地铁施工土层冻结温度试验研究

南通职业大学建筑工程学院，江苏 南通 226001

冻结法施工是通过对底层进行人工制冷技术，来加强底层的牢固性以及稳定性。当前，地铁建设当中大量使用了冻结法，以应对软土地铁施工当中可能存在的问题［1］。我们进行地区土层人工冻结黏土冻胀力试验，来发现冻胀力随时间变化的规律；对不同土层的进行冻结温度试验，寻找这些土层的冻结温度随时间变换的规律。这些规律成果可为地铁建设中提供可靠的依据，施工得到了便利，为安全提供了保障的同时也减少了经济方面的损失。

1 土样采集

工作人员在国家相关标准和规范的要求之下，在确定取样层取得土型样品，除去其中的泥浆皮，做好标高，层位，数量以及土性的相关记录，然后将土样品用双层塑料保鲜袋和线绳进行密封，并且用胶带进行密封，将这些样品装箱后运送到实验室当中，运送过程中取样箱的放置位置，应该保持在较低水平面上防止取样箱滑落损伤其中的样品，在取样筒下放稻草和碎纸等具有一定缓冲功能的物品，防止样品在运输过程中被损坏［2］。

2 试验内容和方法

2.1 冻土试验内容

2.1.1 冻土的冻胀试验

首先需要进行试样的采集工作，当冷板温度达到试验温度之后，将样品放入冻胀以当中将其高度的变化值设置为小于等于0.02 的规定位置之上，并且安置好位移传感器和量表等设备。如果样品在某一个确定的荷载之下，间隔2h，冻胀依旧不发生变化，则认为该样品在该几何载之下达到相对稳定，允许冻胀量应该小于等于0.01mm，记录此时施加的平衡荷载，或者通过数据采集系统记录此时冻土的冻胀力。

2.1.2 冻土的冻结温度试验

用热电偶插入试瓶的中心，然后再背盖周边用硝基漆进行密封处理［3］。低温瓶当中放入每升两摩尔的氯化钠溶液所制成的盐冰块，再倒入相同浓度的盐水，使水面与冰块面相互齐平。将封好底并且已经装入5cm 高干砂的塑料瓶插入低温瓶之内，然后将塑料瓶头和低温瓶口，用橡皮塞和瓶盖进行密封处理，将热电偶测温端与数字电压表相连接，每分钟记录一次热电势。

2.2 试验方法

试验的温度分别是-5℃、-10℃和-15℃，热端的温度则是20±2℃，实验在开放系统之下进行单向冻结。试件规格为Φ50×25mm。在实验过程中测量规定时间范围之内样品轴向的位移长度与时间之间的联系，并且得到试件的最大冻胀量［4］。

冻胀力试验方法：使样品在零位移约束之下进行膨胀试验，在样品上下两端施加纵向的约束力，并且用荷重传感器测量冻土的冻胀约束力，从实验结果研究冻胀约束力和时间之间的关系，并且得到冻土最大冻胀约束力［5］。

3 冻胀试验结果及分析

各个土层试件的最大冻胀力的试验结果如表1。

表1 各个土层的最大冻胀力

根据试验结果，以第二组数据为例画出土层冻胀力与时间关系曲线见图1。

图1 冻土冻胀力与时间关系曲线

从上表的数据可以得知，试验土层的冻胀力在0.35～0.65 之间，并且大部分实验冻土的冻胀力和冻胀率都保持在较低水平。

4 冻结温度试验

4.1 冻结温度试验方法及标准

试验严格按照国国家标准执行。试验在低温瓶与零温瓶间进行，低温瓶温度为-7.6℃，零温瓶温度为0±0.1℃，试验杯用黄铜制成，其直径3.5cm、高5cm，带有杯盖［6］。

4.2 冻结温度的计算

式中：

T－冻结温度；

V－热电势跳跃后的稳定值，μv；

K－热电偶的标定系数，℃／μv。

4.3 冻结温度试验结果

土壤中水结冰的过程主要是过冷，跳跃，恒定和递降这4个阶段所构成。当出现跳跃时，电势会突然减小，然后在某一数值稳定，这也是开始冻结的温度。根据这一原理，各土层冻结温度试验结果如表2。

表2 冻结温度试验结果表

4.4 冻结温度与时间关系曲线

同样，以第二层为例，冻结温度时间曲线见图2。

图2 冻结温度与时间关系曲线

5 结语

（1）有冻胀力与时间关系曲线可以看出温度越低冻土的冻胀力数值越大，在一段时间冻胀程度与时间成正比，增加到一定程度呈现稳定的状态。处于快速上升，过渡，相对稳定的三个阶段。

（2）各层土样冻胀程度曲线变化趋势大体相同。在前期快速冻结期间，曲线爬升相对较快，冻胀程度大；在过渡期，曲线上升变得缓慢，可见冻胀程度明显减小；之后曲线几乎趋于平稳，整个土冻胀程度维持不变。

（3）各土层冻结温度随时间的曲线变化大体接近，土中水结冰的时间过程一般须经历过冷、跳跃、恒定和递降四个阶段。当出现跳跃时，电势会突然减小，接着稳定在某一数值。