人工冻结作用下原状软黏土冻融特性试验

王升福， 樊文虎，戴道文，薛凯喜，李栋伟

(1.东华理工大学土木与建筑工程学院，南昌 330013；2.南京林业大学土木工程学院，南京 210037)

近年来我国地铁建设快速发展，软土地区地铁等地下隧道建设中人工冻结法在盾构始发与接收端头加固[1-2]、联络通道开挖加固[3-5]、富水地层隧道盾构盾尾刷更换冻结加固[6]等的应用，充分发挥了人工冻结增强土体的稳定性、减少变形和隔断地下水的优点，人工地层冻结法工程实践和人工冻土的相关科研水平亦取得了较大进展。

由于人工地层和天然地层冻结的原理[7]、边界条件、冻土形成过程、冻土温度及温度梯度等[8]的不同，天然和人工冻土在冻融特征方面的性质存在着一定区别[9-11]。在同一时间内，因人工冻土的温度低，温度梯度较大，人工冻结地层冻融过程的冻胀融沉现象较天然冻土更为显著，且地层冻胀融沉变形规律受冷媒温度、冻结管布置方式、冻结壁厚度和埋深等诸多因素的影响较大[12-13]。

笔者通过对宁波地区典型软黏土开展冻融试验，研究不同冷端温度软黏土冻胀和融沉规律，探究不同冷端温度条件下冻结过程水分迁移及冻融后土柱的水分重分布，并结合土体结构参数的变化，深入分析土体冻结过程的固结现象，进一步揭示冻结锋面的发展、水分迁移及冻结过程固结与时间的关系，为软土地区地铁联络通道冻结法设计等提供理论依据。

1 试验材料与研究方案

对原状软黏土试样开展封闭系统不同冷端温度条件下的单向冻融试验，研究原状软黏土的冻融特性、冻融过程土体的温度场变化规律和冻融前后水分重分布规律，并对冻融后沿试样高度不同位置处的土样进行压缩试验，对软黏土的融土压缩特性进行系统研究。

1.1 试验材料

试验用土取自宁波地铁5号线勘察段典型的软黏土土层，其属海相软黏土，现场初勘呈软塑状态，层底标高-35.99～-33.05 m。其颗粒分布曲线如图1所示。

图1 试验软黏土土样颗粒分析曲线Fig. 1 Soft clay soil particle analysis curve

根据国家标准GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》中有关土样和试样制备要求，将现场薄壁取土器取得的原状土样切削，进行物理力学试验及后续冻融试验。试验用土基本指标：密度为1.69 g/cm3，含水率为38.38%，比重为2.73，天然孔隙比为1.18，液限为44%，饱和度为87.9%，渗透系数为4.839×10-7cm/s。采用能够直接测量导热性和体积热容的ISOMET热特性分析仪，测得原状土样的热物理力学指标为：起始冻结温度为-0.4 ℃，导热系数为1.36 W/(m·℃)，体积热容量为2.23 J/(m3·℃)，导温系数为0.61 m/s。

1.2 试样制备

均采用原状土样进行试验，现场用薄壁取土器取得土样，用制样器小心切削成直径79.8 mm，高度100 mm的圆柱体试样。试样制成后装入冻融试验试样桶，进行后续冻融试验。

1.3 试验方案

试验采用封闭系统下单次一维冻融，冻融试验系统示意如图2所示，包括控温环境箱、试样筒、上下制冷系统、分层温度采集系统和竖向位移采集系统等；每个冻融条件设置两组平行试验。

1. 探温环境箱；2. 位移传感器；3. 冷液循环进/出口；4. 温度传感器； 5. 排水口；6. 控温底板；7. 试样筒；8. 控温顶板；9. 保温层； 10. 试验土样；11. 铜质透水板；12. 冷液循环进/出口。图2 冻融试验装置示意图Fig. 2 Schematic diagram of the freeze-thaw test apparatus

为研究不同冻结条件下试样竖向温度随时间的变化规律，沿高度方向间隔2 cm安设热电偶，实时监测试样内部各点温度。为满足人工地层冻结法施工要求，各试验过程环境箱、暖端、冷端的控温要求如表1所示，不同冻融条件下的试验规划如表2所示。冻融试验中，冻结过程采用先对试样恒温至-1 ℃，然后将控温冷板设置为预定冻结温度进行冻结；融化过程停止控温冷端和暖端的温度控制，设置恒温环境箱为20 ℃模拟自然解冻。

