冻胀融沉试验方法及粘土冻胀特性研究

1 绪论1.1 引言自1863年英国伦敦建成世界上第一条地铁至今，城市地铁工程已经发展了150多年。

作为一种解决城市道路交通问题的主要手段，其发展规模越来越大，已遍布全球50多个国家170多个城市，总线路里程将近1万多公里。

伴随着我国经济建设的突飞猛进和城市化进程的加快，城市地铁工程建设正在飞速发展，北京、上海、天津等二十多个城市已经建成了地铁并投入运营，南京、杭州、徐州等十几个城市的地铁工程项目也已经在建设中，另外还有四十多个城市的轨道交通项目正在规划中。

这些工程项目的修建势必会向岩土工程界提出新的研究问题。

软粘土在我国东部地区广泛分布，特别是在沿海地区，如上海地区地表以下的第③~⑤层几乎全部为饱和的淤泥质或粉质软粘土，而软粘土由于自身具有“三高”（含水量、压缩性和灵敏度）“两低”（渗透性和承载力）特性往往成为工程建设中的问题土[1]。

目前，最明显的问题就是软粘土地区的城市地面沉降现象，岩溶塌陷，地下矿产、水、石油、天然气等资源的开采等生产活动均可引起城市地面的不均匀沉降，而随着城市的发展，由于工程项目建设而导致的地面沉降问题也越来越不可忽视[2]。

上海地区自上世纪90年代以来，城市基础工程建设迅猛发展，地下空间、地铁工程的开挖修建，地面大量高层、超高层建筑的兴起等，使得地面沉降问题日益凸出。

地铁在修建过程中，无论是使用明挖法还是暗挖法，都不可避免地会对周围土层带来扰动，这种扰动会使土层的结构形式和应力状态发生变化，导致地基强度和刚度发生退化，使得地面在施工过程中产生沉降。

所以，在软土地区修建地铁等城市地下工程，首先需要改善软粘土的力学特性。

盾构法以其对线路周围建筑物和环境影响小，对地质条件适应性强的优势，而成为地铁隧道施工的首选；人工冻结法因其能使软粘土克服自身的缺点，在地铁联络通道施工中被广泛采用。

但是，人工冻结法会引起地层温度场的变化，在冻结过程中，孔隙中的水结冰体积膨胀，导致粘土中的孔隙体积增大；当施工结束后，地层温度开始回升，土体孔隙中的冰融化，土体会变得异常松软，很容易产生变形。

文章编号:1005－6157(2009)01－052－安徽地质Geology of Anhui第19卷第1期2009年3月V o l .19 N o .1 M a r c h 2009胡清华，崔可锐，赵 川，马文生（合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230009）摘 要：安徽淮南刘庄煤矿主井井塔地基工程采用了人工冻结法施工，因而主井井塔地基土发生冻胀和融沉的变化。

为了工程的安全和井塔的稳定，本文对主井井塔地基的人工冻融土进行了冻胀和融沉模拟试验，并对试验数据进行分析和计算。

本文对人工冻融土冻胀与融沉性质的研究，填补了我国在这方面研究的不足，为今后该方面的工程施工提供了参考依据。

关键词： 主井井塔地基； 人工冻融土 ； 冻胀 ； 融沉中图分类号：TU445;TU43 文献标志码：A融沉量，并结合后面的蠕变沉降量进而求得在井塔压力作用下的总沉降量。

2.2 冻胀试验2.2.1 试验方法本试验是采用上海飞鹰设备厂制造的WDT-100微机控制冻土试验机，并且都是在-10℃的条件下进行无水源补给的试验。

如图1所示，整套冻胀试验装置由试样筒、恒温箱、制冷与温度控制系统、变形监测和加压系统以及计算机读数系统组成，操作步骤主要包括制备土样、恒温冻胀和数据采集。

(1)制备土样：试验设计中所需土样为高6cm，底面积为30cm 2。

利用环刀切取土样，然后取下环刀，安装1 引 言国投新集能源股份有限公司刘庄特大型煤矿，设计生产能力为年产煤炭800万吨，主井井塔高为90m，跨度24m，钢筋混凝土结构，总重量为31000t，可堪称亚洲第一井塔，目前正处于施工过程中。

