上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2022, 56(5): 675-683 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.057

船舶海洋与建筑工程

沿海组合地层人工冻结过程中的水分迁移及变形特性

周洁,a,b, 任君杰a

a.同济大学 地下建筑与工程系,上海 200092

b.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092

Water Migration and Deformation Characteristics of Coastal Complex Strata in Artificial Freezing Process

ZHOU Jie,a,b, REN Junjiea

a. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China

b. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China

责任编辑: 陈晓燕

收稿日期: 2021-02-11  

基金资助: 国家自然科学基金青年基金项目(41702299)

Received: 2021-02-11  

作者简介 About authors

周洁(1986-),女,上海市人,副教授,从事人工地层冻结法研究;E-mail:zhoujie1001@tongji.edu.cn.

摘要

在沿海上软黏下粉砂组合地层中进行人工地层冻结法施工时,粉砂土和软黏土在冻结过程中表现出的水分迁移和变形特性上的差异性不可忽略,是目前较多冻结法工程事故的根源.为了探明两者之间的差异性,通过自制单向冻结仪对原状上海第②3层灰色粉砂土及重塑上海第④层淤泥质软黏土分别进行冷端温度为 -20、-15、-10 ℃的冻结试验,分析两种土在冻结过程中水分迁移及变形特征的差异.结果表明,粉砂土及软黏土的总变形曲线和分层变形曲线可按土性分为 I 类陡变型曲线(粉砂土)和 II 类缓变型曲线(软黏土),软黏土分层变形曲线在某些分层中还表现出较大的波动性.表明冻结过程中, 软黏土内部水分迁移充分发展,而粉砂土内部大部分水分迅速冻结,迁移不显著.两种土性表现出的变形曲线的差异性和冻结前后的水分分布曲线存在一致对应性.该研究成果可为沿海上软黏下粉砂组合地层冻结法实践中应对冻胀等工程问题的相关措施提出针对性建议.

关键词： 人工地层冻结法; 水分迁移; 粉砂土; 软黏土

Abstract

The difference in the water migration and the deformation characteristics of silty sand and clay in the freezing process cannot be ignored when the artificial ground freezing method is used in coastal complex strata consisting of clay and silty sand, and is also the root cause of current engineering accidents caused by freezing. In order to find out the difference of the water migration and the deformation characteristics between the silty sand and clay, a self-made single side freezing instrument was used to conduct a series of freezing tests of original silty sand of ②3 layer and the remodeled clay of ④ layer in Shanghai at a freezing temperature of -20 ℃, -15 ℃, and -10 ℃. The results show that the deformation curves can be divided into steep curve I(silty sand) and gradual curve II(clay). The deformation curves of different layers of clay soil sample fluctuated greatly with time. The results indicate that water migration is fully developed inside the clay during the freezing process, while most of the water inside the silty sand freeze quickly and thus water migration is not developed as obvious as that inside the clay. In addition, the deformation curves of the two types of soils is consistent with the distribution changes of water inside the silty sand and clay after freezing. Based on the research results, specific suggestions can be made for the relevant measures to deal with engineering problems such as frost heave in the practice of the freezing method for coastal complex strata consisted of silty sand and clay.

Keywords： artificial ground freezing method; water migration; silty sand; clay

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本文引用格式

周洁, 任君杰. 沿海组合地层人工冻结过程中的水分迁移及变形特性[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(5): 675-683 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.057

ZHOU Jie, REN Junjie. Water Migration and Deformation Characteristics of Coastal Complex Strata in Artificial Freezing Process[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2022, 56(5): 675-683 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.057

人工地层冻结法是一种具有适应性强、隔水性好和环境影响性好等优点的绿色施工方法,目前被广泛应用于上海、深圳等沿海城市地下工程的修建中.随着地下工程建设的大型化及复杂化,冻结法工程面临更加复杂的水文地质及工程地质问题的挑战.通过收集整理沿海代表性城市的地层资料[1⇓⇓⇓⇓-6],发现地铁、隧道等地下工程常见修建深度所处的地层多为上软黏下粉砂的组合地层.

