冻融软土孔隙结构及分形特征的影响因素研究

赵华岳 王忠杰

摘要：文章通过核磁共振（NMR）试验，研究了冻结时间、冻融压力和冻结温度对土壤微孔隙结构和分形特征的影响。结果表明：孔隙结构较大的土体组装体趋向于具有强分形特征的骨架孔隙结构;冻结时间越短，冻结作用造成的损害越小;隧道软土的粘聚力和内摩擦角均随初始含水率的升高呈上升趋势，其临界峰值点位于最佳含水率15%附近，因此建议实际施工时，控制冻融软土含水率为15%。

关键词：冻融；软土；孔隙结构；分形特征；现场检测分析

中图分类号：U416.03 A 37 116 4

0 引言

近年来，随着城市的扩张，大量地铁隧道穿过软土区。在建造两个盾构隧道之间的连接通道时，由于工作空间小，难以进入设备，因此在施工中采用冻土法来增强土壤的强度［1］。然而，冻融循环后软土的动力特性明显减弱，冰冻条件差异造成的冻区沉降不均，严重威胁地铁运行安全［2］。土壤的微观结构被广泛认为与力学性能有关［3］，冻胀引起的土体微观结构变化是冻融土力学性能减弱的根本原因。因此，有必要研究不同冻融软土在不同冻结条件下的微观结构特征。

由于含水量高，冻结作用会对土壤结构造成不可逆转的损害。水冻结会导致饱和软黏土膨胀，从而破坏软黏土结构，而冷冻软黏土有许多表面裂缝，解冻后裂缝数量成倍增加。王升福等［4］利用扫描电镜研究了冻融土的微观结构，发现冻融后土壤微观结构出现絮凝，冻结温度越低，微观结构越破碎。然而，已有的研究不能为描述各种冻融条件下冻融土壤的结构变化提供全面的指导，需要进一步研究［5］。同时，冻结区域的冻结持续时间、温度和围压有多种组合，导致在冻结范围内造成不同的土壤损伤。在土壤样品中，核磁共振获得的弛豫时间与流体的性质密切相关，因此可以获得孔隙结构和分形特征的准确数据。

基于此，本文对不同冷冻时间和温度的土壤样品进行了一系列核磁共振（NMR）测试，探讨了冻融土在不同阶段孔径分布的特征曲线及其变化规律，并对冻融过程中初始含水量和温度对隧道土抗剪强度的影响进行分析，探讨了冻融循环对地铁隧道软土力学性能变化的影响。研究结果可为预测施工条件下冻融土结构损伤程度提供可靠依据。

1 材料和方法

1.1 软黏土样品

软黏土取自无锡新区地铁4号线二期工地地下15～20 m处。土壤样品主要由伊利石和蒙脱石矿物组成。土样的物理力学性质为低强度、低渗透性、高压缩性和高敏感性。对于饱和软黏土，其自然重量为17.7 kN/m3，密度ρ=1.82 g/cm2，相对密度Gs=2.75，含水量ω=45%，塑性极限ωP=33.4%，液限ωL=51.6%，塑性指数WIp=18.2。

重塑后的软黏土在直径38 mm、高度为76 mm的圆柱体中制备，将圆柱体置于-100 kPa的真空饱和桶中3 h，再将软黏土在大气压下浸泡在圆筒中12 h，得到饱和的软黏土样品。为避免未受扰动土均匀性差造成的误差，采用真空预压法对未受扰动土进行重塑，得到均匀性较好的重塑土样。

如图1所示为在-20 ℃下冷冻和解冻前后土壤微观结构的代表性SEM图像。由图1（a）可以看出，冻结前重塑土的微观结构特征大多表现为结构之间的边-边、边-面接触；土颗粒团块以轮廓相互镶嵌；土颗粒团块之间有明显的裂缝，裂缝中充满了片状土壤颗粒的团聚碎片［6］。冻结后，可以清楚地观察到土壤结构变松;蜂窝絮凝结构和羽毛状片状结构出现在土壤颗粒聚集体周围，如图1（b）所示。同时还可以观察到，土壤颗粒之间的团聚结构被破坏，增加了孔隙形态的复杂性。