表1 试验过程控温要求Table 1 Controlled temperatures of test procedure

表2 试验因素水平Table 2 Test factor levels

注：每组试验编号平行做2个试样。

2 冻融试验结果分析

2.1 冻胀率和融沉系数变化规律

土体在单向冻结融化过程中，沿试样高度发生冻胀或融沉，分别用冻胀率和融沉系数来描述冻胀融沉变形特性，土工试验方法标准(GB/T 50123—2019)给出了冻胀率和融沉系数的计算方法。

按照上述计算方法，给出冻胀率和融沉系数随冷端温度变化曲线如图3。由图3可见，随着冷端温度的降低，冻胀率及融沉系数逐渐减小，融沉系数均大于冻胀率。这是由于在未施加附加荷载的情况下，原状土体经过一次冻融，冻结过程的水分迁移和冰晶发展对土体原有结构进行了扰动和损伤[7,14]。

图3 不同冷端温度条件下冻胀率融沉系数Fig. 3 Frost heave rates and thaw settlement coefficients of soil at different cold end temperatures

2.2 冻结过程温度场变化规律

2.2.1 冻结过程温度场变化规律

对于原状软黏土，在不同冷端温度冻结下，试样竖向各点温度的变化趋势基本相同(图4)，包括试样恒温过程及解冻过程，可划分为4个阶段：

1)恒温阶段：在此阶段，试样温度由室温在短时间内降低至设定的恒温值(1±0.5)℃，并保持恒定6 h以上，使试样温度达到均匀。

2)降温阶段：冻结过程开始，随之冷端温度达到设定温度值，土样温度从正温向负温降低，并且越靠近冷端土体降温越快，沿冻结方向产生温度梯度，这个阶段持续时间大于24 h。

3)稳温阶段：当土体温度缓慢降低到一定的负温时，温度就基本稳定，并持续一段时间，温度梯度微调并趋于稳定。

4)升温阶段：即冻土融化阶段，土体在设定环境温度20 ℃条件下温度上升较快，短时间内即达到正温。

图4 冷端温度-10 ℃冻融过程曲线Fig. 4 Freeze-thaw process curve under the case of -10 ℃

如图4所示，A、B、C、D、E 5条曲线分别代表沿土样高度方向不同位置土体温度随时间变化曲线，可以看出，越靠近冷端位置，土样温度变化越明显，且曲线基本平行，降温速率随与冷端距离增大而降低，土体上端温度随试验时间增长而缓慢降低，并且大部分处于大于-1 ℃的温度区，由于上端为控温暖端，冷端温度变化对此段土样中温度场影响较小。

图5 冻结过程不同时刻沿试样高度不同位置温度分布Fig. 5 The temperature distribution of the specimen along the height at different times

冻结过程不同时刻(冻结开始1和5 h时)各层土的温度变化规律见图5。曲线表明：土样在单向冻结温度场中，随着时间的增长，土样温度随距离冷端范围不同而变化显著，越靠近冷端位置温度变化越大，且冷端温度越低，降温速率越大，各层土的温度下降值也越大。在距离冷端10 mm处，冷端温度为-5 ℃情况下，4 h内温度下降2 ℃，而当冷端温度为-15 ℃时，温度下降了4.8 ℃，可见冷端温度越低，土体冻结速率将成倍数增加。在距离冷端90 mm处的试样顶端，4 h内试样温度变化值均小于1 ℃，且温度始终处于0 ℃以上。

研究结果表明：在恒温单向冻结过程中，沿冻结方向不同位置处温度不同，其温度分布随冻结时间的持续而变化，且变化规律与冻结温度场的温度梯度(冷端温度为-5，-7，-10和-15 ℃，试验原状土土柱高度为10 cm，则可得对应的轴向温度梯度值分别为0.6，0.8，1.1和1.6 ℃/cm)密切相关。由于上下控温板与外部冷浴连接，温度恒定，当土体冻结完成时，通过温度监测系统记录各层土体的温度为一恒定值。不同冷端温度条件下冻结完成时各土层温度具有较好的线性关系，如图6所示。

图6 冻结完成时沿试样高度温度分布Fig. 6 The temperature distribution along the sample height whenthe freezing was finished

由图6可见，当冷端温度为-15 ℃时，温度梯度为1.6 ℃/cm，冻结完成时冻结锋面位置处于试样顶端，即在此温度梯度下土样完全冻结。而冷端温度较高时，冻结锋面位置将动态稳定于试样上部的某一位置，且未冻段的长度随冷端温度的升高而增大，即土样冻结段长度越小。

图7 冻结过程土体冻结锋面随时间发展曲线Fig. 7 The freezing front development in the freezing process