而在组合地层进行冻结法施工和设计时,需要考虑两种土性在冻结过程中表现的水分迁移和变形特性的差异,从而有针对性地对工程实践中出现的冻胀等问题采取相关措施.但目前大多研究集中于粉砂土或软黏土等单一土性的水分迁移及变形特性的影响,对于组合地层中的两种土性在冻结过程中的水分迁移及变形特性之间的差异性研究较为忽略.

文献[7]通过试验发现相同负温条件,土体中未冻水含量(未冻土质量与干土质量之比)为黏粒>粉粒>砂粒;而相同温度梯度条件下,土中水分迁移量却为粉粒>黏粒>砂粒.Nixon[8]指出土体比表面积是影响冻胀的重要参数.王家澄等[9]通过室内相同温度条件下5种土类的冻结试验,研究了土性差异对成冰及冷生组构的影响.Guthrie等[10]通过变水头冻胀试验得到了粉质砂土在冻结过程中的冻胀变形和水分迁移规律.程培峰等[11]研究了含水率和压实度对粉砂土试件的冻胀量影响,并提出了相应的数学模型.于琳琳[12]研究了不同冻结方向、温度、干密度及含水率等因素对原状粉质黏土冻胀的影响.Darrow等[13]通过试验证实黏土质量分数是影响土体冻胀变形最敏感的因素.吴礼舟等[14]分析了非饱和黏土在不同饱和度和密度情况下冻胀融沉变化特征,并重点研究了干密度和含水率对冻结锋面的影响.严晗等[15]通过室内试验研究了粉砂土在不同初始含水率、干密度、荷载、冻融次数条件下的反复冻胀、融沉特性.马宏岩等[16]对饱和粉质黏土进行了6种工况下的室内冻胀试验研究,分析了温度、压实度、温度梯度、压力和补水条件对土体冻胀变形的影响.唐益群等[17-18]对上海第④层淤泥质软黏土的冻胀特性进行了试验研究,对孔隙结构特征进行了分型研究.陈有亮等[19]对上海饱和冻结软黏土进行单轴无侧限抗压强度试验,分析饱和冻结软黏土的单轴抗压强度受温度、应变速率、含水率及干密度等因素的影响规律.

由于沿海组合地层中粉砂土和软黏土的冻结过程的水分迁移和变形特征的综合比较研究十分具有工程实践意义,故本文针对该问题,对上海市淤泥质软黏土及粉砂土进行比较冻结试验,分析两者的水分迁移及变形特征差异,并对沿海上软黏下粉砂组合地层冻结法实践中应对冻胀等工程问题的相关措施提出针对性建议.

1 试样基本性质及试验方案

1.1 试样性质

本文采用取自上海青浦区徐泾镇的原状上海第②3层灰色粉砂土及第④层淤泥质软黏土进行试验.两种土样的颗粒级配曲线如图1所示,图中d为颗粒直径;δ为小于某粒径的土质量分数.

图1

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图1   上海第②3层粉砂土及第④层淤泥质软黏土颗粒级配曲线

Fig.1   Particle grading curves of silty sand of ②3 layer and mucky clay of ④ layer in Shanghai


考虑到采集的上海第④层淤泥质软黏土的具有贝壳等有机质,土样均一性难以保证,本文按照《土工试验方法标准》[20]对其进行重塑,过程中使用千斤顶模拟上覆土质量.为了验证试验用土样和采集样之间的差异性,本文分别对试验用土样和采集样进行固结快剪试验,试验结果及其基本物理性质指标如表1所示.

表1   试验样和原状样的基本物理性质指标和固结快剪试验结果

Tab.1  Basic physical properties and results of consolidated fast shear tests of test samples and undisturbed samples

试验土样与指标内摩擦角/(°)黏聚力/kPa重度/(kN·cm-3)含水率/ %土粒比重
原状采集软黏土11.514.016.9049.862.69
试验用重塑软黏土11.012.716.5548.962.69
原状采集粉砂土28.51.418.6028.782.71
试验用原状粉砂土28.31.418.6128.692.71

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由表1可知,粉砂土和软黏土的试验用土样和采集土样的物理性质指标和力学强度指标差异较小,重塑土的质量控制较好.

