上海軟土凍結(jié)加固凍脹防治技術(shù)的模擬試驗(yàn)研究摘 要:結(jié)合上海地鐵建設(shè)工程實(shí)際,采用模擬試驗(yàn)的方法,分別對(duì)預(yù)留管拔除法和熱鹽水循環(huán)法抑制凍脹的機(jī)理、防治凍脹的效果以及影響凍脹的相關(guān)因素進(jìn)行綜合分析和試驗(yàn)研究,從而為上海軟土凍結(jié)加固凍脹的防治提供了理論依據(jù)和有關(guān)的參考數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞:凍脹;防治技術(shù);模擬試驗(yàn) 眾所周知,土層的人工凍結(jié)過程,伴有明顯的凍脹現(xiàn)象。對(duì)于煤礦井筒或其它一些野外凍結(jié)工程,凍結(jié)對(duì)周圍土體的影響不甚重要。但在城市中施工則不同,地鐵車站、隧道等一般都位于繁華地段。由于凍脹作用,勢(shì)必對(duì)周圍土體在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生影響,危及建筑物和管線的安全。 目前,國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)凍結(jié)過程中凍脹的產(chǎn)生機(jī)理做了許多研究[1],但對(duì)城市軟土凍結(jié)工程凍脹防治技術(shù)的研究卻少見。為了填補(bǔ)這一空白,本文結(jié)合上海地鐵建設(shè)工程實(shí)際,采用模擬試驗(yàn)的方法,分別對(duì)預(yù)留管拔除法和熱鹽水循環(huán)法抑制凍脹的機(jī)理、防治效果及其影響因素進(jìn)行綜合分析研究,為軟土凍結(jié)加固凍脹的防治提供了理論依據(jù)和有關(guān)的參考數(shù)據(jù)。1原型工程簡(jiǎn)介 原型工程為上海市地鐵一號(hào)線上體館車站與明珠線二期上體場(chǎng)車站的換乘站“Ｕ＿Ｕ”型水平凍結(jié)施工。該換乘站結(jié)構(gòu)由并列的上行線隧道、換乘通道和下行線隧道三部分組成,橫截面尺寸高約5.8ｍ,寬21.45ｍ。換乘長(zhǎng)度21.7ｍ。換乘頂板標(biāo)高-10.08ｍ,底板底標(biāo)高為-15.82ｍ。換乘段之頂板即是一號(hào)線上體館站的底板,其上方地面為立交橋。該區(qū)的地質(zhì)狀況大致為:換乘段開挖的土層為④2層砂質(zhì)粘土夾粉質(zhì)砂土,含水量32.2%,滲透系數(shù)大,屬于強(qiáng)凍脹土層,層厚約4.82ｍ。該土層的上方為厚約9.37ｍ的④1的灰色淤泥質(zhì)粘土,下方為⑤1-1粘土厚約4.32ｍ,均屬于強(qiáng)凍脹土層,其凍結(jié)過程中將伴隨有較大的凍脹力和凍脹變形。為了防止凍脹使一號(hào)線地鐵車站底板產(chǎn)生較大的變形,必須嚴(yán)格做好凍脹的防治工作。為此,對(duì)凍脹防治技術(shù)的模擬試驗(yàn)研究就顯得尤為必要。2 凍脹防治技術(shù)的模擬試驗(yàn)2.1模化設(shè)計(jì) 以溫度場(chǎng)相似為基礎(chǔ)的凍結(jié)模擬試驗(yàn)諸多影響因素中,長(zhǎng)度、時(shí)間、溫度、熱量和質(zhì)量等為基本物理量,其它為導(dǎo)出量。根據(jù)函數(shù)式和π項(xiàng)式,可得到幾個(gè)主要相似準(zhǔn)則[2]:①幾何縮比:
