上海軟土凍結加固凍脹防治技術的模擬試驗研究摘 要:結合上海地鐵建設工程實際,采用模擬試驗的方法,分別對預留管拔除法和熱鹽水循環法抑制凍脹的機理、防治凍脹的效果以及影響凍脹的相關因素進行綜合分析和試驗研究,從而為上海軟土凍結加固凍脹的防治提供了理論依據和有關的參考數據。關鍵詞:凍脹;防治技術;模擬試驗 眾所周知,土層的人工凍結過程,伴有明顯的凍脹現象。對于煤礦井筒或其它一些野外凍結工程,凍結對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,勢必對周圍土體在一定范圍內產生影響,危及建筑物和管線的安全。 目前,國內許多學者對凍結過程中凍脹的產生機理做了許多研究[1],但對城市軟土凍結工程凍脹防治技術的研究卻少見。為了填補這一空白,本文結合上海地鐵建設工程實際,采用模擬試驗的方法,分別對預留管拔除法和熱鹽水循環法抑制凍脹的機理、防治效果及其影響因素進行綜合分析研究,為軟土凍結加固凍脹的防治提供了理論依據和有關的參考數據。1原型工程簡介 原型工程為上海市地鐵一號線上體館車站與明珠線二期上體場車站的換乘站“Ｕ＿Ｕ”型水平凍結施工。該換乘站結構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。換乘長度21.7ｍ。換乘頂板標高-10.08ｍ,底板底標高為-15.82ｍ。換乘段之頂板即是一號線上體館站的底板,其上方地面為立交橋。該區的地質狀況大致為:換乘段開挖的土層為④2層砂質粘土夾粉質砂土,含水量32.2%,滲透系數大,屬于強凍脹土層,層厚約4.82ｍ。該土層的上方為厚約9.37ｍ的④1的灰色淤泥質粘土,下方為⑤1-1粘土厚約4.32ｍ,均屬于強凍脹土層,其凍結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線地鐵車站底板產生較大的變形,必須嚴格做好凍脹的防治工作。為此,對凍脹防治技術的模擬試驗研究就顯得尤為必要。2 凍脹防治技術的模擬試驗2.1模化設計 以溫度場相似為基礎的凍結模擬試驗諸多影響因素中,長度、時間、溫度、熱量和質量等為基本物理量,其它為導出量。根據函數式和π項式,可得到幾個主要相似準則[2]:①幾何縮比:
均等于1,所以Ｃｔ=1,即模型各點與原模型各點相應溫度值相等。 由于取原型土,其彈性模量相等,所以原型與模型相應點應力相等。2.2模擬試驗臺 模擬試驗采用單一“Ｕ”型,根據模擬試驗臺的工作目的和功能要求,試驗臺由箱體構架、加載系統、凍結工作系統和測試系統組成。2.2.1 箱體構架 箱體構架是試驗臺的主骨架,呈長方體,長2.4ｍ,寬1.2ｍ,高ｌ.2ｍ,頂部敞口,為模擬現場周圍環境對凍土變形的約束,還設計反力架加載裝置,見圖1。2.2.2加載系統 加載通過300ｔ反力架及50ｔ千斤頂加載。采用千斤頂分步、分區加載。將試驗臺分為中部和兩側,兩側加載0.8～1.3ｋｇ/ｃｍ2,中間部分加載0.4～1.0ｋｇ/ｃｍ2。以模擬現場周圍土層對凍土變形的約束。2.2.3凍結工作系統 實驗中采用常規人工制冷技術,低溫鹽水制冷機組制備低溫鹽水(ＣａＣｌ2溶液),通過凍結器在模擬試驗臺的土層中循環使之變成凍土。制冷設備采用Ｆ-6.5型活塞式壓縮機;制冷工質為氟利昂(Ｒ22)。2.2.4 測試系統 本實驗測試系統由溫度測試、位移測試和壓力測試3部分組成。2.2.4.1 溫度測試 溫度傳感器為熱電偶,二次儀表選用澳大利亞生產的ＤＡＴＡＴＡＫＥＲ數據采集器和微機接口形成效據自動采集和微機分析處理的自動檢測系統。試驗共布設12個測點(見圖1),采集精度0.01℃,采集頻率設定為1次/ｌ0ｍｉｎ。2.2.4.2位移測試 位移測試采用電阻式位移計。4個位移計用磁性插座固定在模擬實驗箱的箱體上,分別測量凍土體內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型多點靜態電阻應變儀。2.2.4.3 壓力測試通過埋入土體的ＴＹＪ20鋼弦式土壓力計了解凍結過程中土體的凍脹力發展情況。二次儀表選用ＺＸＹ2Ｄ型鋼弦式頻率接收儀。2.3 預留管拔除法模擬試驗2.3.1 試驗原理 隨著凍土墻的形成和發展,逐步抽出預留管,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。預留管布置如圖2。2.3.2抽出預留管和無預留管措施的凍脹情況對比見表12.3.3 試驗結果分析 (1)在凍結時間和凍土墻厚度基本相同的情況下,采取了抽出預留管的措施能有效減少凍脹量和凍脹率。 (2)當模型凍土厚度約200ｍｍ時(即原型凍土厚度為1.5ｍ),左側全拔除預留管的凍脹量和右側部分拔除預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 熱鹽水循環法模擬試驗2.4.1試驗原理 土的人工凍結是不穩定溫度場,具有不穩定邊界性質。用熱鹽水循環吸收冷量達到限制凍土邊界,不使凍土過量擴展,保護周圍的建筑物。熱水管的布置見圖3。2.4.2 試驗結果分析 (1)在循環時間(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)對抑制凍脹無影響(見表2) (2)從熱水循環過程中溫度場的變化曲線(圖4)可以看出,當熱水循環開始,離熱水循環管1ｃｍ的6-4測點升溫很快,而距離熱水循環管11ｃｍ的4-4測點溫度僅略有升高。可見,使用熱水循環能夠有效的控制凍土的邊界,同時也不會使凍土墻內部的溫度升高,保證了凍土墻的強度。3 結語 (1)從模擬的結果來看,在實際凍結施工中采用預留管拔除法和熱鹽水循環法能夠有效的控制凍脹的發展,起到保護一號線車站底板的目的。 (2)全拔除預留管的凍脹量和部分拔除預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%。預留管拔除的時間應選在凍土交圈前后。 (3)熱鹽水循環不會降低凍土墻的強度。在循環時間和熱鹽水溫度相同的情況下,當熱鹽水流量達到0.828ｍ3/ｈ時,繼續增加鹽水流量對抑制凍脹影響不大。參考文獻:[1]徐學祖,何平,張建明.土體凍結和凍脹研究的新進展[Ｊ].冰川凍土,1997,19(3):280-283.[2]崔廣心.相似理論與模型試驗[Ｍ].徐州:中國礦業大學出版社,1990.