1.2 试验装置

试验仪器主要由自制冻结仪、DLSB-20/40低温冷冻液循环泵、Keithley 2700-7700温度采集系统、DH-YWC-20应变式位移传感器、YE-2533程控静态应变量测系统和T型热电偶等试验测量仪器组成,如图2(a)所示.其中,根据试验研究的主要内容及《土工试验方法标准》[20]中对于冻胀试验的相关要求,并结合其他试验装置设计的优点,自行研制了可以在不同人工冻结条件下对试样进行冻融的冻结装置,如图2(b)所示.

图2

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图2   试验系统示意图及试验仪器实物图

Fig.2   Schematic diagram of test system and photo of test instrument


1.3 试验步骤

(1) 试样制备.

对于原状上海第②3层灰色粉砂土,用钢丝锯和切土刀将原装样切削成直径11 cm,高度24 cm的圆柱样.对于上海第④层淤泥质软黏土,严格按照《土工试验方法标准》[20],采用泥浆固结法对其进行重塑,过程中使用千斤顶模拟上覆土质量,最终制成直径为11 cm,高度为24 cm的圆柱样.

(2) 传感器布设.

分层沉降标布设.在制备好的粉砂土及软黏土样圆柱样(直径为11 cm、高为24 cm)中均匀布设分层沉降标.3个沉降标距试样底端的距离分别为6、12、18 cm.

温度传感器布设.在冻结仪筒壁和底板均匀涂抹凡士林后,将有机玻璃筒的两半沿着布设好沉降标的试样外壁缓慢闭合,并用金属套箍箍紧.之后小心固定盖板,保证其与土样紧密接触.热电偶从距底面1 ~23 cm高度起,每隔2 cm进行布设.将用电弧焊连接好的12个T型热电偶穿过试样筒侧面的小孔,插入土样的中心,并保证插入时的水平并位于土样中心,如图3(a)、3(b)所示.

图3

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图3   传感器布设示意图及实物图

1—位移传感器,2—顶板,3—保温材料,4—盖板,5—试样筒, 6—土样,7—热电偶8—底座,9—冻结液进出口

Fig.3   Schematic diagram and photo of sensor arrangement


(3) 数据采集系统设置.

设置好Keithley 2700-7700温度采集系统、DH-YWC-20应变式位移传感器和YE-2533程控静态应变量测系统,使得系统每隔5 min自动采集一次各测点的温度及3处沉降标和土样顶面的位移变化.

(4) 冻结试验.

对粉砂土和软黏土分别将底板温度设置为 -10、-15、-20 ℃进行3种冷端温度下的6组冻融试验(见表2).当土样各测点温度在预设底板温度下达到稳定时,关闭低温冷冻液循环泵,土样自然解冻.待土样中距冻结底面1 cm处测点温度上升至0 ℃附近时,关闭传感器及数据采集系统,一组试验完成.

表2   试验方案

Tab.2  Test plan

试验编号土样类型冷端温度/℃
1原状粉砂土-10
2原状粉砂土-15
3原状粉砂土-20
4重塑软黏土-10
5重塑软黏土-15
6重塑软黏土-20

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2 试验结果分析与讨论

2.1 水分迁移分析

在融化阶段结束后,在各个测点附近取样测量含水率,分析温度及土性对于冻融过程中的水分迁移的影响.以冻融前后含水率改变率((冻融后含水率-初始含水率)/初始含水率)为横轴,距底端冷源距离为纵轴,分别做出粉砂土及软黏土在不同冷端温度下的冻融后水分分布图.

