a v i n g q u o t i e t ym i i l i s h s1 i n e a d yw i mp o w e re x p o n e n t i a ln 1 1 et o u p s i d el o a d sa u g m e m t h e r e i sf o u rf a c t o r si r i f l u e r l c et t l ef 如s th e a v i f l gq u o t i e t y ：w a t e rc o n t e n t p r o m i n e n c e ，f k e z i n ge n d 伦m p e r a n l r e a ts e c o n d p l a c e na l s oo b t a i n s 血ef m s th e a v i n gf o r e c a s t s t a t i s t i cm o d e lo fn a n j i n gs i l tc l a ya 1 1 ds i l tr n e a l yc l a yi no p e n i n ga n do b t u r a t i o ns y s t e m 一山e p l u sm o d e lc a l l d e n o t ec o i t l p o s i t i v ee 恤c to fe v e r yi n g r e d i e n tw h i c hj n f l u n c e ss o i l s 丘o s t h e a v i n g n l es t u d yi n d i c a t e s 血a t t h ef m s th e a v i n gc h a r a c t e ro ft h en l e a ls a n di sd e c i m u so fs i l t c l a y s a n di t s 肺s th e a v i n gq u o t i e t y i ss e l d o mi i l f l u e c e d b ym ed i f f c r e n t 舶e z i n ge n d t e r n p e r a t i l r ea 1 1 dw a t e rc o n t e n t t h u s 山es u r r o u n d i n g si n n u e n c ei si nt h es m a l la r e aw i c nt h e a n i f i c i a l 胁e z i n gm e t h o d i su s e di ns a n da i l dn o - s t i c k i n e s ss o i l ， a f t e r 也es o i l st l l a w s e m e m e n tt e s t ，t h ea u m o rf i n d sm r e es o i lg r o u p st h a w s e 砌e m e m c o e m c i c n th a sac o r r e s p o n d i n gc r i n c a ld r y - d e n s i t yw h i c hs o i l sm a w s e m e m e n tc o e 航c i e n ti s n l i n i m u m s o i l s 血a w s e m e m e n tc o c f f i c i e n ti n c r e a s e sw i mw a t e rc o n t e m a u g m e n t a n di te x i s t s aw a 拄fc o n e n tl u m j 力gp o i n t b u t 曲吐v 捌a n o n a lc u n e mj sd i 盱e r e n l - w h e ns i nc l a ya d ds m m e “yc l a yi sl e s sm a n “s w a t e rc o n t e n tm m i i l gp o i n t ，t h er a t i oo fm a w s e t t l e m l ；n tc o e m c i e m c h a i l