摘要：以南宁某地铁联络通道水平冻结法施工为背景，通过模型试验模拟实际工程概况，分析冻结壁冻胀力的变化规律。
关键词：联络通道；冻结壁；冻胀力
基于许多学者的研究表明，通过得出冻结壁温度场内温度的分布规律，就能确定冻结锋面的位置以及变化情况，并进一步分析冻结壁在冻结过程中对周边土体产生的冻胀力分布规律。[1]随着温度的逐渐下降，土体开始出现冻土区和较明显的冻结锋面，导致地下水平联络通道所在的地层产生冻胀效应，相应的附加冻胀应力随之出现。试验表明，冻结锋面法向方向朝未冻土区，而冻胀力的方向与之相同。[2]引起地层产生冻胀现象的主要原因是该土层在冻结过程中产生水分迁移现象，将液态水逐渐转化为固态冰，且水分迁移的主要方向是将土层中水分从高温区向低温区迁移，且方向与冻结锋面方向一致。
一、模型试验结果
通过应力监测系统对在冻结过程、开挖过程冻结壁所受到的土层应力，冻结过程冻结壁形成的冻胀力进行监测。通过对冻结壁冻胀力进行监测能够更好地掌握冻结壁内的冻结管是否在冻胀力的作用下受压破坏，保证冻结壁的形成与稳定。模型试验采用压力盒对冻胀力进行监测，将量程不同的压力盒分别埋入土层相应的设计位置中，通过连接数据采集仪，将压力盒测得的冻结壁冻胀力变化数据读取出来，最后通过电脑显示数据变化特征，进一步分析冻结壁在冻结与开挖过程的应力分布规律。仪器布置如下图1所示：
图1 地层中埋入监测冻胀力压力盒
沿着隧道走向将压力盒分布于2个断面，每个断面压力盒测点布置位置均一致，冻胀力测点布置于隧道左侧方与右上方，如图2所示。冻胀力监测每个断面有两个测点，两个断面等距分布。隧道一共分布4个压力盒测点，用来监测冻结壁在冻结过程形成的冻胀力以及冻结、开挖过程受到的土层应力分布情况。最后测得数据通过连接数据采集仪在电脑上显示，通过处理数据分析冻结壁冻胀力分布规律。
模型试验结果表明位于冻结壁内侧冻结管边缘ZY1、ZY2、ZY3、ZY4四个监测点的冻胀力随时间的变化分布规律总体趋势大体一致，冻胀力变化均经历以下四个阶段：
①冻胀力微增长阶段：积极冻结初期，各监测点周围土体温度尚处于正温，冻胀力接近为零，压力以周围水土压力为主，土体在冻结初期未冻水含量居多，只有少部分水在降温作用下变相成冰，因此冻胀力呈微增长趋势，部分测点值上下波动。
②冻胀力急剧增长阶段：距离冻结管最近位置土体温度迅速降至负温，当降到土体初始冻结温度，冻结帷幕开始交圈，冻胀力迅速增大，主要原因是，大量的未冻水由液态水迅速转变为固态冰，故而引起土体体积的急剧膨胀，但土体的变形受到限制，从而引起冻胀力的剧增。至于此时冻结土体进入负温并未迅速开始交圈，笔者认为，这可能是由于模型试验中联络通道位于富水卵砾石砂层，富含大量孔隙水，高达约30%，且水中离子浓度较高，导致水的初始冻结温度降低。
③冻胀力平缓增长阶段：当温度随着时间不断下降时，冻胀力增长趋势放缓，平均温度大约降至-8℃，冻胀力达到峰值，约为35kPa。随后冻胀力反而有略微下降趋势，而后趋于稳定，表明在温度过低时，土体颗粒出现冷缩现象，土体收缩，周围约束削弱，抑制了冻胀作用。此阶段后期土体已近乎冻实，监测点位置温度基本已降至-10℃，地层内部基本已无未冻水。
④冻胀力下降阶段：积极冻结期结束，进入开挖阶段，随着开挖进程的推进，冻胀力慢慢释放，呈逐渐减小趋势，直至趋于平稳，开挖完成。
图2 地层中埋入监测冻胀力压力盒
二、原因探讨
ZY1、ZY3监测点对应于冻结壁两侧，ZY2、ZY4监测点对应于冻结壁拱角部位，由图可得，ZY1、ZY3监测点的冻胀力变化曲线位于ZY2、ZY4监测点的上方，但两者相差不大，笔者认为这种现象的出现可能是不同深部地压的影响，研究表明，地层冻结过程中，冻结壁冻胀力受地压影响，且成正相关，ZY1、ZY3监测点较ZY2、ZY4监测点埋深更大，故相应土层荷载也就越大，因此冻胀力较为偏大。在开挖阶段，应力呈下降趋势。这可能是由于冻结初期该点附近土体温度大于冻结管温度，致使水分从高温区域向低温区域迁移（即向冻结管方向），水分迁移引起的负压力导致该点压力微下降。然后，在冻胀效应显著增大的影响下，土壤中的应力开始逐渐增大。温度场稳定后，冻结壁的外荷载稳定发展，直至稳定，后期开挖主要考虑开挖引起的应力释放，导致冻结壁荷载逐渐减小。当掘进断面到达相应监测点时，可以发现冻胀力急剧减小，这是由于开挖引起冻胀力突然释放的缘故。
三、结束语
冻胀力表现为四个阶段：冻胀力微增长阶段，冻胀力急剧增长阶段，冻胀力平缓增长阶段，冻胀力下降阶段。位于较深部位的测点的冻胀力比浅部大，但是两者数值相差不大。在开挖阶段，当掘进断面到达相应监测点时，可以发现冻胀力急剧减小。
参考文献
［1］周晓敏，王梦恕，陶龙光，等.北京地铁隧道水平冻结和暗挖施工模型试验与实测研究[J].岩土工程学报，2003（06）：676-679.
［2］李岩，刘波，张建新.竖向直排冻结条件水平冻胀力试验研究[J].岩土力学，2014，35（11）：3199-3206.
论文作者:郑超
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年15期
论文发表时间:2019/10/24
标签：应力论文; 阶段论文; 土层论文; 断面论文; 压力论文; 温度论文; 锋面论文; 《建筑学研究前沿》2019年15期论文;