沿海地铁修建的常见的上软黏下粉砂组合地层在冻结过程中,两种土性的水分迁移特征存在较大差异,如图4所示,图中rw为冻融前后含水率改变率,S为测点距底端冷源距离,Tf为冷源温度.且由于本次冻结试验为封闭系统,所以无外部水源供给.土样内部水分迁移的方向和温度梯度有关,水分随着冻结锋面的移动从高温区向低温区移动.图4(a)粉砂土样在冻结后,试样上部含水率增加,顶部土层的含水率减少,中部过渡段总体上在试样初始含水率左右波动变化.图4(b)中软黏土样在冻结后,试样中上部土层的含水率明显减少,而下部及中部土层的含水率增加,在试样中部存在水分的突增及陡降.比较两种土性的水分迁移特征可发现:同一温度下,软黏土内部的含水率分布差异明显大于粉砂土样.粉砂土内部的水分迁移过程波动较小,较为明显的水分迁移集中在远离冻结底板端.而软黏土内部各处水分迁移较大,较为明显的水分迁移集中在土样中部.本文认为出现上述现象的原因是软黏土较粉砂土有更大的土颗粒比表面积,冻结温度降低,未冻水较粉砂土较多,有利于水分迁移的发生.在粉砂土中,距离冻结底板较近的区域水分快速冻结,水分迁移不显著.而距离底板较远处发生较小幅度的水分迁移.在软黏土中,较多的细颗粒意味着较大的比表面积和表面化学能量,距离冻结底板处较近的水分冻结较慢,故而土样内部水分迁移显著发育.

图4

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图4   粉砂土及软黏土在不同冷端温度下的冻结前后水分分布图

Fig.4   Change of water distribution of silty sand and clay after freezing at different freezing temperatures


分析图4中同一土样在不同温度下的含水率变化,可发现在不同温度下两种土性内部冻结前后含水率分布规律相同,但含水率变化的具体数值稍有不同,即冷端温度对于水分迁移发育程度存在较小影响.冷端温度的绝对值与冻结前后含水率差值成正相关关系,但影响较小.

综合上述分析,本文认为土性对于冻结过程中水分迁移特征的影响远强于温度对其的影响.且土样细颗粒的质量分数越大,水分迁移越显著.所以在冻结法的施工过程中,若涉及到多种土性,需要分别考虑其水分迁移特征的差异.

本文将土样中温度为0 ℃处的位置作为冻结锋面的位置,将各个测点到达温度为0 ℃时所需时间和各个测点的位置绘制成冻结锋面与时间关系曲线,如图5所示,图中t为冻结时间, Sf为冻结锋面距底端冷源距离.

图5

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图5   粉砂土及软黏土在不同冷端温度下的冻结锋面随时间变化曲线

Fig.5   Curves of freezing front of silty sand and clay at different freezing temperatures


综合冻结前后水分分布和冻结锋面随时间变化曲线分析,可发现图4中两种土样含水率的突变位置和冻结最终锋面位置有关.本文认为当冻结锋面通过下部土层后,由于该区域未冻水和温度梯度的存在,未冻水进行二次分布,从而使最终的含水率分布呈现为波动的形式.冻结锋面处的含水率的明显增加是由毛细管机理及薄膜迁移造成的.

分析图5中不同土样在不同温度的冻结锋面位置随时间的变化,本文认为两者之间存在某种函数关系.采用下式对6组冻结锋面-时间样本点进行拟合.其拟合结果如表3所示,用方差R2来评价其拟合结果.

y=aln t+bt+c
y'= at+b

式中:y为冻结锋面位置;a、b、c均为参数;y'为对y的一阶导数.

表3   冻结锋面-时间曲线拟合结果

Tab.3  Fitting results of frozen front-time curves

土样冷端温度/℃abcR2
粉砂土-203.21850.0023-11.13400.9937
粉砂土-152.67850.0029-10.20720.9961
粉砂土-102.20850.0010-8.55310.9975
软黏土-201.81510.0069-4.66290.9735
软黏土-151.71390.0043-4.26500.9924
软黏土-101.78510.0035-5.70380.9753

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由表3的拟合结果可得,式(1)对于6组试验结果拟合得到的R2均接近1.0,表明该式拟合效果较好.分析表3及式(1)、(2)后,发现参数a、b与冷端温度及土样性质有关.对于同一土样,冷端温度的绝对值越大,a、b值越大,则y'值越大,表明冻结锋面随时间推移速率更大.对于同一冷端温度,粉砂土具有较大的a值,而软黏土具有较大的b值.故本文认为a值和土样中的粗颗粒质量分数成正比,b值和土样中的细颗粒质量分数成正比.由式(2)可知,冻结锋面推移速率对b值大小更为敏感,因此冻结锋面的推移速率受细颗粒质量分数影响较大,细颗粒质量分数越大,其冻结锋面推移速率越大.