g e sah m e ，o n m e c o n t r a r y t h er a d o w i l lc h a n g e sg r c a ta n da u g m e n t l i n e a r l y ；i f t h es o i li s t h e r n e a l ys a i l d ，i t sw a t e r c o n t c n ti sl e s sm a nt h i st u m i n g p o i n t ，m e r a t i oi s 蓼e a t ，e x c e e d i i l gw i t h as m 棚r a t i oa n d a u g m e n t1 i n e a r l y f i n a l l y ，“d i s c u s s e st h ea p p h c a t i o no ft h er e s e a r c hp r o d u c t i o ni ne n g i n e e r i n ga n dm n g s f o 删a r ds o r n em e a s l 玳a b o u tc o n 廿0 l i n gf r o s “e a v i n ga n dr n i i l i s h i n gt h a w s e t e m e n t t h c s e t a s kh a sg r e a t a p p l i e di m p o r t a r l c ea n dg u i d es i g n m c a l l c et o t h ea r t m c i a lf 诧e z i n gm e t h o d s p r a c t i c e i nm em u n i c i p a l u n d e 赠r o u n de n g i n e e d n ga n dw i ur e d u c em ee n d a n g e m e 毗t om e l n l b i e n c ei nt h ef h t u r e k e yw o r d s ：a n i f i c i a ln e z i n gs o i l ，i n f l u e n c ef a c t o r ，舶s th e a v i n gr a t i o ，协a w s e 他1 m e n t c o e 踊c i e n t i n f i u e n c ef a c t o r 致谢 本论文是在我的导师一一杨平教授的悉心指导下，通过自身努力完成的。选题、 试验及论文成稿期间，导师对我倾注了大量心血，他把握学科方向的魄力、渊博的学 识、敏锐的思维无时不在影响着我，引导我初探科学曲径、培养我建立求真态度，使 我终生难忘、受益匪浅。导师一丝不苟、严谨治学的作风以及孜孜不倦的求索精神是 学生今后工作与学习的榜样，在此谨向导师表示最衷心的感谢以及崇高的敬意。祝导 师身体健康! 工作顺利! 桃李满天下! 感谢实验中心张大中高级试验师在试验装置的准备与调试阶段给予的技术指导； 也感谢三年来李国芬副教授在生活中给予的关心与帮助，以及论文修订过程中提出的 宝贵建议：论文完成期间，还得到邵光辉老师、盛小燕老师、黄雅莎老师等人的热情 帮助，在此对他们表示感谢。 同时感谢同学张高勤、柯洁铭、高山在日常生活及试验过程中所给予的无私帮助； 本科生朱逢斌在学习之余也参与了部分试验。与他们的友谊将成为我人生中一段美好 的回忆。 值此论文完成之际，也要感谢多年来父母我求学阶段所给与的理解与支持；同时 感谢我无法一列举的挚朋好友对我的鼓励与帮助。在此对他们表示最诚挚的谢意。 永远怀念南林硕士研究生阶段的美好时光。 张婷 2 0 0 4 年6 月 1 引言 随着社会经济及科学技术的不断发展、人口的逐渐增长和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引 发出一系列城市地下工程施工技术的蓬勃发展，在城市中如何对地下旎工产生的环境效应 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。从建设角度出发，地下施 工对环境造成最突出的影响就是迫使地层产生不同方式与程度的位移，除此之外还可能造 成地下水流失、地层稳定性降低、水污染及生态环境被破坏等不良后果。