土质对人工冻土冻结温度影响的试验研究

司轩昂，杨 平，刘健鹏

(南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037)

0 引言

人工冻结法作为一种常用的地基加固方法,目前已被广泛应用于隧道洞门端头、联络通道加固等地铁隧道工程。在我国东南沿海及长三角地区，需采用人工冻结法加固的土层主要是砂土、粉土、粉质黏土、黏土和淤泥质粉质黏土(杨平和张婷，2015)；在福州、成都和南京等地隧道施工常穿过砾石地层(宋杰，2020；唐少辉等，2020)。在盾构法施工中，隧道洞门或联络通道常在水泥土加固后，使用人工冻结法进行补充加固(程知言等，2002；王杰等，2011)。在近海和跨海海底隧道工程中采用人工冻和结法，加固地层常为含氯盐的盐渍冻土(杨平等，2019)。其中，冻结温度是判断冻结帷幕是否达到要求的重要指标。研究不同土质的冻结温度，不仅有助于合理设计人工冻结法冻结壁参数，也对揭示水分迁移规律十分重要(Kozlowski，2003)，因此需要对不同性质土的冻结温度进行深入研究。

关于土的冻结温度，国内外学者已开展了较多研究，多集中在冻结温度的影响因素上(Setzer，2001;程知言等，2005;Kozlowski，2009;赵景峰，2011；张婷等，2012；周家作等，2015；刘振亚等，2017；杨国清等，2017；魏尧等，2018)。土的冻结温度变化规律与冰水界面自由能、孔隙半径以及冻融循环次数也有一定关系(Wan et al.,2015;Han et al.，2018)。尽管关于冻结温度研究已有不少成果，但选取的土层均较单一，针对人工冻结法常加固地层的冻结温度系统性对比研究较少。本文针对南京等长三角地区以及宁波等沿海地区使用人工冻结法施工典型土层开展冻结温度试验，结合水泥土、含盐土冻结温度试验，进行土质对人工冻土冻结温度影响试验研究，分析砂土、粉土、粉质黏土、砾石土、水泥土、含盐土的冻结温度，并对目前不同土性的冻结温度进行了讨论及相关机理分析，以供今后不同土性的冻结壁设计参考。

1 试验方法

冻结温度试验采用自行设计的装置，严格按《土工试验方法标准》进行，试验装置如图1所示，由恒温水浴槽、电脑、数据采集系统等组成。恒温水浴槽采用高低温恒温液浴循环两用槽 XT5218-B8；常规细粒土采用30 mm*50 mm试验杯，而砾石土采用导热性较好内径110 mm，壁厚2 mm铝制金属试验杯，带杯盖；数据采集系统为DataTaker采集器，热电偶测温法，通过数据采集系统自动采集(李思齐等，2018)。

图1 冻结温度试验装置图Fig.1 Device of freezing temperature tests

砾石土冻结温度试验：将砾石土分层填入试验杯，加水至饱和，采用温度传感器测量其冻结温度。

水泥土冻结温度试验：水泥土试样制备首先配制和其原状土含水率一样的扰动土，然后配置水灰比1∶2的水泥浆，将配置好的水泥浆按不同水泥掺入比分别加入到制好的扰动土中，搅拌后按规范进行制样。

含盐土冻结温度试验：根据试验需要确定土样的含盐量和含水量，按浓度要求将盐溶解纯水中，搅拌均匀，充分溶解后倒入扰动土样中，充分拌后静置24 h,然后按规范进行制样。

2 不同地区典型土层冻结温度

近年来南京林业大学冻土实验室依托南京、苏州、南通、宁波和珠海等地区的地铁科研项目，对这些地区地铁不同标段使用人工冻结法加固的典型土层进行大量的冻结温度试验，典型土层的冻结温度范围见表1。图2为不同地区典型土层的冻结温度平均值，在保证冻结温度试验样本量的前提下，从数理统计的角度引入平均值以直观地反映不同地区典型土层的冻结温度。

表1 不同地区典型土层冻结温度范围

图2 不同地区典型土层冻结温度平均值Fig.2 Average values of freezing temperature of typical soil layers in different areas