显然，当冷端温度分别为-5和-7 ℃时，土样并未完全冻结，参与冻胀一部分的土样高度小于原试样高度，以温度低于土体起始冻结温度-0.4 ℃作为土样冻结的标准，回归关系如表3所示，当冷端温度分别为-5和-7 ℃时，冻结段(温度低于-0.4 ℃)高度分别为70.8和81.3 mm。

表3 不同冷端温度冻结完成时沿试样不同高度处温度梯度拟合Table 3 The temperature gradient fitting along the specimen height under the four conditions

2.2.2 冻结过程中冻结锋面发展规律

基于自下而上的单向冻结条件，土样冻结时冻结锋面自下而上扩展。冻结锋面(freezing front)定义为冻结土体与未冻土之间可移动的接触界面。假定试验土样均匀，冻结锋面则为一个平行于冻结冷端界面的平面。土的起始冻结温度可判断土处于冻结状态的起点(本试验土体初始冻结温度为-0.4 ℃)，即作为确定冻结锋面所在位置的判别依据[10,15]。

根据上述分析，将不同冷端温度条件下冻结过程到达某一高度位置处所经历的冻结时间绘制冻结锋面位置随冻结时间关系，如图7所示。可见，各条件下冻结锋面发展曲线呈对数增长变化趋势，且冻结锋面发展距离与时间二者之间呈对数增长，以下列线性变换对数函数进行拟合：

y=a-bln(x+c)

(1)

式中，a、b、c为系数，主要与不同冷端温度相关。

4种冷端温度条件下，冻结锋面发展距离H与时间t之间的拟合关系如表4所示。

软黏土冻结锋面在冻结的前5 h内发展较快(图7a)，随后冻结锋面的移动速度降低，冻结锋面逐渐以较小的移动速率向土体上端推进。冻结初期降温较快，此时冻结锋面推进速度最快；随着冻结锋面逐渐上移，温度变化逐渐减缓。当冻胀变形稳定后，土样温度变化缓慢，此时土样中温度分布基本稳定。4种冷端温度(温度梯度)条件下，冻结锋面随时间的发展曲线相似，软黏土冻结过程土体冻结锋面随时间发展关系符合如式(1)所示的拟合关系，其中a、b、c是与冻结冷端温度(温度梯度)相关的系数。

表4 冻结过程冻结锋面发展与时间的关系Table 4 The relationship between the freezing front development and time under the four cases

2.2.3 冻结完成时间

土体在单向冻结条件下，不同冻结温度梯度冻结完成时间差异较大，当冻结2 h内试样高度变化值小于等于0.02 mm时结束冻胀试验，即为冻结完成时间。不同温度条件下冻结完成时间关系如图8所示。由图8可见，冷端温度越低，冻结完成的越快，随着冷端温度的升高，冻结完成时间呈指数规律增长。

(2)

式中：t为冻结阶段所经历的时间， h；TF为冻结冷端温度， ℃。

图8 不同冷端温度冻结完成时间Fig. 8 The freeze equilibrium time at four freezing temperatures

冻结完成时间与冻结锋面的推进速度及冻胀率、融沉系数密切相关，对比图3和图8可以看出，冻结冷端温度越低，冻结完成时间越短，对应的冻胀率和融沉系数也越小。说明冻结冷端温度越低，冻结封面发展速度越快，冻结过程未冻段水分向冻结锋面迁移时间也越短，由此产生较小的冻胀量和融沉位移。换言之，较低的冷端温度冻结时，冻结锋面的发展较快，对土体结构产生的扰动也就越小。这也证实了在实际人工冻结工程中，在其他条件允许的情况下，采取低温速冻的方式也是有效抑制过大冻胀融沉变形量的有效措施。

3 物理性质试验结果分析

3.1 水分重分布特征

将试样按照既定温度梯度冻融并稳定后，取出试样沿试样高度平均切为5层(每层20 mm)，以烘干法分层取样测量土样含水率分布规律，以确定不同条件下水分迁移量。不同条件冻融后沿试样高度不同位置处的含水率变化规律如图9所示。

图9 冻融前后含水率分布Fig. 9 Distribution of moisture content before and after freeze-thaw

由图9可以看出，对于原状软黏土，在其他因素不变的前提下改变冻结冷端温度(温度梯度)，不同冷端温度条件下，冻融后水分重分布规律差异非常明显：

1)4种冻结冷端温度冻融后，与原状土相比，土柱顶部含水率明显降低，试样最上层含水率分别降低6.5%,4.5%,2.7%和2.1%；土柱中下部含水率增大，且含水率最大的位置出现在试样中间，相对于原状土分别增大2.0%,1.6%,1.1%和0.9%；试样最下部含水率略有增大，但变化值相对较小，相对于原状土分别增大0.7%,0.6%,0.5%和0.3%。