其主井井筒采用冻结法施工，冻结深度600m，由于工期紧迫，2005年5月初采用人工解冻，解冻深度60m。

人工冻结技术是利用人工冻结方法[1]，降低土体的温度使土体的含水土层形成冻结体，以抵抗地压并隔绝与地下水联系的一种土木工程特殊施工技术。

因而就产生了人冻土的冻胀融沉问题[2]。

季冻区非饱和粉质粘土融沉特性试验研究本文以哈尔滨地区典型土质—粉质粘土为研究对象,首先进行了常规的土工试验,测定了该土质的基本物性指标。

选择初始含水率、初始干密度、冻结温度、融化温度及冻融循环次数等影响因素,对该土质进行多水平的单因素试验及正交试验,建立了冻胀率、融沉系数及融化压缩系数的预报模型,为今后的工程应用提供参考依据。

研究内容主要分为以下几方面: 首先,研究冻土的冻胀融沉机理和影响因素,为后续的试验研究提供理论保障；根据冻土融沉系数(冻胀率)和融化压缩系数的测定方法,以及试验土样的基本物性指标,确定试验方案及边界条件。

其次,利用冻土冻胀融沉试验装置进行融沉系数(冻胀率)的测定,通过单因素试验和正交试验,获得不同初始含水率、初始干密度、冻结温度、融化温度及冻融循环次数对融沉系数(冻胀率)的影响规律；利用固结仪进行(融化)压缩系数的测定,考虑初始含水率、初始干密度、冻结温度、融化温度及冻融循环次数等因素进行多水平单因素试验,获得各因素对(融化)压缩系数的影响规律。

利用Origin数据分析软件对相关特征值的变化规律进行分析,建立回归方程。

最后,在对试验数据充分分析的基础上,利用SPSS软件中的多元线性回归拟合模型分别建立冻胀率、融沉系数、融化压缩系数的预报模型,并检验模型计算值能否通过误差分析,验证预报模型的合理性。

国内外冻土冻涨融沉的研究现状分析[摘要]多年冻土地区道路使用状况来看，所面临的直接且严重的问题则是冻土路基融沉。

本文介绍国内外冻土冻涨融沉的研究现状，从国外国内两方面分析，并将历史分析过程从理论的确立到试验分析再到计算，试验概念的确立至数据分析结果的转变。

【关键字】冻胀融沉；现状分析；融沉量计算1、前言我国的冻土工作者就此已经开展了一系列的研究工作，取得了一定的成果，但由于冻土问题的复杂性以及国内外研究现状，这些工作很多还处于初步阶段，为进一步研究冻土冻胀融沉特性，认清国内外对冻土冻涨融沉的研究现状分析显着有必要。

2、早起国外冻土冻涨融沉的研究早在17世纪后期，人们就已经注意到冻胀现象，但是直到20世纪，人们才逐渐认识到水分迁移作用是导致土体冻胀的主要根源。

Everett首先提出了第一冻胀理论即毛细理论。

然而，毛细理论却不能解释不连续冰透镜是如何形成的，并且该理论低估了细颗粒土中的冻胀压力。

认识到毛细理论的不足之处，Miller 提出在冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的带，称为冻结缘。

冻结缘理论克服了毛细理论的不足，称为第二冻胀理论。

3、简化的冻结缘未冻水流模式的建立Akagawa提出了静态冻胀控制理论并通过试验予以验证；美国学者Virgil J.Lunardinj研究了地面温度线性增高情况下冻土融化，牛曼解使用了当量地面温度，对总的冻结、融化深度给出可信结果，但对中间过程预报误差较大；中国的徐学祖提出了分析解，并与牛曼解预报结果作了对比，指出当斯蒂芬数增大时，融化带随时间的变化呈非线性增大；日本学者T.Ono设计研制了一套采用激光传感器监测侧向变形的三轴冻融试验装置，可附加不同的侧限应力条件，并在此基础上研究了不同应力条件下冻结过程中的胀缩变形，观测到瞬间变形的过程；日本学者Yoshikj Miyata基于水分迁移、热量输运和机械能平衡方程提出宏观冻胀理论；T.Ishizakj开展了冻融作用对文物破坏的研究，采用摄像系统对冰分凝及破坏过程进行动态监测，提出了简化的冻结缘未冻水流模式。