1.2 试验方法

水冻结会导致饱和软黏土膨胀，从而破坏软黏土结构。本文根据不同的施工情况进行了不同的设置，包括不同的冻结时间、冻结压力和冻结温度。按照表1中所述的试验程序，将所有制备的样品在特定温度、压力和持续时间下进行冷冻。

设置3组变量分析不同冻结条件下的孔隙结构和分形特征变化。将第一组样品A1～A7在-20 ℃下冷冻1～24 h。第二组冷冻软黏土样品，冻融压力为50～400 kPa，标记为B1～B4。第三组冷冻软黏土样品（设置为C1～C3）使用3种不同的解冻温度，为-3 ℃～-20 ℃。设计两组样品用于平行试验，如果趋势一致，则考虑两个试验的平均值。如果平行试验差异很大，则进行重复测试，以确保测试结果可靠。

1.3 核磁共振波谱原理

使用MesoMR23-060H-Ⅰ低场核磁共振设备研究孔隙结构和分形特征。核磁共振的核心原理是原子核总是以恒定的频率绕自己的轴旋转，当质子数为奇数且中子数为偶数时产生磁场。因为水中的H元素遵循这个定律，所以可以用来计算含水量。此外，结合水和流水可以通过核磁共振波谱来区分。

2 结果和讨论

2.1 冻结时间对孔径分布的影响

图2（a）为不同冻结时间解冻24 h后冻土的孔隙分布。此时，土壤中的所有冰都融化成水，并且可以检测到所有信号。在冻结1～2 h时，土壤孔隙分布变化较大。冷冻2 h后，小孔隙比例下降近0.5%，中孔隙比例增加近0.5%。冻结后2～18 h内土壤孔隙的变化与冻结前2 h内的变化相同。这表明在整个冻结过程中，水的冻结速度随着时间的增加而急剧下降。

未冻结的水是確定冻土物理性质的关键部分，冻土中的水分是土壤微观结构破坏的主要原因。为了更好地解释冻结失效的原理，如图2（b）所示绘制了不同冻结持续时间下孔隙率比例的变化。冷冻6 h和冷冻18 h孔隙变化差异不大，由于本文选择的样品在-20 ℃下，冷冻过程大多在冷冻6 h后完成，冷冻18 h后冷冻过程基本完成。冷冻6 h后，冻结时间不再是土壤微观结构破坏的主要原因。

2.2 冻结压力对孔径分布的影响

在冻融循环后，较小尺寸孔隙的比例降低，而较大尺寸孔隙的比例增加。实际施工过程中的覆土压力会影响孔径变化的程度。由于冻融过程对土壤样品施加压力，通过比较不同压力下土壤孔隙分布的变化，可分析压力对孔径比例的影响。如图3所示为冻结压力对孔径

分布的影响曲线。由图3可知，0.01～0.2um孔径的比例減小，0.2～0.4um孔径的比例显著增加，1～10um孔径的比例增加，10～100um孔径的比例减小到0。在选定的压力范围内，冷冻围压超过100 kPa后，冻结对0.2～1um土壤孔隙变化的影响变小。从孔径分布的变化可以看出，在一定的围压下冷冻时，小孔隙中的水分难以冻结，中孔隙中水分的冻结比例随着压力的增加而降低。在熔融过程中，在围压和自重的双重作用下，中孔隙的体积大大减小。在孔径方面，冻融过程对土壤样品施加的压力越大，中间孔隙所占百分比越低，微小孔隙所占百分比越大。

