冻结法的本质是使土中自由水冻结,形成人工冻土,加固区土体是否冻结决定地铁联络通道能否开挖。由于联络通道通常位于城市高密集区,开挖不当会引起挖孔坍塌、地面沉陷、周边建筑倒塌等重大工程地质灾害。冻土性状是温度的函数^[1],对于冻结过程的温度场^[2-3]变化规律,国内研究人员进行了大量的探索^[4-7],结果表明,不同土体在冻结过程中所呈现的冻结特性并不相同。在室内试验方面,程知言等^[8]测试了上海地区3种饱和软土的起始冻结温度、未冻水含量及含冰量,得到了上海地区软黏土冻结过程的温度变化曲线。张婷^[9]进行了冻结温度、冻胀及融沉试验,研究了南京地区典型淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土及粉砂土的冻结温度随土质、含水量、干密度、含盐量及水质的变化规律。邢述彦^[10]进行了砂壤土、轻壤土和黏土的冻结温度试验,得到了土体冻结的温度变化曲线及3种土在不同含水率、含盐量条件下的冻结温度。在现场试验方面,土体温度一般通过测点温度进行监测,马俊等^[11]发现冻结期间各测点温度的变化趋势大致相同,但由于冻土帷幕外侧扩散时冷量损失比内侧大,导致内侧土体降温速率及冻结锋面的移动速率比外侧快。尚骁林^[12]对冻结法施工中盐水温度、泄压孔压力、测温管温度及地表沉降进行了监测,获得了对应测点的温度变化规律。

综上所述,国内外研究人员通过室内试验对土体冻结过程的自由水相态变化及冻结温度做了大量的探索,但在现场试验方面,前人对测点温度的分析很少结合自由水的相态变化规律。由于不同性状土的冻结温度不同,若不能正确认识测点温度与土中自由水相态的关系,则将无法判断土体是否冻结。此外,不同性质的土冻结过程的温度变化规律也不相同^[13],而关于杭州地区淤泥质黏土地层冻结法施工测点温度变化规律的相关研究较为缺乏。因此我们依托杭州市轨道交通5号线16标段江南大道站至江虹路西站区间段内联络通道冻结法施工项目,进行现场冻结试验,研究在杭州淤泥质黏土地层中地铁联络通道冻结法施工的测点温度变化规律及冻土帷幕厚度,从而为分析冻土帷幕性状及类似工程提供参考。

杭州市轨道交通5号线16标段江南大道站至江虹路西站区间段联络通道冻结施工项目位于滨安路上,通道主体部分主要位于淤泥质粉质黏土层及淤泥质粉质黏土夹粉土层,冻结加固区土层基本物理参数见表1,加固区位置及地层信息如图1所示。

表1 冻结加固区土层基本物理参数
Table 1 Fundamental physical parameters of soil layer in frozen reinforcement area

图1 冻结加固区位置及地层
Fig.1 Elevation and stratum of frozen reinforcement area

冻土帷幕设计厚度为2 m,由于地表为城市道路,为减少对交通的影响,采用水平冻结法进行冻结。冻结管共77根(编号为D),选用20#低碳钢无缝钢管; 测温管共7根(编号为C),选用Φ32 mm、δ3 mm钢管,管内等间距布置3个测温点,用以监测冻结过程的土体温度,采样时间间隔为24 h。其中,测温管C1、C2、C3、C5、C6、C7位于④₂淤泥质粉质黏土层,C4位于⑥₁淤泥质黏土夹粉土层; C1、C2、C3、C4位于隧道左线,C5、C6、C7位于隧道右线。冻结管参数见表2,冻结管及测温管布置如图2所示。

土体冻结的冷量来自冻结管,在其他条件相同的情况下,测点与冻结管的距离对温度也有一定的影响。为控制距离变量,将测温管按与冻结管距离的远近进行分组,距冻结管1 m有C2、C3、C6、C7等测点,距冻结管约0.5 m有C1、C4、C5等测点。

表2 冻结管参数汇总表
Table 2 Summary of freezing pipe parameters

图2 冻结管及测温管布置(单位:mm)
Fig.2 Layout of freezing pipe and temperature measuring pipe(unit: mm)

本试验制冷系统于2019年6月21日完成安装调试并开机冻结,至2019年7月24日,累计冻结35 d。盐水去回路温度及温差随时间的变化如图3所示。由图3(a)可知,去回路温度曲线分为4个阶段:1)快速降温阶段。经过8 d的冻结,温度降至-20 ℃左右,平均降温速率为5.13 ℃/d。2)缓慢降温阶段。用时7 d,平均降温速率为0.14 ℃/d。在冻结第15 d,去路温度为-22 ℃仍未达设计要求,因此加大制冷机功率以进一步降温。3)温度稳定阶段。这一阶段盐水去路温度稳定在-28 ℃左右,达到设计要求,平均降温速率为0.04 ℃/d。由图3(b)可知,在冻结期间,去回路温差总体呈下降趋势,从2.0 ℃逐渐降至0.9 ℃,说明冻土帷幕形成良好,温度场趋于稳定。

图3 盐水去回路温度及温差随时间的变化
Fig.3 Variation of temperature and temperature difference of salt water to the loop with time