〔收稿日期〕　2003-08-25土壤冻胀特性的试验研究张世银　汪仁和(安徽理工大学土木工程系)摘　要　通过对不同含水量、不同土样的冻胀试验,得出土壤的冻胀特性与土的含水量、饱和度、塑性指 数、冻结温度的关系,并进行深入地分析探讨。

关键词　冻胀　含水量　塑性指数　冻结温度 冻结法施工是岩土工程中的一种特殊有效的施工方法,这种方法首先应用在煤矿凿井,目前已在城建、地铁、桥墩锚锭等工程中应用,并掌握了一定的冻结特性和取得了许多成功的经验。

但人工冻结法在岩土工程中应用时,会出现冻胀和融沉现象,这些现象将对工程和环境带来不利的影响,在煤矿冻结法施工中,冻胀会造成冻结管断裂,如谢桥矿井筒在冻结段施工中,冻胀引起冻结管断裂造成淹井,同时岩土的冻胀会危害到附近管线及建筑物的安全。

所以掌握不同的土层以及相同的土层、不同的含水量所形成的冻胀特性,对人工冻结土的进一步安全应用具有实际意义[1,2]。

1　冻胀特性试验内容与方法(1)土样采用不同的粘土层和砂层进行试验,试验严格执行《土工试验方法标准》G B/T50123-1999标准,了解掌握冻胀与土样本身以及各种土样与含水量之间的关系[3]。

(2)取相同土样、相同含水量在不同的温度状态下以及相同的土样在不同的含水量状态下进行试验,试验时密封试样,使试样与大气隔绝,以免水份进入试样而引起含水量增大。

以求冻胀在不同的温度和不同含水量的状态下而变化的规律。

(3)采用粘土、粘土质砂、砂土等不同的土样经烘至恒重后再进行人工冻结,视其在干燥状态下是否存在冻胀。

2　试验结果分析2.1　试验结果根据以上试验方法试验结果如表1～3。

2.2　试验结果分析(1)冻胀量与含水量的关系:由试验结果表明表1　不同土样的冻胀率土样含水量/(%)饱和度/(%)塑限/(%)液限/(%)塑性指数冻胀率/(%)粘土19.4397254520 6.3粘土22.639621.540.519 6.64粘土26.9710018.538.520 6.68砂质粘土22.311002551267..51粘土22.821002754277.8中粗砂14.8581 4.64细砂18.0893 5.08表2　相同土样不同含水量的冻胀率土样含水量/(%)冻胀率/(%)砂质粘土5 1.3砂质粘土10 1.6砂质粘土12 1.7砂质粘土17 2.6砂质粘土20 2.8砂质粘土25 3.9砂质粘土30 4.6砂质粘土34 5.3表3　相同土样不同温度的冻胀率温度/(℃)冻胀率/(%)冻胀增量100-5 1.6 1.6-10 2.10.5-15 2.130.03-20 2.140.01(表2、图1),冻胀量与土样的含水量的关系特别明显,冻胀量随着土样含水量的增大而增大[4]。

人工冻土冻胀融沉规律的研究咱们今天聊聊这个人工冻土的冻胀融沉规律。

这可不是普通的土壤，得讲讲那些特殊的、看起来有点让人头疼的物理现象，别急，咱慢慢来，肯定让你听了不闷不乏味，反正就像在跟朋友唠嗑一样！冻土嘛，说白了就是冷得厉害的地方土壤，像是北方的寒冬，地下也是冰冰凉凉的。

你想啊，土壤在低温下会变硬、变脆，甚至冻住水分，那这不就能想象成一块冻住的土地吗？嘿嘿，冷得有点“死板”呢。

但别小看它，一旦气温回暖，什么事都能发生，土壤突然又会松软，甚至融化沉降，嘿，这变化就像大自然给我们的“魔术”表演。

冻土其实并不像你想象的那样简单，它不仅仅是冻住的土壤，还藏着很多“玄机”。

比如说，它有个特别麻烦的特性，就是所谓的“冻胀”，就是说当温度降得特别低的时候，水分在土壤中结冰膨胀，土壤就像发了疯一样，突然变得鼓鼓的、隆起来。

是不是有点像天气冷了你穿的羽绒服一下子膨胀起来？这不就让地面抬高了，像气球一样。

如果你觉得这听起来没啥，那就错了。

这种冻胀对建筑、道路可不是个小麻烦，尤其是在一些冻土区，房屋、道路甚至桥梁，可能都会因此变形，搞得像大白菜一样被抬起来，想想看，公路一块块凹进去，这不就成了“大坑”么！这种冻胀的过程其实很难预测，根本没有规律可言。