由图2可知，对于同一地区不同土质的冻结温度:砂土>粉土>粉质黏土>黏土，对于同一命名的土层，南通地区土质的冻结温度比南京等其它地区的低。

为更好地研究同一地区土质对人工冻土冻结温度的影响，选用南京地区过江隧道砾石土，按以砾石土冻结温度试验方法进行，同时与该地区粉质黏土、粉土、砂土等饱和土样在相同试验环境条件下冻结温度比较。各土层降温曲线如图3所示，冻结温度结果见表2。可知，冻结温度由高到低分别为：砾石土>砂土>粉土>粉质黏土，即表现为颗粒粒径越小，冻结温度越低。砾石土发生跳跃的起始时间最长，跳跃段上升得最快。此外，相比于粉土等其它土，砾石土的过冷温度也较低。

表2 南京地区不同土冻结温度试验结果

图3 南京地区不同土冻结过程曲线Fig.3 Cooling curves of different types of soils in Nanjing

3 水泥土冻结温度

因实际工程均为水泥土加固达到龄期后再实施人工冻结补充加固的(王许诺等，2012)，水泥掺入比达到10%即可有效拟制冻胀融沉(鲍俊安等，2013)，所以水泥土冻结温度主要研究定龄期(28天)条件下7种水泥掺入比(0%、4%、8%、10%、12%、16%、20%)水泥砂土和水泥黏土的冻结温度变化规律；定掺入比10%条件下4种龄期(7天、14天、28天、90天)水泥砂土和水泥黏土的冻结温度变化规律。水泥土冻结温度试验所选砂土和黏土均为南京地区使用人工冻结法施工的典型土层。

3.1 冻结温度随水泥掺入比变化规律

如图4所示，水泥砂土和水泥黏土的冻结温度随着水泥含量的增加而降低，且均低于同一土性原状土的冻结温度。同时表明：水泥比高于4%后，土质对冻结温度的影响较大，随着水泥掺入比的增加，水泥黏土的冻结温度低于水泥砂土的冻结温度，且其差异呈放大趋势。

3.2 冻结温度随龄期变化规律

如图5所示，水泥砂土和水泥黏土中水泥含量和冻结温度随龄期增加而降低，且两种水泥土冻结温度降低幅度在养护龄期达到28天后，随龄期的变化明显减缓。水泥黏土的冻结温度低于水泥砂土，二者的差值随龄期的增加没有明显变化。

图4 冻结温度与水泥掺入比关系曲线Fig.4 Curves of freezing temperature versus proportion of cement added

图5 冻结温度-龄期关系曲线Fig.5 Curves of freezing temperature versus age

4 含盐土冻结温度

4.1 氯盐含量对冻结温度的影响

在我国沿海地区的盐渍土，其含盐量一般在4%以下，含盐种类主要以NaCl为主(杨平等，2019)，因此取氯盐配置含盐量为0%、0.5%、1%、2%和4%。粉质黏土的冻胀敏感性较大(盛岱超等，2014)，选择南京地区粉质黏土进行配置含盐土。不同含盐量的试样温度随时间变化的曲线如图6所示。

从图6可以看出，含水量一定时，NaCl含盐量越高，土的冻结温度和过冷温度越低。由图7可知，NaCl含盐土冻结温度随着含盐量的增加而线性降低，这与前人研究结论一致(Bing and Ma,2011;孟祥传等，2020)。而不同含盐量的NaCl含盐土过冷温度无明显的线性变化规律，当含盐量大于1%时，其冻结温度与过冷温度的差值有减小的趋势。

图6 不同含盐量的降温曲线Fig.6 Cooling curves of soils with different salt contents

图7 含盐量对冻结温度及过冷温度的影响Fig.7 Influence of salt content on freezing temperature and super-cooling temperature

4.2 不同含盐种类对冻结温度的影响

选择NaCl含盐土，同时与Na2SO4含盐土在相同条件下冻结温度比较，对比研究含盐种类对冻结温度的影响，不同含盐种类下冻结温度随着含盐量的变化如图8所示。图8表明NaCl含盐土比Na2SO4含盐土的冻结温度低，氯盐对冻结温度的影响更大。而且NaCl含盐土与Na2SO4含盐土的冻结温度的差值随含盐量的增加而变大，这体现了含盐量对NaCl含盐土比Na2SO4含盐土的冻结温度影响更显著，每增加1%含盐量，NaCl含盐土冻结温度降低2.5℃，而Na2SO4含盐土冻结温度仅降低0.3℃。