均等于1,所以Ｃｔ=1,即模型各點(diǎn)與原模型各點(diǎn)相應(yīng)溫度值相等。 由于取原型土,其彈性模量相等,所以原型與模型相應(yīng)點(diǎn)應(yīng)力相等。2.2模擬試驗(yàn)臺(tái) 模擬試驗(yàn)采用單一“Ｕ”型,根據(jù)模擬試驗(yàn)臺(tái)的工作目的和功能要求,試驗(yàn)臺(tái)由箱體構(gòu)架、加載系統(tǒng)、凍結(jié)工作系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)組成。2.2.1 箱體構(gòu)架 箱體構(gòu)架是試驗(yàn)臺(tái)的主骨架,呈長(zhǎng)方體,長(zhǎng)2.4ｍ,寬1.2ｍ,高ｌ.2ｍ,頂部敞口,為模擬現(xiàn)場(chǎng)周圍環(huán)境對(duì)凍土變形的約束,還設(shè)計(jì)反力架加載裝置,見圖1。2.2.2加載系統(tǒng) 加載通過300ｔ反力架及50ｔ千斤頂加載。采用千斤頂分步、分區(qū)加載。將試驗(yàn)臺(tái)分為中部和兩側(cè),兩側(cè)加載0.8～1.3ｋｇ/ｃｍ2,中間部分加載0.4～1.0ｋｇ/ｃｍ2。以模擬現(xiàn)場(chǎng)周圍土層對(duì)凍土變形的約束。2.2.3凍結(jié)工作系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)中采用常規(guī)人工制冷技術(shù),低溫鹽水制冷機(jī)組制備低溫鹽水(ＣａＣｌ2溶液),通過凍結(jié)器在模擬試驗(yàn)臺(tái)的土層中循環(huán)使之變成凍土。制冷設(shè)備采用Ｆ-6.5型活塞式壓縮機(jī);制冷工質(zhì)為氟利昂(Ｒ22)。2.2.4 測(cè)試系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由溫度測(cè)試、位移測(cè)試和壓力測(cè)試3部分組成。2.2.4.1 溫度測(cè)試 溫度傳感器為熱電偶,二次儀表選用澳大利亞生產(chǎn)的ＤＡＴＡＴＡＫＥＲ數(shù)據(jù)采集器和微機(jī)接口形成效據(jù)自動(dòng)采集和微機(jī)分析處理的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)共布設(shè)12個(gè)測(cè)點(diǎn)(見圖1),采集精度0.01℃,采集頻率設(shè)定為1次/ｌ0ｍｉｎ。2.2.4.2位移測(cè)試 位移測(cè)試采用電阻式位移計(jì)。4個(gè)位移計(jì)用磁性插座固定在模擬實(shí)驗(yàn)箱的箱體上,分別測(cè)量?jī)鐾馏w內(nèi)部的凍脹變形和模擬箱上蓋鋼板的向上或向下位移。二次儀表選用ＹＪ-26型多點(diǎn)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。2.2.4.3 壓力測(cè)試通過埋入土體的ＴＹＪ20鋼弦式土壓力計(jì)了解凍結(jié)過程中土體的凍脹力發(fā)展情況。二次儀表選用ＺＸＹ2Ｄ型鋼弦式頻率接收儀。2.3 預(yù)留管拔除法模擬試驗(yàn)2.3.1 試驗(yàn)原理 隨著凍土墻的形成和發(fā)展,逐步抽出預(yù)留管,其形成的空間將吸收凍土變形,以減少凍土向上的凍脹量,減低凍脹力。預(yù)留管布置如圖2。2.3.2抽出預(yù)留管和無預(yù)留管措施的凍脹情況對(duì)比見表12.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析 (1)在凍結(jié)時(shí)間和凍土墻厚度基本相同的情況下,采取了抽出預(yù)留管的措施能有效減少凍脹量和凍脹率。 (2)當(dāng)模型凍土厚度約200ｍｍ時(shí)(即原型凍土厚度為1.5ｍ),左側(cè)全拔除預(yù)留管的凍脹量和右側(cè)部分拔除預(yù)留管的凍脹量較未采取措施的凍脹量分別減少了64.4%和25.3%。2.4 熱鹽水循環(huán)法模擬試驗(yàn)2.4.1試驗(yàn)原理 土的人工凍結(jié)是不穩(wěn)定溫度場(chǎng),具有不穩(wěn)定邊界性質(zhì)。用熱鹽水循環(huán)吸收冷量達(dá)到限制凍土邊界,不使凍土過量擴(kuò)展,保護(hù)周圍的建筑物。熱水管的布置見圖3。