你今天可能看着冻土没啥问题，结果第二天一冷，咚的一声，土壤就膨胀起来了，整条道路差点被掀翻。

嗯，天气变化得真快，想当年穿羽绒服都得看天气预报，现在连冻土都要掂量一下气候。

冻土最“耍心眼”的地方就是它的变化无常，温度不一定要很低才能冻胀，只要地下水分和湿度到位，冻胀的现象就会发生。

这时候，要是咱们不小心，就得“赔了夫人又折兵”了，搞不好整个工程就会泡汤，成本得翻倍！不过不得不提个挺有意思的现象——融沉。

什么是融沉？简单来说，就是当冻土融化时，土壤又开始往下沉，感觉就像冰淇淋化了之后流成了水，整个地面开始下沉。

你能想象刚刚膨胀起来的土壤突然又变得沉甸甸的吗？这下沉的速度有时候简直让人惊呆，冰雪消融后，土壤里多余的水分就会把原来那块膨胀起来的地方给压下去，像地面沉降一样，路面不平，房子歪，简直让人有点头痛。

山西建筑SHANXI ARCHITECTURE第44卷第9期・55・2 0 2 1年5月V o L 04 N o . 0May. 2021DOI ：10.13719/j. c S o 1009-6725.2021.09.021常州典型土层冻胀融沉特性试验研究黄俊 汤国毅 严刚 徐钰 薛陈军（江苏南京地质工程勘察院，江苏南京214441）摘要：以常州市轨道交通典型土层为研究对象，介绍了人工冻土冻胀融沉试验的原理和方法，通过冻胀融沉试验得到了不同土 层在封闭系统和开放系统状态下冻胀率及融沉系数与时间的关系曲线，研究成果为常州市轨道交通人工冻结法后期的设计与施工提供了重要参考依据。

关键词：典型土层，冻胀融沉，冻胀率，融沉系数中图分类号:TU411 文献标识码:A 文章编号：1009-6825 （2021 ）09-0058-030引言近年来,随着地下工程的快速发展,冻结法逐渐被应用 于地铁的隧道抢险与修复、车站暗挖、盾构接收与始发端头 加固、联络通道施工等工程中［1。

但人工冻结法对周边环 境和地层存在着明显的冻胀融沉不良现象［2 ,冻胀及融沉量过大或不均匀，会造成邻近建筑物或管线的不均匀沉降 与破坏,甚至对工程的安全造成影响。

由于地层的复杂性，人工冻结带来的土体膨胀以及解 冻引起的工后沉降控制问题仍未得到很好的解决。

本文以 常州市轨道交通2号线联络通道冻结法施工涉及的典型土 层为研究对象，对不同土层在封闭和开发条件下进行冻胀 融沉试验，研究其特性,为今后常州地铁在冻结法的使用过 程中提供指导性建议。