图8 不同含盐种类对冻结温度的影响Fig.8 Influence of different salt types on freezing temperature

5 讨论

土质对冻结温度影响主要体现在土的粒径大小，土颗粒粒径越大，与水接触的面积越小，其吸力越小，导致水的自由能越高，冻结温度越高。饱和砾石土的颗粒粒径比粉质黏土等其它土体中土颗粒粒径大得多，且试样中的水近乎为自由水，而自由水的比热较大，只有吸收大量的冷量才能使其降温，所以在砾石土的冻结过程曲线中，其在过冷段维持时间较长，过冷温度较低。过冷温度越低，积蓄的潜热越多，则土中的自由水结成冰时释放的潜热也越多，因此饱和砾石土的冻结温度相比其它土层较高且跳跃段上升的比其它土快，上升的温度也比其它土大。对于同一地区同一命名的土层，由于现场所取土样分布地点及取土深度不同，现场取出土样含水率等因素存在差异，从而导致部分土层冻结温度相差较大。

对于同一命名的土层，南通地区的冻结温度比宁波等其它地区低，说明冻结温度与地区有一定关系。相较于其它地区土层，南通地区土层含有机质且局部夹少量黏性土，其吸附力较强且比表面积较大，具有的表面能也大，水发生相变所需的冷量较大，导致土体达到冻结状态的温度较低(冷毅飞，2006)。因此在不同地区的土层冻结温度分析上，需要考虑该地区土层有机质含量的影响。

水泥土冻结温度的变化规律与不同地区典型土层有很大不同。水泥土在冻结发生后，土体中的一部分自由水在水泥中部分矿物与水发生水解和水化反应下转化为结合水，导致土中结合水含量变大，则土中自由水结成冰时释放的潜热减少，从而冻结温度降低。对于不同土质的水泥土，在同一水泥掺入比下，水泥土的冻结温度与其土质的粒径有关，这是因为水泥的粒径远远小于土的粒径，水泥土的密实度会随着将水泥加入土中而优化，水泥土体内的空隙随着其密实度的优化而减小，所以水泥土中土的粒径越大，其冻结温度越高。同样，龄期也是影响水泥土冻结温度的重要因素，如图5所示，水泥土的冻结温度随着龄期的增加而减小。此外水泥土冻结温度在28天以内的变化幅度较大，主要是因为该段时间水泥的水解水化反应较激烈，而28天后水化反应基本完成，含水量的变化也很平稳。

对于含盐土，土中水是盐溶液，在土水体系中盐溶液的溶胶、凝胶等胶结作用和离子的吸附、交换、置换和扩散等作用对土颗粒表面的吸附作用有影响(邴慧和马巍，2011；Hu et al.,2017)。含盐量越大，土颗粒吸附水分的能力越强，形成水化膜的能力越强，土水势就越低，从而自由水达到冻结状态的温度越低。所以含盐土的冻结温度随含盐量的增加而降低。此外不同的含盐种类，其对冻结温度的影响差异很大，含盐量对氯盐土比硫酸盐土的冻结温度影响更显著，这是因为Na2SO4对外界环境温度比NaCl敏感。当外界环境降低时，Na2SO4溶解度减小，从而使得孔隙溶液中盐分浓度达到饱和状态并析出(肖泽岸等，2020)，而NaCl溶解度受外界温度影响较小，故NaCl对冻结温度的影响更大。所以在使用人工冻结法加固含盐土层时，需考虑土层中的含盐种类及其含盐量的大小对冻结温度及冻土强度的影响。

6 结论

针对土质对人工冻土冻结温度的影响问题，从不同地区典型土层、水泥土、含盐土等方面开展研究，通过试验得到不同土质的冻结温度，并对其变化规律进行了机理分析，主要研究结论如下：

(1) 同一地区不同土层的冻结温度，与其土颗粒粒径有关，土颗粒粒径越大，冻结温度越高，砾石土>砂土>粉土>粉质黏土。对于同一命名的土层，不同地区典型土层的冻结温度不同，南通地区的冻结温度比宁波等其它地区低。砾石土的过冷温度较低，发生跳跃的起始时间较长，且其跳跃段上升较快。

(2) 水泥土的冻结温度随水泥掺入比及龄期的增加而降低。同一水泥掺入比下，水泥黏土的冻结温度比水泥砂土低。

(3) NaCl含盐土冻结温度随含盐量增加而线性降低，且其过冷温度随含盐量的增加而降低。含盐量对硫酸盐土比氯化钠土的冻结温度的影响更小。

[附中文参考文献]

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