中国矿业大学建筑工程学院土木工程专业学科前沿讲座课程报告
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冻胀融沉的分析与防范
（中国矿业大学力学与建筑工程学院 土木10-7班 陈辉 学号：02100498）
摘 要：工程建设是否对周边环境产生负面或不利影响, 是建设者和使用者所关注的问题。针对地铁工程建设中涉及的冻胀融沉,从其产生的机理到影响因素进行了细致的论述和分析,以及分析了冻胀融沉的相关影响因素，从本质上分析了其特点，凭此制定了科学、合理的防范措施,并应用于实践,在施工中取得较好的效果。 关键词：冻胀融沉;分析;防范
在地铁建设中, 煤矿冻结法作为一种土体加固方法被广泛应用,但冻结法的冻胀融沉是否对地铁隧道及周围环境产生影响,是建设者和使用者所关注的问题。为此,我们在北方某城市地铁联络通道冻结法施工中,对冻胀融沉的产生机理及影响因素进行了认真、细致的分析,结合工程实际情况,制定了科学、合理的防范措施,取得了较好的效果。
1 冻结法冻胀分析
冻胀是指地铁工程在土体加固过程中,由于冻结管对土体实施冻结作用,使土体中水分结冰而造成其体积膨胀的现象,在实际施工中, 不论对天然冻土区还是人工冻土区,冻胀都是工程建设者所面临的棘手问题。究其原因,主要是由于含水土体在冻结过程中, 一方面土中原位水发生冻结,另一方面是未冻结水向冻结锋面的迁移现象,从而引起土中水分的重新分布和析冰作用。土体的冻胀分为原位冻胀和分凝冻胀,由于原位水分冻结引起的冻胀量相对分凝冻胀来讲十分微小, 因此, 我们本次所研究的土体冻胀主要指由水分迁移引起的分凝冻胀。 1.1 冻胀的产生机理
分凝冻胀的产生机理包括土中水分迁移和成冰作用。土体在冻结过程中,一旦土体温度低于土的起始冻结温度, 土中就有部分液态水变成冰,但在土颗粒表面仍有一些作为吸附膜的未冻水存在,在温度梯度引起的负压梯度作用下,来自未冻土的水通过未冻水膜迁入冻土层内。由于未冻水膜的厚度随土温的降低而减薄, 被迁移的水分因迁移受阻而逐渐在某个位置聚集。此时,冻土中的未冻水含量是恒定的, 即在一定负温下, 土颗粒外围具有恒定的平衡水膜厚度。当足够的水分聚集起来时,由于未冻水膜的厚度增大, 未冻水的自由能比冰的自由能高, 原来的热力平衡状态被破坏。在恒定的负温下,土水体系通过多余的未冻水释放自由能分凝成冰,而重新建立平衡状态。随着分凝冰晶便不断积累,土体便产生了冻结膨胀。 1.2 冻胀的影响因素
冻结过程中水分迁移和成冰作用是产生土体冻胀的直接因素,它们的强弱主要取决于土体颗粒的土质、土中水分、温度及荷载作用等因素。 1.2.1 土颗粒组成对冻胀的影响
土粒表面力场的差异性影响着土冻结过程中水分迁移能力, 并导致冻胀变形各不相同。对于粗颗粒土来说,不存在土的矿物成分对冻胀的影响。在细颗粒土中,尤其是亚粘土、粘土, 这种影响显著地表现出来。在水分、温度及冻结条件大致相似的情况下, 各类土的冻胀性强
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弱大致按下列顺序递减: 粉质土、亚砂土> 亚粘土> 粘土> 砾石土( 小于 0.05mm 粒径的含量超过12% ) > 粗砂> 砂砾石。 1.2.2 土中水对冻胀的影响
试验和工程实践证明,只有土中水分超过一定界限之后才会产生冻胀, 在外界条件相同的情况下, 土体含水量愈高,其冻胀的强度也就愈大。此外, 在没有外界水源补给的封闭系统中,由于水分迁移受到了限制, 冻胀达到一定量时就不再增长,而在有水源补给的开放系统中,只要条件适宜,冻胀就会持续增长。 1.2.3 温度对冻胀的影响
首先, 土温降低引起水结晶、冰分凝,引起土体内部液态水向冻结锋面的不断迁移。冻土土温愈低,土体中未冻水含量愈少, 含冰量愈大。其次, 冻土的温度梯度决定着水分迁移量的大小,冻土的温度梯度愈小, 水分迁移量愈大;冻胀量愈大,温度梯度愈大,水分迁移量愈小,冻胀量愈小。
1.2.4 荷载对冻胀的影响
荷载的增加会对土体的冻胀产生抑制作用, 首先,荷载的增加会使得土体的冻结温度降低,要继续维持土体的冻结状态, 则需要更低的冻结温度。其次, 外部压力的作用会引起土体内水分的重分布。若荷载的增加超过冻结锋面所产生的界面能量时,水分则会从高应力区的冻结锋面向低应力区发生反向迁移,使得土体冻胀急剧减少,甚至停止。