当地基承载力不 满足要求时需要对软弱地基进行加固处理。目前地基处理方法很多，人工冻结法就属于其 中一种，冻土墙具有止水性好、强度高等优点，越来越多的城市地下工程中已经采用了冻 结法来进行地基加固处理。但由于冻结施工改变了地层原有温度场的分布，会引发一定范 围的地层产生冻胀、融沉，这种变形在城市地下工程中会对周围环境产生不良影响，研究 各种因素与冻胀、融沉变形之间的关系是预测人工冻结技术对周围环境影响的关键工作。 1 1 国内外研究现状 1 1 。1 人工冻结技术发展 1 9 世纪初，西伯利亚人在寻找和开掘金矿过程中利用寒冷季节挖掘矿井，施工到一 定深度时发现土层已不是冻土，伴随出现了渗水、塌陷等现象，这样冬天结束后就停工， 等到来年冬天接着开挖。这是人类第一次在工程中利用天然冷量，也是在冻土利用方面迈 出的第一步。1 9 世纪5 0 年代，冷冻机的出现为人工冻结技术适用于特殊条件( 深基坑、 深矿井、高含水量和流砂地层中的地铁、地下隧道和输水管线建筑等) 施工开辟了美好前 景。1 8 6 2 年，英国南威尔士矿山首次应用人工冻结法加固地层，解决了松软含水地层立 井开凿时的塌陷问题；1 8 7 5 年，世界上第一台活塞式制冷机的问世是人工冻结技术被广 泛应用的一个里程碑，这台机器选择了液态氨作制冷剂；1 8 8 3 年，德国工程师f h p o e t c h 在阿尔巴时德煤矿采用冻结技术进行1 0 3 m 深的立井施工，首次提出了人工冻结法的原理， 同时也获得“冻结法凿井技术”专利。 目前，人工地层冻结技术作为一种临时加固地基的施工方法，已被广泛应用于隧道施 工、地铁区间旁通道施工、盾构进出洞、隧道抢险及其他抢险工程中。法国、日本、前苏 联、美国、西班牙等国家相继采用人工冻结技术完成了各种地下工程施工。我国于1 9 5 5 年在开滦煤矿林西风井首次进行人工冻结施工，随后这种技术很快在采矿工程中得到推 广，2 0 世纪9 0 年代开始向城市地下工程中推广应用，北京、上海、广州、南京等地铁施 工都应用了人工冻结技术，已经取得了良好效果。 1 1 2 冻胀融沉理论、预报与装置 1 9 2 5 年，在瑞典召开了冻结方面的初次会议，进行了有关冻胀及冻结现象不同见解 的交换和讨论，随后在世界各国逐渐开展以防止或减轻冻胀措施为目的的冻胀研究。t a b e r 根据使用冻结时体积缩小的液体试验，证明了冻胀现象不只依赖于土中存在的水冻结膨 胀，而是以冻结过程中发生的水分迁移作为主要原因；通过大量试验，他指出冻胀沿着热 流方向发生的结果，冻胀试验对于水分迁移而言必须属于开放系统。试样必须属于单向冻 l 结状态；t a b e r 的研究成果奠基了现代单向冻结理论的基础。b e s k o w 通过试验揭示出冻胀 速度依赖于上部荷载和毛细管力，根据它们之间的关系可以判定土体冻胀性的大小。这两 位学者的试验成果为以后冻胀研究做出了巨大贡献，冻土作为寒区工程与人工冻结工程建 设中的一种重要材料，其变形特征的研究已日益受到重视。 2 0 世纪中期，瑞士、比利时、意大利、奥地利、挪威、西班牙、芬兰、澳大利亚、 法国、荷兰、加拿大、日本和我国许多学者相继开展了人工冻土利用研究，为工程实践提 供了大量的理论依据，但由于缺乏有效的测试手段，对此问题的研究大都处在宏观分析和 理论推测水平上。 在冻胀、融沉理论方面国内外学者作了不少研究。刘鸿绪认为地表冻胀量是冻胀率沿 整个冻结深度的叠加，法向冻胀力则是在冻结锋面上冻胀应力沿基础影响范围之内的积 分，它与地表冻胀量没有直接联系；高伟对路基材料( 粉煤灰) 的冻胀规律进行对比，简 化了冻胀评价因素，在工程应用中有一定的参考价值；陈湘生等人考虑离心力对土体冻胀、 融沉影响，建立了地基土体冻胀融沉试验模型；何平等人分别对饱和土的水、热、力场以 及冻结缘特征进行研究，认为土体冻结时不论是融土区、过渡区( 正在形成的分凝冰及冻 结缘区) 还是冻土区都涉及到温度场、水分场、力学场等问题，指出了力学场对土体变形 过程( 冻胀、压密) 及分凝冰形成起重要作用；徐学祖等人通过边界温度恒定的岩盘冻胀 试验，提出冻结缘厚度取决于冻结速度和冻胀速度，且具有随冻结历时增大、恒定和减小 3 种模式，冰分凝最容易在无结构联系处( 裂隙) 形成，冰分凝温度随冷端面温度降低而 降低，提出利用未冻水含量与温度关系曲线、土的起始冻结温度和冷端面温度估算冰分凝 温度。