2.2 变形特征分析

2.2.1 总变形特征分析

在冻结过程中,水分迁移的发育程度也可通过土样变形特征来表现.根据位移传感器测得的冻结各个时刻下土样顶面的位移,可做出不同冷端温度下的土体总变形量随时间变化曲线,如图6所示,图中D为变形量,T为温度.

图6

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图6   粉砂土及软黏土在不同冷端温度下的总变形曲线

Fig.6   Total deformation curves of silty sand and clay at different freezing temperatures


分析图6可发现总变形线变化趋势可按照软黏土和粉砂土分为2类曲线:I类陡变型曲线(粉砂土)、II 类缓变型曲线(软黏土).两种土性呈现该差异性的原因可结合其水分迁移特征进行分析.

对于粉砂土,其总变形-时间曲线经历陡升阶段和稳定阶段.在陡升阶段,成冰作用强烈,聚集在冻结锋面处的水分冻结成冰,挤开土颗粒形成零星的冰透镜体,冻胀率开始快速增大.当冻结锋面基本稳定时,冰透镜体停止生长,变形曲线斜率趋于0,冻胀量不再增长.表明其在冻结过程中,大部分水分快速凝结成冰,发生水分迁移较少,与图4中表现的水分迁移特征一致.而对于软黏土,其总变形-时间曲线呈现为缓变型,整个冻结过程中,冻胀量按照稳定速度缓慢增长.表明软黏土内部的冻结不似粉砂土中的快速冻结,而发生大量的水分迁移,导致冻胀发育过程缓慢,与图4中软黏土的水分迁移特征一致.

从总冻胀量数值分析,在冷端温度为 -20 ℃时,粉砂土的最大冻胀量为8.16 mm,软黏土的最大冻胀量为8.27 mm,较为接近.原因在于本文采用的研究系统为封闭系统,无外部水源供给.总冻胀量其实和最终含冰量直接相关,即最终冻结结束时冻结锋面运移位置处以下全部冻结区体积内有多少水分相变为了冰.结合图5冻结锋面随时间的变化曲线可以发现,当冷端温度为 -20 ℃时,停止冻结时,粉砂土的冻结锋面位于距底板23 cm处,而软黏土的冻结锋面位于距底板18 cm处.虽然软黏土相较粉砂孔隙比及初始含水率高,但是因为冻结的体积小,最终形成较为接近的总冻胀量也是合理的.

对比同一种类土样在不同温度下的变形-时间曲线,可发现最大变形量及变形量增长速率和冷端温度绝对值成正相关关系.在冷端温度为 -20 ℃ 时,粉砂土和软黏土具有较为接近的最大变形量,其增长速率也较大.而在冷端温度为 -15 ℃ 和 -10 ℃ 时,粉砂土的总变形量-时间曲线趋势不变,但其最大变形量显著减少.软黏土在该冷端温度下的最大变形量逐渐减小,但均远大于粉砂土的变形量.表明粉砂土的冻胀发育较软黏土受温度影响较大,也从另一方面反映粉砂土内部水分迁移特征,即水分迁移较少,依靠冷端温度迅速成冰.

2.2.2 分层变形特征分析

为了探究土样内部距冷源不同位置处的冻胀发育机理,本次试验分别在距试样底端的距离分别为6、12、18 cm处埋置沉降标,并用DH-YWC-20应变式位移传感器监测各沉降标位移和土样顶部变形.由于-20 ℃时冻胀作用较为显著,有利于分析粉砂土及软黏土在分层变形量上的差异性,所以本文分别做出粉砂土及软黏土在冷端温度为 -20 ℃下土样内部0~6 cm、6~12 cm、12~18 cm和18~24 cm处的分层变形-时间曲线,并在图7、8中结合图4中冻融前后水分改变率分布图进行对照分析.