冻土帷幕设计厚度为2 m,因此冻结管1 m处的土体冻结状态决定了冻土帷幕是否达到设计厚度。由于冻结壁内外两侧的扩展速率不同,因此将测温管C2、C3、C6、C7分为2组,第1组为C3、C6位于冻结壁内侧,第2组为C2、C7位于冻结壁外侧,各组测点温度随时间的变化见图4。由图4可知,地层初始温度约为22.5 ℃,各测点的曲线变化规律基本上相似; 以测点C3-1及C2-1为例,可将曲线大致分为快速降温、缓慢降温、自由水相变、稳定降温4个阶段。

图4 测点温度随时间的变化
Fig.4 Temperature variation of measuring point with time1)

快速降温阶段:此阶段共持续15 d,测点温度随时间的推移逐渐降低,第1组和第2组的平均降温速率均为1.3 ℃/d。由图3可知,盐水温度在这一阶段持续下降,测点温度是盐水温度和时间的双变量函数,降温速率较快。

2)缓慢降温阶段:此阶段测点温度随时间的推移逐渐降低,第1组的平均降温速率为0.5 ℃/d,第2组为0.6 ℃/d,相比快速降温阶段有所减慢。这主要是由于盐水温度维持在-28 ℃不变,测点温度变成仅与时间相关的单变量函数。

3)自由水相变阶段:此阶段测点起始温度为0 ℃左右,测点温度随时间的推移逐渐降低,第1组和第2组的平均降温速率均为1.25 ℃/d,相比缓慢降温阶段明显升高。由于盐水温度保持不变,因此,降温速率升高是由土体本身的热物理性质变化导致的。

4)稳定降温阶段:此阶段测点温度随时间的推移逐渐降低,第1组和第2组在这一阶段的平均降温速率均为0.5 ℃/d,明显低于自由水相变阶段。这主要是由于土中热负荷降低,冻土帷幕逐渐达平衡态(热动态平衡^[14]),温度场趋于稳定,因此测点温度变化曲线开始收敛,降温速率变慢。

从整体上看,由于各测点初始温度不同及冻结管纵向冷量损失的原因,在快速降温和缓慢降温阶段,测点间的温度差距较大,随着土中热负荷降低,差距逐渐缩小。每组曲线呈现较强的一致性并向同一状态收敛,冻结35 d后,测点温度达-5 ℃,此时温度没有达到稳定状态,曲线仍呈下降趋势,说明冻结壁仍在缓慢发展。

自由水相态与土体温度有关,温度受比热C影响,比热公式如下:

C=Q/(m(t-t₀))。 (1)

式(1)中:Q为热量; m为质量; t为变化后的温度; t₀为初始温度。

由式(1)可知,物体质量(m)和单位时间输入的热量(Q)保持不变时,比热降低会导致单位时间内温度变化量(t-t₀)增大,即温度变化率上升。由于比热为广延量,土体冻结前后的比热变化即为水到冰的比热变化。水的比热为4 200 J/(kg·℃),冰的比热为2 100 J/(kg·℃),所以理论上,土体冻结后比热降低(文献[15]的试验结果表明淤泥质土冻结后比热的确降低了)。

在缓慢降温和自由水相变阶段土体质量和盐水温度均未发生变化(即m与Q保持不变),因此测点降温速率上升的这一现象是由土中自由水比热降低引起的,而自由水的比热变化仅在自由水相变时发生,说明在测点温度达0 ℃左右时,自由水发生相变,冻结成冰。

在土体温度达到冻结温度时,土中自由水发生相变,冻结成冰。对于淤泥质土的冻结温度,文献[15]的试验结果表明,含水率38.6%、密度1.94 g/cm³的淤泥质粉质黏土原状土的冻结温度为-0.36 ℃。由表1可知,其土质类型、含水率及密度都与本工程加固区土体性状相似,因此本工程土体冻结温度应为-0.36 ℃左右。由于测温点并非直接埋置于土中,而是通过测温管与土体间接接触,于是存在冷量损失,因此自由水相变时测点温度约为0 ℃,略高于土体冻结温度-0.36 ℃,属于正常现象。

综上所述,土中自由水在快速降温及缓慢降温阶段为液态; 在自由水相变及稳定降温阶段为固态,由于黏土冻结主要以自由水冻结为主^[16],故可认为此时土体已经冻结。

本研究结合实际工程进行了现场冻结试验,通过分析冻结过程的盐水去回路温度及测点温度,探讨了测点温度的变化规律、土体冻结状态及冻土帷幕厚度,得到如下结论:

1)冻结期间,盐水去回路温差逐渐从2 ℃降至0.9 ℃,冻土帷幕形成良好,温度场趋于稳定;

2)杭州市淤泥质黏土地层在冻结作用下,距冻结管1 m处的测点温度变化曲线可大致分为快速降温、缓慢降温、自由水相变、稳定降温4个阶段,受盐水温度及土中自由水相态的影响,在各个阶段冻结壁内外两侧的测点平均降温速率不同;

3)土中自由水在快速降温和缓慢降温阶段为液态,在自由水相变和稳定降温阶段为固态;

4)在累计冻结35 d后,冻结管1 m处的测点均已达到稳定降温阶段,土体冻结,冻土帷幕达到设计厚度2 m,满足设计要求;

5)试验结果验证了冻结法在杭州淤泥质黏土地层加固中的可行性,可为冻土帷幕性状分析及类似工程应用提供参考。