土体融沉系数与土质、于密度、含水量等因素有重要关系，国内许多学者通过试验 得到了融沉系数与土体塑限含水量、饱和含水量之间的数学关系式。冻胀、融沉问题归根 结底是热质迁移问题，冻结缘的厚度、分凝冰形成温度以及冰透镜体形成条件等作为热质 迁移试验研究重点日益受到关注，质的迁移研究不仅限制在水分迁移，目前冻土领域中对 矿物质、溶质、气体等迁移以及它们对水分迁移影响都有不同程度的研究。 国外方面，m i l l e r 提出了饱和粒状材料的冻胀理论，在该理论基础上进行深入研究 的还有一h o l d e n ，p i p e r ，c o m p a r i n i ，f o w l e r 及其他研究者；a k a g a w a 提出了静态冻胀 控制理论并通过试验给予验证，他认为静态冻胀量占总冻胀量的7 0 8 0 ，并且提出通 过采取提高冷暖端温度而有效地减小或中止静态冻胀的措施，结合试验建立了静态冻胀率 与静热流量之间的关系；k a g a n 等对岩石冻胀现象进行了分析，岩石节理被含水量较大甚 至饱和的细粒土充填，形成封闭系统下冻胀敏感带，这个区域发生冻结时具有较大变形和 破坏力，对周围建筑物安全运营会构成威胁；日本学者y o g h i k i m i y a t a 基于水分迁移、热 量输运和机械能平衡方程提出了宏观冻胀理论；k u n i o w a t a n a b e 通过室内冻胀试验，观测 了冻结锋面微结构，温度变化恒定时试验可观测到有节奏的冰透镜体，其生长速度随冻结 速度增大而增大；k t a k e d a 在冻胀试验中对冻结锋面附近微结构进行了动态摄影，发现 冻结缘中微结构无明显变化，而在冰分凝面上，冰、土颗粒和未冻水有着很活跃的运动。 冻胀预报方面，1 9 4 6 年，前苏联学者h b o p h a t c k m 教授首先开展了冻胀预报工作， 给出了预报季节性冻土的水分积累公式；h a r l a n r l 提出土体冻结过程中热质迁移数学模 型，从此进入研究多场耦合问题阶段，工作的核心均是基于冻土中的热质迁移来进行数值 模拟；h o p k e s w 首次提出外荷载作用下的冻胀模型；r r g i l p i n 、k d 。n e i l 和 2 r d m i l l e r 又分别提出各自模型，模型中把外荷载作为影响冻胀的一个因子。由于受温 度、土层性质、含水量大小、荷载、边界条件等诸多因素的影响，使得地层冻结位移场的 确定非常困难，理论上还没有可以描述冻土性质变化的全面解析解，同时冻土性质的复杂 多变性也给有限元分析造成一定的困难。国内学者通过大量研究工作建立了变边界应力和 移动边界位置的水分迁移方程，对一维条件下水、温度、应力、位移耦合问题进行了研究， 并且采用准耦合处理方法，对二维状态下温度、应力、位移场三场耦合问题进行了数值分 析。对于冻胀预报模型，已经从经验型过渡到依据基本物理、力学、热动力学理论而建立 的理论模型，目前众多学者从不同角度采用不同方法提出了特定的冻胀预报模型，模型中 参数应根据实际工程确定。 冻胀、融沉试验装置方面，t h i m u s 等人设计了一套试验装置，用于测定自轴心开始 冻结的圆柱形均质砂土和竖层状非均质粘土，在不同起始温度下冻结过程中的轴向和侧向 变形。此外，日本学者t o n o 设计研制了一套采用激光传感器监测侧向变形的三轴冻融试 验装置，可施加不同的侧应力条件，并在此基础上研究了不同应力条件下冻结过程中胀缩 变形，利用这种装置可以观测到人工冻土瞬间变形的过程。日本学者t i s h i z a k i 设计一 套试验观测装置，利用该装置进行冻融作用对文物破坏的研究，它采用摄像系统对冰分凝 及破坏过程进行动态监测，提出了简化的冻结缘未冻水流模式。吉林大学张喜发在低温室 经过改造的单向固结仪上进行了融沉试验，得出了融沉系数与土样含水量、干密度之间关 系，并把试验统计结果用到了路基冻害研究领域中。中国矿业大学王建平在分析人工冻结 土体与自然冻结士体的冻结差异、比较国内外土体冻融模型试验装置的基础上，自行研制 了人工冻结土体冻胀融沉模型试验装置，它采用热电制冷技术，能够模拟开敞和封闭系统 下人工冻结体一维和三维条件下冻融全过程。 