图7

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图7   粉砂土在冷端温度 -20 ℃时分层变形曲线

Fig.7   Layered deformation curves of silty sand at a freezing temperature of -20 ℃


图8

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图8   软黏土在冷端温度 -20 ℃时的分层变形曲线

Fig.8   Layered deformation curves of clay at a freezing temperature of -20 ℃


通过图7和图8中将粉砂土及软黏土的分层变形曲线结合冻结后含水率分布曲线的对照分析,可发现分层土样的冻胀与冻缩和土样该处的含水率增加和减少相对应.同时在粉砂土6~12 cm及 12~18 cm 之间和软黏土12~18 cm及18~24 cm之间,可发现两层土样冻胀发育过程中对应的较为明显的此消彼长现象.这也从另一方面说明了水分迁移的存在,即当冻结锋面发展到某一层时,水分由其相邻的未冻层向这一层迁移,因此水分迁入层表现为冻胀,而水分迁出层则表现为压缩,随着冻结锋面的推移和温度梯度的变化,这种迁移便在不同层内依次出现.

图7中粉砂土各层变形曲线和总变形曲线表现为一致的陡变型曲线,而图8中软黏土各层变形曲线和总变形曲线表现为一致的缓变型曲线,在6~12 cm和12~18 cm处的分层变形曲线中,存在长时间的冻胀和冻缩交替出现,波动较为明显.是由于随着冻结锋面的推移,正冻区和未冻区的位置也在不断改变.而正冻区内外分别出现冻胀和压缩现象,那么压缩和冻胀就会随着正冻区的不断改变而交替出现在土样中.由此表明在软黏土内部,冻结过程较为复杂,水分迁移充分发展.而粉砂土内部,冻结过程进展迅速,不存在不同土层之间的变形波动,水分迁移没有得到有利发展.

综上,就沿海上软黏下粉砂组合地层中软黏土及粉砂土的水分迁移程度差异和变形曲线的“陡变”和“缓变”性质,对于软黏土,由于其变形呈缓慢增长趋势,水分迁移循环往复,波动较大,冻结法工程施工过程中主要应关注的是冻结总的变形量,即冻结后期,因为冻结前期是缓慢积累的过程.而对于粉砂土,由于其变形呈快速增长趋势,冻结初期即水分迅速凝结,虽然迁移量较软黏土少,但突变性问题仍需在冻结法施工前期引起足够重视和关注.

3 结论

本文采用自制单向冻结仪对原状上海第②3层灰色粉砂土及重塑上海第④层淤泥质软黏土,分别进行冷端温度为 -20、-15、-10 ℃的冻结试验,分析两种土在冻结过程中水分迁移及变形特征的差异,得到以下结论:

(1) 沿海上软黏下粉砂组合地层中,粉砂土和软黏土在冻结过程中的水分迁移特征存在较大差异性.通过分析冻结前后水分分布曲线,发现在粉砂土中,冻结前后水分分布差距较小,水分迁移不显著.而在软黏土中,水分分布在冻结前后差距较大,水分迁移显著发育.冷端温度的绝对值对水分迁移发育存在正相关关系,但影响较小.

(2) 软黏土和粉砂土的冻结锋面-时间曲线可用y=alnt+bt+c来进行拟合,拟合结果良好,式中a、b均为受冷端温度及土性综合影响的参数.

(3) 粉砂土和软黏土在冻结过程中变形特征也存在较大差异性.粉砂土的总变形曲线表现为 I 类陡变型曲线,冻结过程中水分快速冻结,发生水分迁移较少.而软黏土的总变形曲线表现为 II 类缓变型曲线,冻胀量按照稳定速度缓慢增长,大量水分在土样内部进行水分迁移,冻结过程缓慢.两种土样的总变形曲线的表现形式均与其水分迁移特征一致.冷端温度绝对值与总变形量及其增长速率成正相关关系,其对粉砂土的影响远大于对软黏土的影响.

(4) 粉砂土和软黏土的分层变形曲线也分别表现出和总变形曲线一致的陡变曲线和缓变曲线,软黏土分层变形曲线在某些分层中还表现出较大的波动性.表明在软黏土内部,冻结过程较为复杂,水分移动循环往复,迁移充分发展.而粉砂土内部,冻结过程进展迅速,不存在不同土层之间的变形波动,水分迁移不显著.

(5) 基于沿海上软黏下粉砂组合地层中软黏土及粉砂土的水分迁移程度和变形曲线的差异,冻结法施工过程中建议对于变形陡变性且水分迁移较弱的粉砂土,应关注冻结初期.而对于变形缓变性且水分迁移显著发育的软黏土,更应重视最终的变形量,即冻结后期.

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