2.3 冻融过程中初始含水量对隧道土抗剪强度的影响

为探究试验初始含水量对冻融过程中隧道土抗剪强度的影响，选取温度为0 ℃、-5 ℃、-10 ℃时得到的不同试样。如图4和图5所示，绘制了冻融过程中隧道土粘聚力和内摩擦角与初始含水量之间的关系曲线。

由图4和图5可知，隧道土的粘聚力和内摩擦角曲线存在相似的变化规律。在冻融过程中，随着初始含水率的升高，隧道土的粘聚力和内摩擦角均先增大后减小，两个参数的最大值都出现在初始含水率为15%时，即达到最佳含水量。这表明在每个测试温度的最佳点处或附近存在一定的临界水分含量，使隧道土具有最大的粘聚力或内摩擦角。在此含水量下，土壤颗粒很容易被压缩并紧密连接，此时的试样可以获得最大的抗剪强度参数，可有效防止隧道壁产生剪切破坏。但随着温度的降低，土样内部的水结晶结霜隆起，含水量可能发生变化。产生这一规律的原因为：当含水量低于临界含水量时，随着温度的降低发生相变，土壤内部孔隙逐渐被冰晶填满，从而加固土壤。然而，随着水分含量的不断增加，冰晶逐渐填满，进一步产生冻胀增加孔隙体积。因此含水量过低易使隧道土抗剪强度不足，发生垮塌等现象。

2.4 冻融过程中温度对隧道土内摩擦角的影响

在地铁隧道施工中，因气候季节不同，常导致冻结温度不同，因此有必要研究不同温度对隧道土内摩擦角的影响。内摩擦角随温度变化曲线如图6所示。

从图6可以看出内摩擦角不受0 ℃～2 ℃温度的影响。随着温度＜0 ℃并继续降低，冻融过程中内摩擦角会相应减小。这是因为，隧道土在冰水相变过程中，水转化为冰会引起隧道土体积膨胀、拥挤和扩大，导致土壤颗粒孔隙闭塞程度降低。并且冰晶的强度远低于隧道土颗粒，这将进一步导致隧道土的内摩擦角减小。同时，-2 ℃～0 ℃时的隧道土冻结还原速度明显快于-8 ℃～-2 ℃时，-8 ℃～10 ℃时内的还原速率也略快于-8 ℃～-2 ℃时。当冷冻过程温度从0 ℃下降到-10 ℃，内摩擦角从22.36°下降到16.25°，下降了约26.6%。随着解冻过程温度从-10 ℃变化到0 ℃，内摩擦角从16.25°上升到20.86°，与冷冻前相比降低了约6.7%。并且，在相同剪切温度点，解冻过程中获得的内摩擦角低于冻结过程，这与冻结过程中孔隙的膨胀和变形有关，导致颗粒之间的孔隙闭塞减少。因此，在实际施工过程中，要保证地铁隧道内冻结温度控制在-2 ℃，融化温度控制在2 ℃，可以进一步保证隧道土在冻融期间具有较高的稳定性，防止隧道壁的坍塌。

3 结语

人工地面冻结法广泛应用于软土区连接通道的地铁段建设中，冻融土壤的性能与冷冻条件密切相关。本文利用核磁共振技术，观察土壤的微观结构变化，并结合现场隧道软土冻融过程中初始含水量和温度对隧道土抗剪强度的影响进行分析。得出主要结论如下：

（1）冻结时间越短，冷冻作用造成的损害越小。可移动流体比结合流体更容易冻结，这导致冻结速率在初始阶段相当快，然后减慢。

（2）土壤微观结构的破坏程度随冻结温度的变化而变化，随着冻结温度的降低，冻结对水冻隆起的影响更为明显。

（3）隧道土的粘聚力和内摩擦角均随初始含水率的升高呈上升趋势，然后下降，其临界点位于含水率15%附近。在实际施工过程中，要保证地铁隧道内冻结温度控制在-2 ℃，融化温度控制在2 ℃。

参考文献

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收稿日期：2023-03-14