2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析 (1)在循環(huán)時(shí)間(2.8ｈ左右)相同,熱鹽水溫度(50℃左右)相同的情況下,增加鹽水流量(大于0.828ｍ3/ｈ)對(duì)抑制凍脹無影響(見表2) (2)從熱水循環(huán)過程中溫度場(chǎng)的變化曲線(圖4)可以看出,當(dāng)熱水循環(huán)開始,離熱水循環(huán)管1ｃｍ的6-4測(cè)點(diǎn)升溫很快,而距離熱水循環(huán)管11ｃｍ的4-4測(cè)點(diǎn)溫度僅略有升高。可見,使用熱水循環(huán)能夠有效的控制凍土的邊界,同時(shí)也不會(huì)使凍土墻內(nèi)部的溫度升高,保證了凍土墻的強(qiáng)度。3 結(jié)語 (1)從模擬的結(jié)果來看,在實(shí)際凍結(jié)施工中采用預(yù)留管拔除法和熱鹽水循環(huán)法能夠有效的控制凍脹的發(fā)展,起到保護(hù)一號(hào)線車站底板的目的。 (2)全拔除預(yù)留管的凍脹量和部分拔除預(yù)留管的凍脹量較未采取措施的凍脹量分別減少了64.4%和25.3%。預(yù)留管拔除的時(shí)間應(yīng)選在凍土交圈前后。 (3)熱鹽水循環(huán)不會(huì)降低凍土墻的強(qiáng)度。在循環(huán)時(shí)間和熱鹽水溫度相同的情況下,當(dāng)熱鹽水流量達(dá)到0.828ｍ3/ｈ時(shí),繼續(xù)增加鹽水流量對(duì)抑制凍脹影響不大。參考文獻(xiàn):[1]徐學(xué)祖,何平,張建明.土體凍結(jié)和凍脹研究的新進(jìn)展[Ｊ].冰川凍土,1997,19(3):280-283.[2]崔廣心.相似理論與模型試驗(yàn)[Ｍ].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1990.
均等于1,所以Ｃｔ=1,即模型各點(diǎn)與原模型各點(diǎn)相應(yīng)溫度值相等。 由于取原型土,其彈性模量相等,所以原型與模型相應(yīng)點(diǎn)應(yīng)力相等。2.2模擬試驗(yàn)臺(tái) 模擬試驗(yàn)采用單一“Ｕ”型,根據(jù)模擬試驗(yàn)臺(tái)的工作目的和功能要求,試驗(yàn)臺(tái)由箱體構(gòu)架、加載系統(tǒng)、凍結(jié)工作系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)組成。2.2.1 箱體構(gòu)架 箱體構(gòu)架是試驗(yàn)臺(tái)的主骨架,呈長(zhǎng)方體,長(zhǎng)2.4ｍ,寬1.2ｍ,高ｌ.2ｍ,頂部敞口,為模擬現(xiàn)場(chǎng)周圍環(huán)境對(duì)凍土變形的約束,還設(shè)計(jì)反力架加載裝置,見圖1。2.2.2加載系統(tǒng) 加載通過300ｔ反力架及50ｔ千斤頂加載。采用千斤頂分步、分區(qū)加載。將試驗(yàn)臺(tái)分為中部和兩側(cè),兩側(cè)加載0.8～1.3ｋｇ/ｃｍ2,中間部分加載0.4～1.0ｋｇ/ｃｍ2。以模擬現(xiàn)場(chǎng)周圍土層對(duì)凍土變形的約束。2.2.3凍結(jié)工作系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)中采用常規(guī)人工制冷技術(shù),低溫鹽水制冷機(jī)組制備低溫鹽水(ＣａＣｌ2溶液),通過凍結(jié)器在模擬試驗(yàn)臺(tái)的土層中循環(huán)使之變成凍土。制冷設(shè)備采用Ｆ-6.5型活塞式壓縮機(jī);制冷工質(zhì)為氟利昂(Ｒ22)。2.2.4 測(cè)試系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由溫度測(cè)試、位移測(cè)試和壓力測(cè)試3部分組成。2.2.4.1 溫度測(cè)試 溫度傳感器為熱電偶,二次儀表選用澳大利亞生產(chǎn)的ＤＡＴＡＴＡＫＥＲ數(shù)據(jù)采集器和微機(jī)接口形成效據(jù)自動(dòng)采集和微機(jī)分析處理的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)共布設(shè)12個(gè)測(cè)點(diǎn)(見圖1),采集精度0.01℃,采集頻率設(shè)定為1次/ｌ0ｍｉｎ。