1试验方法本次试验为解决常州地铁所穿越典型土层人工冻结法 设计施工时有关冻胀融沉的参数取值问题，研究了各土层 在补水（开放）和不补水（封闭）状态下冻胀融沉特性。

冻胀率试验采用无约束的轴向冻胀实验，即试件可以 在轴向自由膨胀。

在试验过程中，按规定的时间测量了轴 向位移与时间的关系，并得到了最大冻胀量,最大冻胀量与 原长的比值就是冻胀率。

人工冻结黏土冻胀特性试验研究的开题报告1.研究背景随着工程施工规模的逐步扩大，带来的冻融循环造成的损坏和影响是不可避免的。

其中黏土冻胀是造成地面破裂、路面坑洼、建筑物倾斜等问题的主要原因之一。

因此，为了保证工程的稳定和安全，对于黏土的冻胀特性进行深入研究和分析显得十分必要。

2.研究目的本研究的目的在于：1）探讨不同冻结温度、冻结时间和含水率对黏土冻胀特性的影响；2）确定黏土冻胀的影响因素及其相应规律，为工程设计提供参考。

3.研究方法本研究将采用实验室试验和分析方法。

实验室试验：选取不同含水率的黏土样品，采用人工冻结方式在不同温度下进行冻结，测量冻结前后样品的体积、质量以及冻胀率等指标，分析不同因素对于黏土冻胀的影响。

分析方法：通过对实验结果的统计和分析，探讨不同因素的作用机理，揭示黏土冻胀规律。

4.研究意义本研究的意义在于：1）加深对于黏土冻胀特性的认识，为相关领域的发展提供支持；2）为工程设计提供参考依据，提高工程的稳定性和安全性。

5.研究内容本研究的主要内容包括：1）设计冻结装置，采集黏土样品；2）进行不同温度下冻结试验，测量黏土冻胀率、干密度、含水率等指标，记录观察冻结过程中的变化；3）统计数据并进行分析，揭示影响黏土冻胀规律的相关因素。

6.预期结果通过实验和分析，本研究预计得出以下结果：1）不同温度、时间和含水率对于黏土冻胀率的影响规律；2）揭示影响黏土冻胀规律的相关因素，为工程设计提供冻胀影响评估和减缓措施；3）建立黏土冻胀的数学模型，为相关领域的研究提供参考。

7.研究难点本研究的主要难点在于实验方法的设计和数据分析的准确性，需要进行多组实验进行验证，并进行统计学方法的分析。

8.研究计划研究计划如下：第一年1）熟悉相关研究领域，了解黏土冻胀特性的研究现状和发展趋势；2）收集有关黏土冻胀特性的文献资料，开展文献研究和综述；3）设计冻结装置和采样方案，进行样品采集。

第二年1）进行冻结试验，记录和分析数据，得出不同因素对于黏土冻胀影响规律；2）对实验结果进行分析，揭示影响黏土冻胀规律的相关因素；3）建立黏土冻胀的数学模型。

人工冻土冻胀、融沉特性试验研究人工冻土冻胀融沉特性研究是人工冻结法向城市地下空间推广应用的关键技术和重要基础研究工作。

由于目前国内缺乏统一的冻结温度及冻胀试验装置，本文自行研制了可实现微机数据采集的冻结温度及冻胀试验装置。

利用该装置首次针对南京地区典型土质——淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉砂，采用单因素和正交试验系统地进行了冻结温度、冻胀和融沉试验。

通过试验得出了冻结温度随土质、含水量、干密度、含盐量及水质的变化规律，研究结果表明，含盐量对冻结温度影响最显著，而干密度对冻结温度无影响。

通过开放和封闭系统冻胀试验研究了冷端温度、含水量、干密度及上部荷载对土体冻胀的影响，冻胀率随冷端温度降低和含水量的减小而线性减小、随上部荷载增大呈指数规律减小；其中含水量的影响最显著，冷端温度次之。

并获得了南京地区淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土在封闭、开放系统中冻胀预报统计模型——各因素对冻胀的综合作用通过单项对冻胀的相加模型来表示。

研究结果表明粉砂冻胀率是淤泥质粘土冻胀率的十分之一，冷端温度、含水量两个因素变化对其冻胀率几乎不产生影响，因此在砂性等无粘性土中应用冻结法对周围环境危害较小。

通过土体融沉试验，首次发现三种土质融沉系数随千密度变化均存在一个对应土体最小融沉系数的临界干密度；融沉系数随含水量的增大而增大，并存在一个含水量转折点，但不同土质其变化趋势不同，淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土小于该含水量时融沉系数变化率较小，超过这个含水量后变化率变大并线性增大，粉砂小于该含水量时融沉系数变化率较大，超过这个含水量后变化率变小并线性增大。

论文最后讨论了研究成果在工程中的应用，并提出了抑制冻胀减小融沉的措施，这些工作对今后人工冻结在城市地下工程中应用和减小对周围环境的危害具有重要的实用价值和理论指导意义。