2 融沉的分析
2.1 融沉的产生机理
冻结地层温度上升, 冻土发生融化, 冻土中的冰晶融化成水, 土体体积缩小,加上土体原有结构冻胀时形成的裂缝在融化时的闭合, 产生融化沉降; 同时冻土在融化过程中未冻水含量随地温的升高而增加, 直至达到相变温度点,冰全部变成孔隙水, 当未冻水含量增加到足以摆脱静电作用时,土体便在重力和上覆荷载的作用下发生排水固结,土颗粒运动, 孔隙度变小而压密,产生固结沉降。融化终结后, 排水固结并不马上结束, 而是继续进行一段时间,直至土体固结沉降达到稳定。冻土融化沉降的沉降量与外压力无关, 而融土固结产生的沉降与冻结过程中形成的土粒结构的稳定性、冰融化成水释放的自由孔隙空间以及上覆荷载的大小有关。通常压密沉降与正压力成正比, 一般冻土的融沉量要大于冻胀量,有时融沉会变为突陷。融沉的不均匀性及突陷往往会导致地表建筑结构的破坏。 2.2 融沉的影响因素
影响冻土融沉的主要因素有: 冻土的含水量( 包括冻土中的未冻水和孔隙冰)、冷生构造、干容重、上覆荷载等。 2.2.1 含水量对融沉的影响
冻土含水量的大小是影响冻土融沉的关键因素, 其含水量包括冻土中的未冻水和孔隙冰两个部分,各部分所占比重的大小视冻土所处的负温而定,体积含冰量较大的富冰冻土融化时常产生突发性下沉变形, 而含冰量较少的贫冰冻土融沉时基本不会产生较大变形。 2.2.2 冷生构造对融沉的影响
冻土的融沉与冻土在冻结过程中所形成结构有关,冻土的结构对土的融化沉降及压密沉降有着直接的影响,通常来讲呈整体状构造的冻土, 其产生的融沉一般不大,而冻结时呈层状
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或网状构造的冻土一般在融沉过程中会产生较大的沉降变形。 2.2.3 干容重对融沉的影响
干容重对冻土融沉的影响是从另一面体现了冻土中含水量的融沉的影响, 冻土中含水量小时, 干密度相对较大,土体中孔隙体积较少,这样的冻土在融沉过程
中不会产生较大的沉降变形;而在冻土含水量较大的情况下,冻土的干密度较小, 土体中孔隙体积相对较大, 该类冻土则在荷载的作用下会产生较大的沉降压缩变形。2.2.4 荷载对融沉的影响
荷载对融沉的影响主要体现在融土的固结过程, 随着冻土中冰的融化,融土中含水量会逐渐增大, 形成超静孔隙水压力,试验表明, 融土在较大的荷载作用下, 孔隙水压力会加速消散,随着融土中孔隙水的排出, 孔隙的压密,融土将产生较大的压缩沉降。
3 地铁人工冻结土体冻胀融沉的特点
从以上的分析中可以看出,不论是人工冻土还是天然冻土,其冻胀融沉的产生机理及影响因素都是相同的。但就人工冻土来讲, 它除具有天然冻土的特征外,还具有其自身的一些特点,主要表现在: (1) 人工冻结土体所处地层多为淤泥质土或粘土地层等,一般含水丰富,在这样的地层环境下, 易产生较大的冻胀和融沉变形。
(2) 冻结过程中,人工冻结器表面温度通常低于-20 ,负温梯度随着冻结壁的扩展由大变小, 冻结速度由快变慢, 冻结时间相对较短; 在冻结土体融化过程中,周边的土体温度相对较低,温度梯度较小, 但在其相邻范围的正温土体的作用下,冻土温度会快速升高, 在此相变过程中,由于冻结土体要吸收大量的热量, 而周边正温土体传导热量的能力有限,使得冻结土体全部融化要经历相对较长的时间。
(3) 人工冻结土体具有三维冻融的特征, 在冻结过程中冻结锋面的扩展垂直于冻结管轴线方向, 冰晶分布平行于冻结管轴线方向;在冻土融化过程中, 热量是由周围土体或结构向冻土内部扩散,冻土从周边边界开始融化。此外,人工冻结土体的冻融过程中水分的聚集和消散同样具有明显的三维特征。
(4) 人工冻结壁作为临时支撑结构一般要承受一定的荷载作用, 在冻结过程中荷载通常对土体的冻胀具有一定的限制和约束作用,而在融沉过程中, 由于受荷载作用的影响, 融土中的孔隙水会迅速排出, 土体逐渐被压实、压密。
4 制定防范措施