以上研究大多数是针对天然冻土，对人工冻结技术在城市地下工程中应用后产生冻 胀、融沉特性研究较少，而冻胀、融沉特性研究在推广人工冻结技术的过程中有极其重要 的意义；另外文献中给出的冻胀预报模型只是针对区域性土质而言，对于不同地区不同土 质的地层中应用预报模型还需大量试验验证( 譬如本文求出的冻胀率与上部荷载之间确实 满足幂指数的关系) ，求出模型中各参数值。本文首次针对南京地区典型土质淤泥质 粘土，从影响冻胀、融沉特性的冷冻温度、含水量、干密度及外界荷载四个因素出发，通 过试验得到了该粘土冻结温度变化规律、冻胀综合统计模型，以及土体融沉规律；最后对 粉砂进行了比较试验，证明了粉砂冻结后不易产生冻胀，这与前人研究成果相一致。 1 2 课题研究目的及意义 各种地下工程如矿山工程、深基础建筑及地下室、城市地铁和河底、海底及穿山隧道 等正在兴建或计划兴建中，有效利用空间资源的同时也解决了空间立交问题；在有限的城 市空间中，统一规划地下空间、尽可能扩展城市空间容量，改善城市环境质最已成为城市 现代化的标志。但在城市进行市政岩土工程及地下空间开发中，遇到许多传统岩土工程方 法难于解决的问题，如地铁、隧道中一些不能用盾构法施工的小而形状不一的工程和湖底、 河底近距离隧道工程及河岸近距离基坑工程等，这就给岩土工程界提出了新的课题，为此 必须寻求一种既安全有较为合理的新技术。 各种形式的地基处理方法中，人工冻结技术以其独特的优点脱颖而出，这种技术以前 是矿井施工中常用的方法，后来将其用于软土地层隧道施工支护，或两隧道间的联结通道， 高渗水、地下管网密集等复杂地段；该工法基本不受支护范围和支护深度的限制，能在极 其复杂的工程地质和水文地质条件下形成冻土墙，具有严格的防水性和无污染性，并随着 工程规模加大，经济上可与其他方法竞争。但是任何事物都有两面性，人工冻结法施工后， 地层温度场发生了变化，使周围地层产生冻胀、融沉现象，对此如果不能合理预测和控制， 在城市中则有可能造成地基失稳，使邻近建筑物产生倾斜、裂缝、严重时会导致建筑物坍 塌等事故，或使地下管线发生破坏等不良后果。由于缺乏对人工冻土冻胀融沉特性、冻融 土物理力学特性及对周围环境影响的预测等基础性研究，致使该方法在环境要求很高的市 政环境岩土工程及城市地下空间开发中未能推广应用。 软土地区城市地下工程施工中采用冻结技术，必须从理论上建立冻胀、融沉预报模型， 进一步开展冻土物理性质、力学行为研究，可以为人工冻土区工程建设提供良好的基础理 论支持；另外冻胀、融沉现象对周围建筑物的影响是制约和控制设计与施工的重要因素。 本文在自行研制的简易冻结温度及冻胀试验装置上，针对南京地区的淤泥质粘土和砂土等 典型土层进行了冻胀、融沉试验及数据统计分析，研究了三种土质在不同边界条件下的冻 结温度、冻胀及融沉的特性和规律，研究成果可以用来预测在人工冻结法使用后地层中产 生冻胀、融沉变形；根据土层冻融变形的影响程度不同采取不同预防措施，使人工冻结法 逐渐成为城市地下空间开发特别是地铁建设的有效工法之一，廨决目前困扰地下空间开发 的难题；不仅对完善和发展人工冻土冻结理论和技术体系，而且对人工冻结技术在城市地 下工程中广泛应用和减小对周围环境的危害具有重要的实用价值和理论指导意义。 1 3 研究内容 本文主要研究内容为： 1 ) 自行研制一套简易的冻结温度与冻胀试验装置，该装置能够完成南京地区典型土质的 冻结温度及冻胀试验。 冻结温度试验装置 冻结温度试验装置主要由零温瓶、低温瓶、试样杯和温度采集系统构成；不同土质在 含水量、含盐量、水质等因素影响下处于低温环境中发生冻结，试验装置可监测土中温度 随时间降低趋势，通过温度时间( 一r n i n ) 曲线上温度发生跃变后最高、最稳定点 对应温度来确定土体冻结温度大小。 冻胀试验装置 该装置主要由制冷、温控、温度监测、数据采集等系统组成；采用半导体制冷块提供 单向冻结冷源，自制热电偶测温、多通道转换箱以及静态电阻应变仪联合采集温度数据， 电容式数显位移传感器与r x 一8 a 数据采集仪实时采集冻结过程中冻胀变形，该系统可满足 土体在单向冻结温度场中的冻胀试验。 2 ) 针对淤泥质粘士、淤泥质粉质粘土、粉砂三种不同土质，对影响土质冻结温度的干密 度、含水量、含盐量、水质四个因素进行不同水平的单因素试验，得出各因素对不同土质 冻结温度的影响规律。 3 ) 针对淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉砂三种不同土质，对影响士体冻胀性的冷端温 度、含水量、干密度、外界荷载四个因素进行不同水平的单因素试验和正交试验，得出四 4 个影响因素对各种土质冻胀率的影响规律。 