2)各温度梯度冻结后含水率变化规律基本一致，沿试样高度的上层土体在4种温度梯度冻结后平均含水率均减小，且温度梯度越小，含水率变化值越大；试样下部3层土体中，4种温度梯度冻融后含水率均增大，且温度梯度越大，变化值越小。

当土样进行单向冻结时，由于试样由下往上降温需要一定时间，冻结锋面存在于中部的时间变长，试样中水分有足够的时间进行迁移，相对于试样底部，中部含水率增大较明显，且随着冻结锋面往上推移，推移速度变慢，特别是当冻结温度梯度较小时，水分迁移更为明显，上部含水率出现降低，且变化量较大。

3.2 体积变化特征

3.2.1 冻融前后干密度及孔隙比变化

根据试验数据，可获得不同冷端温度条件下冻融后沿试样不同高度处的孔隙比和干密度分布。受压缩试验试样环刀高度为20 mm所限，对冻融后的试样沿试样高度平分为3段，每段取样测得其孔隙比及干密度。4种冷端温度条件下冻融后沿试样高度不同位置处的孔隙比和干密度的分布情况见图10。由图10可见，整体上4种冷端温度条件下冻融后与原状土相比试样上部的孔隙比减小，中部和下部的孔隙比增大；而干密度的分布与孔隙比正好相反，即冻融后试样上端的干密度增大，而试样中下部的干密度减小。这说明冻融后试样上部变得更加密实，而试样中下部的密实度减小。

图10 冻融后土样的孔隙比和干密度分布Fig. 10 Pore ratio and dry density distribution of soil samples after freeze-thaw

3.2.2 水分重分布和土体结构改变

在封闭系统条件下软黏土进行单向冻融试验，冻结过程在冻结锋面附近存在负孔隙水压力即吸力，引起水分迁移并最终带来冻融后土体内水分的重分布，并且在这个过程中会扰动土骨架使土样变得不均匀。通过前述对不同冷端温度冻结条件下冻融后软黏土沿试样高度不同位置取样测试其含水率、孔隙比和干密度，并与冻融前相应高度位置处的值进行比较，可得图11所示的4种条件下冻融后沿试样高度不同位置处的含水率、孔隙比和干密度的变化情况。其中，由于含水率本身单位为%，计算时取冻融后各土层的值与对应高度处原状土含水率之差；孔隙比和干密度取以冻融后的变化值与原状土对应位置处的孔隙比和干密度值，即以变化率的形式表示，单位为%。

从图11中可以看出，在试样最上端靠近冻融暖端的位置处，冷端温度为-15 ℃条件下含水率减小2%，而当冷端温度上升至-5 ℃时，含水率减小7%。而含水率增大量最大的位置出现在试样中部不同位置，4种条件下含水率增大1%～2%，与含水率减小量最大值相比略小。软黏土冻融后这种含水率的变化也表明水分从暖端位置向冷端位置迁移的方向和强度与冷端温度密切相关，冷端温度越低，水分迁移的强度越低。

封闭系统条件下单向冻融，使土体内部水分发生从暖端向冷端迁移的现象，而水分迁移和冻结锋面推移过程中对土骨架结构产生扰动，这种对土体的破坏程度可通过冻融后土体孔隙比和干密度的定量变化表示。如图11所示，在试样上部，4种冷端温度条件下,当冷端温度为-15和-10 ℃时孔隙比减小2%，而当冷端温度为-5 ℃时孔隙比减小15%；干密度增大量也从冷端温度为-15 和10 ℃时的1%增大到冷端温度为-5 ℃ 时的9%。同样，在试样下部，孔隙比增大量从冷端温度-15 ℃ 的1%变化到-5 ℃的5%，而干密度减小量也从冷端温度-15 ℃的0.5%变化到-5 ℃的2.2%。

图11 4种冷端温度冻融后不同位置处含水率、孔隙比和干密度变化Fig. 11 Moisture content, void ratio and dry density variation along specimen height after freeze-thaw experiments at four freezing temperatures

4 结 论

1)封闭系统4种不同冷端温度冻结土样的融沉系数均大于冻胀率，冻结完成时沿试样不同高度处温度梯呈线性分布。

2)冻结过程冻结锋面发展与时间呈指数关系，冻结完成时间与冻结冷端温度呈指数关系。

3)冻融后沿试样高度方向水分重分布，试样上部含水率减小，中下部增大，且冻结冷端温度越低，变化越明显。

4)结合沿土样高度不同位置处含水率、孔隙比和干密度的变化，揭示冻融过程随水分迁移过程负孔压的存在对土样有固结作用。