我们此次施工范围内土层主要为第四系全新中统相层粉土、淤泥质粉质粘土和第四系上更新统三组相层粉质粘土,其土层土质松软、结构松散、孔隙比较大, 含水丰富、承载力低、容易压缩和在动力作用下易流变、土体内聚力小等特点, 在我们经过对冻结土体冻涨融沉产生的机理和影响因素充分分析及研究的基础上,参照以往联络通道冻结法施工经验,考虑到施工中将可能面临或出现的各种问题, 有针对性的提出了以下技术控制要点: (1) 为防止冻结土体的冻胀融沉给隧道及地面带来不利影响,在联络通道实施土体冻结前期, 根据冻结管的布置, 及时在冻结帷幕内对称设置数个压力释放观测孔,冻结开始后根据检测数据及时进行泄压以防冻胀,保证联络通道开挖及结构施工质量;开挖后,及时在结构
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的外层临时支护(钢格栅) 背板后用水泥砂浆充填密实,利用隧道或联络通道内的注浆跟踪注浆加以补强,以补偿土层融沉,控制地表变形。
(2) 由于混凝土和钢管片相对于土层更易散热, 并且会影响隧道管片附近土体的冻结质量,从而影响冻土整体稳定性和封土性。为此,我们考虑在冷冻区域隧道管片上铺设保温层,在其对面隧道管片加设冷冻板等保温措施,切断由于温度变化,而出现外界水源补给的现象,以消除冻土帷幕可能存在影响安全的薄弱环节。
(3) 加强冻结过程检测, 在冻土帷幕内布置测温孔,以便正确测定冻土帷幕厚度和判断冻土帷幕是否交圈,并配合压力释放观测孔进行检测, 在冻胀达到一定压力时,及时泄压,减少对周围土体及隧道的影响。
(4) 在冻结、开挖两侧隧道内均增设环向预应力支撑,以防打开联络通道留口管片时, 隧道产生过大变形,而导致结构破坏。
(5) 在冻结过程中, 加强积极、维护冻结的质量控制,使帷幕形成整体状冻结土体, 消除后期冷生构造对融沉产生的不利影响。
(6) 由于冻土的蠕变形很强,如遇冻土帷幕有明显变形,温度明显回升, 立即用预制格栅加背板支撑,必要时调整开挖构筑工艺,并同时加强冻结,防止融沉过大,对周围环境产生不利影响。
(7) 由于联络通道的开挖和支护层施工时间较冻土帷幕的化冻时间短,根据矿山井筒冻结经验, 由于偶然停冻对开挖安全不会产生大的影响。但是, 为了提高施工安全性,应选用可靠的冻结施工设备。
(8) 在联络通道集水井部分施工时, 一般应割除其内冻结管,在此期间将结束人工冻结,因此, 必须合理安排、保证连续施工, 尽量减少温度对其影响,同时, 加强停冻时的冻工帷幕监测,以便及时采取相关措施。
(9) 由于人工冻结土体具有三维冻融的特征, 因此,在联络通道砼衬砌结构中, 分别在结构顶面、四周侧面等处设置注浆孔,预埋注浆管,在施工后期, 采用注浆方式以补偿解冻后出现的结构与冻结土体间的孔隙, 消除融沉可能造成的变形,注浆应配合冻土帷幕融化过程进行, 开始可注粘土水泥浆。
(10) 在整个施工及解冻过程中, 严密监测隧道变形,特别是在解冻初期15d 内, 做好跟踪补偿注浆工作,当监测数据出现异常,应及时在变形较大部位周围或对应面进行注浆,确保隧道等安全。
5 实践经验
2005 年1月11日~ 2005年6月11日, 我们在北方某城市地铁联络通道Ⅰ区间、Ⅱ区间进行了两个联络通道( 含集水井) 的冻结法施工,由于联络通道上方10m左右为该城市主干道,施工期间,交通正常运行,冻结前后上部荷载不会有较大变化, 在采取上述措施的同时,除加强监测外,未考虑荷载影响,鉴于联络通道所处位置上方分布有较多的建筑物等, 因此, 我们在地面、房屋、管线布置了 50个监测点,在隧道内布置了162个监测点,从冻结钻孔开始至施工结束后70d 左右进行了地面变形、隧道内沉降、水平、收敛等监测,以检查联络通道在冻结前期、施工过程及后期,冻胀融沉是否给隧道及周围环境带来不利影响,我们从隧道内162个监测点中, 选取24个点的数据。从冻结开始至解冻胀融沉的监测数据看, 冻结
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周围的土体发生或多或少的变形,其中隧道内监测值均控制在- 10~ 10 mm 以内,另从地面监测的数据看,地面沉降值均控制在- 30~ 10 mm 以内,冻涨基本发生在冻结期, 其中波动主要在冻结30d 以后,融沉发生在解冻后,解冻周期一般为1~ 2个月,在此期间, 变形波动缓慢、平稳,因此,在施工中严格按照科学、合理的施工方案进行施工与控制,冻胀、融沉不会对地铁隧道产生不利或负面影响。
参考文献
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