冻胀试验采用三种不同方法进行。 封闭系统有温度变化的冻胀试验：一定边界条件下淤泥质粘土处于封闭系统中( 无 水源补给) ，单向冻结，人工设置冷端温度变化( 持续某负温一小时，将制冷块调至一2 ， 三小时后调至一3 ) ，试验持续时间1 2 小时： 开放系统有温度变化的冻胀试验：一定边界条件下淤泥质粘土处于开放系统中( 有 水源补给) ，单向冻结，人工设置冷端温度变化( 持续某负温一小时，将制冷块凋至一2 ， 三小时后调至一3o c ) ，试验持续时间1 2 小时； 开放系统无温度变化的冻胀试验：淤泥质粘土一定的边界条l 牛下，处于开放系统中 ( 有水源补给) ，单向冻结，试验中冷端温度保持某一恒定的负温值，淤泥质粘土冻胀试 验结束以土体上端7 0 m 高度处温度达到一1 为标志，淤泥质粉质粘土、粉砂试验结束以 冻胀变形稳定为标志： 4 ) 针对三种不同土质，选择影响人工冻土融沉特性的冻土温度、含水量、干密度三个因 素迸行不同水平的单因素试验和正交试验，得出了冷冻温度、含水量、干密度对各种土质 融沉系数、单位变形量、压缩系数影响规律。 5 ) 分析、讨论冻土冻胀、融沉机理，提出人工冻结法在城市地下工程应用中冻胀、融沉 预报模型及其抑制冻胀、减小融沉措施。 2 试验装置研制 2 1 冻结温度试验装置 土体单向冻结时需要根据冻结温度来判定冻结锋面发展的位置，因此在冻胀试验之前 进行不同含水量的土体冻结温度试验是十分必要的。冻结温度试验所用主要仪器设备，在 g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 土工试验方法标准中规定了一种试验装置，但国内尚无产品；本文装 置比g b 中推荐的装置更先进之处在于土体降温过程中，热电偶反馈的温度信号直接由自 行开发的温度数据采集系统自动记录完成，而不去采用小量程数字电压表进行每分钟测量 一次；这样既能保证小范围的数据连续采集，更能提高数据准确度。 冻结温度试验装置主要由零温瓶、低温瓶、塑料管、试样杯、温度采集系统组成，图 2 1 给出了冻结温度试验装置示意图。 、鬯，厂 张电m 零温瓶 漂 干砂一 、e 33 、1 三三一7 。 一，一l 一j 一厂j l 一 图2 1 冻结温度试验装置示意图 零温瓶容积为1 5 l ，内盛冰水混合物；低温瓶容积为1 5 l ，内盛低熔晶混合物( 高 浓度a 低温液) ，其温度保持在一1 0 以下； 担料管为内径5 0 m 、壁厚3 m ，长1 5 0 m m 的硬质聚氯乙烯管，管底密封，管内装 5 0 m m 高干砂； 试样杯使用黄铜制成，( 内径3 0 m 、高5 5 0 m m 、杯底及壁厚5 m ，带有杯盖) ，试样 杯体积v = 3 5 3 4 c 一。 温度采集系统：土体降温过程中采用自制热电偶测温、多通道转换箱与静态电阻 应变仪联合采集温度数据，热电偶测温精度为o 1 。 2 2 冻胀试验装置 土质确定后，一定形状的土体在含水量、干密度、上部荷载固定时在某单向冻结温度 场中冻结一段时间，土体会产生冻胀变形，如果冻结过程中有充分的水源补给，这种冻胀 程度会增大。使用冻胀试验装置能够测定不同初始条件的土体因单向冻结作用产生的冻胀 量，进而得出冻胀率与冷端温度、初始含水量、干密度、外加荷载四个因素之间的变化规 律。 整套冻胀试验装置由试样筒、恒温箱、制冷与温度控制系统、补水、变形监测和加压 6 系统组成，如图2 2 所示；图2 3 为试验中低温箱内装置实体图。 位移数据采集仪 l 计算机 f 温度数据采集仪 图2 2 冻胀试验装置示意图 l 一一试样筒；2 一恒温箱；3 制冷块；4 一热电偶测温点； 5 一一水流散热管进出口；6 保温材料；7 一供水装置； 8 一变形监测；9 一加压装置；1o 一透水石；儿土样。 冻胀试样简。 试样筒采用有机玻璃制成，内径6 0 m m 、壁厚1 0n 1 i f i 、高度1 2 0 m m ；底部8 0 m m 的范围内 每隔i o m m 留有孔径3 m 的小孔( 插热电偶用) 。 恒温箱。 自行研制的低温柜为土体冻胀试验提供恒温环境。可根据试验条件设定箱体内的温 度；配有w k 一1 a 的微电脑温度控制器，控温精度士o 5 ，能够满足土体冻结过程中恒温 要求。冻胀试验中土体环境温度设置为1 。 制冷与温度监测控制系统。 