2.2.4.2位移測(cè)試 位移測(cè)試采用電阻式位移計(jì)。4個(gè)位移計(jì)用磁性插座固定在模擬實(shí)驗(yàn)箱的箱體上,分別測(cè)量?jī)鐾馏w內(nèi)部的凍脹變形和模擬箱上蓋鋼板的向上或向下位移。二次儀表選用ＹＪ-26型多點(diǎn)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。2.2.4.3 壓力測(cè)試通過埋入土體的ＴＹＪ20鋼弦式土壓力計(jì)了解凍結(jié)過程中土體的凍脹力發(fā)展情況。二次儀表選用ＺＸＹ2Ｄ型鋼弦式頻率接收儀。2.3 預(yù)留管拔除法模擬試驗(yàn)2.3.1 試驗(yàn)原理 隨著凍土墻的形成和發(fā)展,逐步抽出預(yù)留管,其形成的空間將吸收凍土變形,以減少凍土向上的凍脹量,減低凍脹力。預(yù)留管布置如圖2。2.3.2抽出預(yù)留管和無預(yù)留管措施的凍脹情況對(duì)比見表12.3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析 (1)在凍結(jié)時(shí)間和凍土墻厚度基本相同的情況下,采取了抽出預(yù)留管的措施能有效減少凍脹量和凍脹率。 (2)當(dāng)模型凍土厚度約200ｍｍ時(shí)(即原型凍土厚度為1.5ｍ),左側(cè)全拔除預(yù)留管的凍脹量和右側(cè)部分拔除預(yù)留管的凍脹量較未采取措施的凍脹量分別減少了64.4%和25.3%。2.4 熱鹽水循環(huán)法模擬試驗(yàn)2.4.1試驗(yàn)原理 土的人工凍結(jié)是不穩(wěn)定溫度場(chǎng),具有不穩(wěn)定邊界性質(zhì)。用熱鹽水循環(huán)吸收冷量達(dá)到限制凍土邊界,不使凍土過量擴(kuò)展,保護(hù)周圍的建筑物。熱水管的布置見圖3。2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析 (1)在循環(huán)時(shí)間(2.8ｈ左右)相同,熱鹽水溫度(50℃左右)相同的情況下,增加鹽水流量(大于0.828ｍ3/ｈ)對(duì)抑制凍脹無影響(見表2) (2)從熱水循環(huán)過程中溫度場(chǎng)的變化曲線(圖4)可以看出,當(dāng)熱水循環(huán)開始,離熱水循環(huán)管1ｃｍ的6-4測(cè)點(diǎn)升溫很快,而距離熱水循環(huán)管11ｃｍ的4-4測(cè)點(diǎn)溫度僅略有升高。可見,使用熱水循環(huán)能夠有效的控制凍土的邊界,同時(shí)也不會(huì)使凍土墻內(nèi)部的溫度升高,保證了凍土墻的強(qiáng)度。3 結(jié)語 (1)從模擬的結(jié)果來看,在實(shí)際凍結(jié)施工中采用預(yù)留管拔除法和熱鹽水循環(huán)法能夠有效的控制凍脹的發(fā)展,起到保護(hù)一號(hào)線車站底板的目的。 (2)全拔除預(yù)留管的凍脹量和部分拔除預(yù)留管的凍脹量較未采取措施的凍脹量分別減少了64.4%和25.3%。預(yù)留管拔除的時(shí)間應(yīng)選在凍土交圈前后。 (3)熱鹽水循環(huán)不會(huì)降低凍土墻的強(qiáng)度。在循環(huán)時(shí)間和熱鹽水溫度相同的情況下,當(dāng)熱鹽水流量達(dá)到0.828ｍ3/ｈ時(shí),繼續(xù)增加鹽水流量對(duì)抑制凍脹影響不大。參考文獻(xiàn):[1]徐學(xué)祖,何平,張建明.土體凍結(jié)和凍脹研究的新進(jìn)展[Ｊ].冰川凍土,1997,19(3):280-283.[2]崔廣心.相似理論與模型試驗(yàn)[Ｍ].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1990.