均等于1,所以Ｃｔ=1,即模型各點與原模型各點相應溫度值相等。 由于取原型土,其彈性模量相等,所以原型與模型相應點應力相等。2.2模擬試驗臺 模擬試驗采用單一“Ｕ”型,根據模擬試驗臺的工作目的和功能要求,試驗臺由箱體構架、加載系統、凍結工作系統和測試系統組成。2.2.1 箱體構架 箱體構架是試驗臺的主骨架,呈長方體,長2.4ｍ,寬1.2ｍ,高ｌ.2ｍ,頂部敞口,為模擬現場周圍環境對凍土變形的約束,還設計反力架加載裝置,見圖1。2.2.2加載系統 加載通過300ｔ反力架及50ｔ千斤頂加載。采用千斤頂分步、分區加載。將試驗臺分為中部和兩側,兩側加載0.8～1.3ｋｇ/ｃｍ2,中間部分加載0.4～1.0ｋｇ/ｃｍ2。以模擬現場周圍土層對凍土變形的約束。2.2.3凍結工作系統 實驗中采用常規人工制冷技術,低溫鹽水制冷機組制備低溫鹽水(ＣａＣｌ2溶液),通過凍結器在模擬試驗臺的土層中循環使之變成凍土。制冷設備采用Ｆ-6.5型活塞式壓縮機;制冷工質為氟利昂(Ｒ22)。2.2.4 測試系統 本實驗測試系統由溫度測試、位移測試和壓力測試3部分組成。2.2.4.1 溫度測試 溫度傳感器為熱電偶,二次儀表選用澳大利亞生產的ＤＡＴＡＴＡＫＥＲ數據采集器和微機接口形成效據自動采集和微機分析處理的自動檢測系統。試驗共布設12個測點(見圖1),采集精度0.01℃,采集頻率設定為1次/ｌ0ｍｉｎ。2.2.4.2位移測試 位移測試采用電阻式位移計。4個位移計用磁性插座固定在模擬實驗箱的箱體上,分別測量凍土體內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型多點靜態電阻應變儀。2.2.4.3 壓力測試通過埋入土體的ＴＹＪ20鋼弦式土壓力計了解凍結過程中土體的凍脹力發展情況。二次儀表選用ＺＸＹ2Ｄ型鋼弦式頻率接收儀。2.3 預留管拔除法模擬試驗2.3.1 試驗原理 隨著凍土墻的形成和發展,逐步抽出預留管,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。預留管布置如圖2。2.3.2抽出預留管和無預留管措施的凍脹情況對比見表12.3.3 試驗結果分析 (1)在凍結時間和凍土墻厚度基本相同的情況下,采取了抽出預留管的措施能有效減少凍脹量和凍脹率。 (2)當模型凍土厚度約200ｍｍ時(即原型凍土厚度為1.5ｍ),左側全拔除預留管的凍脹量和右側部分拔除預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 熱鹽水循環法模擬試驗2.4.1試驗原理 土的人工凍結是不穩定溫度場,具有不穩定邊界性質。用熱鹽水循環吸收冷量達到限制凍土邊界,不使凍土過量擴展,保護周圍的建筑物。熱水管的布置見圖3。2.4.2 試驗結果分析 (1)在循環時間(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)對抑制凍脹無影響(見表2) (2)從熱水循環過程中溫度場的變化曲線(圖4)可以看出,當熱水循環開始,離熱水循環管1ｃｍ的6-4測點升溫很快,而距離熱水循環管11ｃｍ的4-4測點溫度僅略有升高。可見,使用熱水循環能夠有效的控制凍土的邊界,同時也不會使凍土墻內部的溫度升高,保證了凍土墻的強度。3 結語 (1)從模擬的結果來看,在實際凍結施工中采用預留管拔除法和熱鹽水循環法能夠有效的控制凍脹的發展,起到保護一號線車站底板的目的。 (2)全拔除預留管的凍脹量和部分拔除預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%。預留管拔除的時間應選在凍土交圈前后。 (3)熱鹽水循環不會降低凍土墻的強度。在循環時間和熱鹽水溫度相同的情況下,當熱鹽水流量達到0.828ｍ3/ｈ時,繼續增加鹽水流量對抑制凍脹影響不大。參考文獻:[1]徐學祖,何平,張建明.土體凍結和凍脹研究的新進展[Ｊ].冰川凍土,1997,19(3):280-283.[2]崔廣心.相似理論與模型試驗[Ｍ].徐州:中國礦業大學出版社,1990.