单向冻结温度场中冷源提供与土体不同深度处温度 监测是冻胀试验装置的关键。 土体底部制冷采用半导体电子制冷技术，半导体制冷 块与配套低压、高流、直流电源之间串联一个温度控制器， 用以调节、控制制冷块能提供土体单向冻结时所需的各种 低温。制冷块采用河南洛阳夏林电子电器厂特殊生产的 t e c i 一1 33 2 5 型的大功率制冷块，外形尺寸为 1 7 0 7 4 2 6 m ，其底部附有散热作用的冷水循环通道，水 冷散热方式效率最高，其换热系数比空气自然对流散热大 1 0 0 1 0 0 0 倍；常温情况下可降至一3 0 ，温度控制精度图2 3 低温箱内装置实体图 o 1 ，图2 4 给出了冻胀试验装置中制冷块的三面图，土中各尺寸单位为m 。 土体冻结过程中，在不稳定热流阶段是以冻结锋面在土中迁移为特征的。当某个负温 突然施加到土体底面并使底面快速冻结后，冻结锋面就由底面不断向上移动。对于直径为 6 0 m 、高度8 0 m 的土体而言，要确定其在单向冻结温度场中冻结锋面的发展状况，就必 须知道某一高度处的温度。冻胀试验中，由于土体处于单向冻结状态，只能选取土体侧壁 进行温度监测，本研究试验中测定每隔1 0 m 处的温度值。这种单向状态也决定了选择温 度传感器的特殊性，自制铜康铜热电偶的测头尺寸较小，可以在土样周围保温情况下 7 穿透保温材料与土样紧密接触，这样的监测方式能真实反映土体冻结时不同深度的温度； 自制热电偶经标定后测温精度为o 1 ，试验中热电偶信号通过多通道转换箱后经静态电 阻应变仪对信号转换后直接传输至计算机，可实现计算机实时采集并存储数据。这种数据 采集克服了以往土工试验中人与仪表对话的模式，在很大程度上提高了数据连续性及准确 度。 ( 图2 4冻胀试验用制冷块三面图 补水装置。 冻胀试验中补水装置通过滴定管与连接管联合完成，出水端直接与土样顶部透水石相 连；透水石具有饱水性，可在整个冻胀开放系统试验中始终保持充水状态。 变形监测。 由于试验在低温、密闭环境中进行，不能使用以往常用的百分表元件( 需要人工读数) 监测变形量，电容式数显位移传感器带有数据线接口，可实现远程测量目的；变形数据经 r x 一8 a 数据采集仪转换可直接通过串口进入计算机接口软件中，完成实时采集土体单向冻 结过程中冻胀变形大小。 加压系统。 冻胀试验中采用实荷加压。 整个冻胀试验系统示意图如图2 5 所示。 2 3 数据采集系统 2 3 1 温度数据采集 1 ) 热电偶与数据采集 冻结温度与冻胀试验中采用自制热电偶作为温度传感器，将测温端铜与康铜丝通过 电弧焊连接后采用7 0 4 硅橡胶密封，由已知温度的低温盐溶液提供标定时各个低温值，普 酋 竺哥一垩一 # 通冰水混合物作零温端提供冷端补偿。标定时热电偶冷端最低温度控制在一2 2 ，满足土 体冻结时土中最低温度分布要求，标定后可得到热电偶温度与应变仪数字信号之间的线性 关系式。 循环水出口 电源线 图2 5 冻胀系统不葸图 冻胀试验中温度采集系统由华东电子仪器厂提供的y z 一2 2 型转换箱与y j 一3 3 型静态电 阻应变仪联合组成，一台转换箱可实现二十个测点的连续监测，采集数据时间间隔最小可 设置为1 s ；把热电偶经测温后的电压信号接进转换箱，转换箱利用干簧继电器触点的闭 合及断开来切换桥路，达到转换测点目的；转换箱直接把采集信号传输给静态电阻应变议， 微电压就被放大为数字信号存储在计算机指定文件中，通过各组热电偶标定结果可以计算 相应的温度值。图2 6 、2 7 给出了转换箱与应变仪的实体图。 图2 6多通道转换箱图2 7静态电阻应变仪 2 ) 串口通讯 静态电阻应变仪与计算机的串口数据通讯协议如下。 连接口 c o m l 数据传输速率9 6 0 0 b p s 校验方式 无 是否自动保存选择自动保存并指定数据文件保存路径 是否定时测量选择定时测量，给出采集数据间隔 0 温度数据采集系统中通道设置、通讯设置、实时采集数据界面如图2 8 所示，该图为某冻 结温度试验中温度信号实时采集( 单通道) 界面。 ( a ) 通道设置【b ) 通讯设置 c )数据采集 图2 8冻结温度试验中数据采集界面 2 3 2 位移数据采集 1 ) 位移传感器与数据采集 冻胀试验中冻胀变形采集系统主要通过r x 8 数显式位移传感器和r x 一8 a 数据采集仪联 合组成，采集仪带有一个9 针r s 一2 3 2 c 串口，与计算机进行串口数据通讯后实时传输显 示变形数据，可以同时实现8 测点的位移监测，采集数据最小时间间隔可设置为1 s ；传 感器自身具有数显装置，可以直接进行读数，也可以将数据连续传递到r x 一8 a 型数据采集 仪( 控制面板也有数显窗口) ，通过串口连接到计算机配套软件中实现连续采集，测量精 度为o o l m ，测量范围最大值为5 0 m m 。图2 9 、2 1 0 给出了r x 一8 a 型数据采集仪与数显 式位移传感器的实体图。 图2 9r x 一8 a 数据采集仪 2 ) 串口通讯 图2 1 0数显式位移传感器 r x 一8 a 数据采集仪与计算机的串口数据通讯协议如下。 连接口c o m 2 采集数据频率可设置存储数据的时间间隔，也可以选择人工控制采集数据 编写试验报告 自动生成排列规则的试验报告，并可按要求确定数据存盘路径 生成曲线确定控制作图比例，选择通道生成对应测点的变形时间图形 八通道数据采集系统中“参数设置”“实验报告”以及“生成曲线”界面见图2 1 1 所示。 图2 1 2 为冻胀试验装置数据采集系统实体图。 】0 a ) 参数设置 ( o ) 实验报告 ( c 生成曲线 图2 1 1八通道数据采集仪在计算机中的应用界面 图2 1 2冻胀试验装置数据采集系统实体图 2 4 装置运行效果检验 本装置运行效果主要从以下四个方面进行检验：制冷块降温效果、温度监测与采集、 位移监测与采集、低温柜内温度分布及稳定度。 1 ) 制冷块降温效果 对冻胀试验中底部制冷块制冷效果检验。在制冷块顶面埋设好温度传感器探头，正确 连接温控器、继电器、电源以及制冷块接线，打开底部附属散热水流管并启动电源，通过 温控器设置制冷块温度为一3 0 ，1 0 分钟后制冷块顶面温度由室温2 4 降到一2 5 ，此时 温度仍保持下降趋势，但降低速率明显减小。因此该制冷块能够保证提供土体冻胀试验中 单向冻结时所需要的冷端温度( 试验设计最低冷端温度为一2 5 ) ；低温环境中，制冷块降 温至一2 5 所需时间更短。 2 ) 温度监测与采集 热电偶监测信号通过多通道转换箱后进入静态电阻应变仪，应变仪按照内置传输数据 规则将监测数据传至计算机软件中。检验温度采集系统时，先对检验低温柜用1 0 个热点 偶进行标定，随后用该组热电偶对低温柜内部温度场分布进行检验，温度在低温柜空问垂 直范围内存在温差，合理的检验结果证明了该温度采集系统能够正常运行并准确记录监测 数据。冻胀试验中1 6 个热电偶标定结果及冻结温度试验结果更有效地说明了温度采集系 1 1 统在本文试验中成功应用。 3 ) 位移监测与采集 使用电容式数显位移传感器、r x 一8 a 数据采集仪及配备软件，因此通过正常土体固 结试验对位移采集系统进行了检验( 位移传感器取代常用的百分表监测元件) ，证明该传 感器能满足土体冻胀过程中的位移监测要求。 4 ) 低温柜内部温度分布 冻胀试验需确保土体处于稳定的低温环境中，有必要对低温柜内温度分布进行检验。 采用1 0 个热电偶依次布置在低温柜内1 0 0 c m 范围内，其中有两只热电偶位于试验中 土体所在范围内。 设置低温柜内环境温度。温度上限为一3 为，温度下限为_ 4 ，开机后7 5 分钟低温 柜显示温度由室温2 0 降至4 ，并开始维持低温，此时低温柜垂直范围内始终存在温 差；在箱体温度设定为3 一4 c 日寸土体所在的位置范围内最大温差为o 5 ，满足冻胀试 验对环境温度要求。 3 人工冻土冻胀、融沉试验 3 1 试验设计 试验设计时因素和水平选择应该注意以下几点：选择在试验中准备变化的因素、这些 因素变化的范围、进行试验时对这些因素规定的水平、还必须考虑如何将这些因素控制在 所希望的数值上以及如何测量这些数值；调查研究所有可能是重要的因素，不受过去经验 的影响。 试验所用三种土样来自三个不同基坑，根据南京地区各种工程地质报告比较，得知该 土样具有一定的代表性，土样基本物理性质见表3 1 。 表3 1土样基本物理性质 3 1 1 冻结温度试验 土体冻结温度，实质上就是土中水的冻结温度；标准大气压下纯水在0 冻结，但是 土中水分一方面受到土颗粒表面能作用，另一方面含有一定量溶质，因此土体冻结温度都 低于o 。对于某种给定土质来讲，冻结温度并不是一个常数，它随土中含水量而改变。 土体冻结温度是判定土体冻结深度的基本指标，它在很大程度上影响着冻土中温度分布情 况。采用冻结法施工的地层中，地下水含有许多矿物成分，矿物