在市政和城市地铁等隧道工程中应用人工冻结辅助工法时,由于地表较浅,土体冻胀融沉会造成地面隆起和下陷[1],对此如果不能合理地进行预测和控制,则可能造成建筑物的开裂或地基沉陷,严重时发生建筑物坍塌等事故,或导致地下管线破坏等严重后果.这些副作用极可能会给耗资亿元的建设工程带来不可挽回的重大事故.柯洁铭等[2]通过进行冻土冻胀、融沉分析,得出当前冻胀融沉机理、数值预报模型和防冻害措施.杨平等[3]以塑限、液限、塑性指数、液性指数、渗透系数、密度、干密度、含水量、饱和度、孔隙比等物理指标为研究因素,分析了人工冻融土和原状土的差异性.严晗等[4]通过对粉砂土进行室内试验,研究了在深季节冻土区的特殊环境下,不同初始含水率、干密度、荷载、冻融次数的反复冻胀、融沉特性.Xie Shengbo等[5]针对青藏高原独特的气候和高海拔,研究了所在地域土体在经历冻融循环作用下,对其黏聚力和单轴抗压强度的影响.徐磊[6]以西藏那曲物流中心为工程依托,在现场监测数据的基础上,结合室内冻胀试验、冻胀融沉试验,研究了粉砂土的冻胀融沉特性.张婷[7]针对南京地区典型土质(淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂),最终得出冻结温度随土质、含水量、干密度、含盐量及水质的变化规律.毕贵权等[8]研究了土质在不同含水率、干密度以及含盐浓度条件下冻融特性,对所选土质进行了不同水平的单因素试验和正交试验.目前针对西北地区的对冻胀和融沉均较为敏感的粉质黏土的冻胀融沉特性研究甚少.随着中国西部大开发战略的实施,中国西北地区以城市地铁隧道工程为代表的城市地下空间开发也正在火热地进行中.在这些工程建设中势必会遇到一些高含水量软弱地层.人工冻结法以其自身优势将成为地下空间开发建设的重要甚至是唯一选择.如甘肃引洮供水一期工程7号隧洞的主隧道在掘进中遭遇含水疏松砂岩地质地段,给施工造成了很大困难,严重影响了施工进度.在其他辅助工法无效的情况下,最终采用人工水平冻结技术解决了这一施工难题.鉴于此,结合兰州市地铁建设,在广泛调研的基础上,选择兰州地区对冻胀(同时也是对融沉)敏感的粉质黏土为研究对象,进行该土质的冻胀融沉特性研究,以期为兰州乃至西北地区的人工冻结法施工提供基础理论支撑.

1 试验

1.1 试验土样

试验土样为重塑土,采用的土样为取自兰州地铁沿线的粉质黏土.

针对孟鲁司特治疗效果中出现的疗效不一的现象,分析了其发生的原因,大致为以下几种:一、特应性皮炎根据其合并呼吸系统疾病可分为混合型和单纯性,单纯性特应性皮炎则分为外源型和内源型两种,两者由于发病机制不同,其治疗效果也会产生一定的影响;二、一些研究证明,患者的年龄、实验持续的时间、给药的方案和药物的剂量等,也会导致出现不一样的临床治疗效果;三、也有一部分研究者认为,患者疾病的严重程度,且研究样本数量偏少等现象,也会对孟鲁司特的临床治疗治疗效果产生一定的影响[5]。

1.2 试验方案

以含水率、干密度、冷端温度及荷载为因素,分析在单因素条件下该土质的冻胀融沉特性.

设定干密度为1.71 g/cm3,冷端温度-8 ℃,荷载0 kPa,含水率分别选取16%、18%、20%、24%、26%、28%，进行含水率对土体冻胀融沉特性影响试验.采用封闭系统和开敞系统2种冻结条件对该土质进行干密度、冷端温度及荷载试验.其中在进行干密度对冻胀率、融沉系数的影响研究试验时,保证各试样的初始含水率为20%,冻结时的冷端温度均为-8 ℃,荷载为0 kPa,选取干密度分别为1.71、1.74、1.77、1.80、1.83、1.86 g/cm36个水平进行冻融试验.在进行冷端温度对冻融的影响研究试验时,选取冷端温度分别为-2、-4、-8、-10、-12 ℃,保证各试样的含水率为20%,干密度为1.71 g/cm3,荷载为0 kPa.在进行有外荷载作用下的冻融试验时,依次选定试验荷载为50、150、300、500、800 kPa,控制含水率为20%,干密度为1.71 g/cm3,冷端温度均为-8 ℃,荷载0 kPa.

本次冻胀融沉试验采用型号为XT5706-5405C的微机控制冻融循环试验箱,如图2所示.将箱体、顶板、底板温度均调至3 ℃,等温度恒定后将试样装入试验箱内.为保证土样内部温度均匀且不存在水分迁移现象,使箱体整体保持6 h左右恒温,在始终保持底板温度和箱体温度3 ℃条件下,把顶板温度调为负温并启动温度与位移数据采集系统.冻胀趋于稳定时,采集冻胀过程温度与位移变化量.在土体冻胀稳定后,继续对其加热融化.调顶板温度为20 ℃,融化温度调为室温,在这样的条件下试样开始融化下沉.融沉达到稳定状态时采集融沉过程中的温度与位移变化量.

1.3 试验方法

1.3.1 试样的制备与安装

在封闭条件下,随着上部荷载的增大,该土质的融沉系数呈线性增大趋势.在开放条件下,当上部荷载为0～150 kPa时,融沉系数呈增大趋势；当荷载为150～300 kPa时融沉系数急剧减小.

无论在封闭还是开放的条件下,干密度越大,该土质冻胀率与融沉系数越接近.预测其在特定干密度条件下会重合.

  

图1 试样安装

 

Fig.1 Installation of sample

1.3.2 冻胀、融沉特性试验

伴随着孕妇及其家属健康知识知晓率的不断提升，饮食疗法和运动干预方法得到了广泛应用。为了防止孕妇在妊娠期间迅速增重，确保患者血糖水平的未定型，医务人员应重视为高危孕妇讲授糖尿病相关的健康知识，使其能够严格遵照医生嘱托，养成健康的生活习惯，定期对胎心进行监测，形成围产儿预后状况的保障[4]。同时，医务人员应鼓励高危孕妇积极参加适宜的运动，促进血脂浓度的充分降低，实现对产妇心血管功能的改善[5]。

  

图2 冻融循环试验箱

 

Fig.2 Test chamber for cyclic test of freezing and thawing

2 试验结果与分析

2.1 含水率对冻胀、融沉的影响

由图5可以看出,无论是开放还是封闭系统,该土质的冻胀率都随着冷端温度的升高而增大.在开放系统条件下,冷端温度对融沉系数影响较小.在封闭系统条件下,随着冷端温度的升高,该土质冻胀率与融沉系数在-12～-8 ℃时缓慢增大,在-8～-4 ℃时迅速增大,在-4～-2 ℃时缓慢增大.可见在封闭系统条件下,-8 ℃为该土质冻胀率与融沉系数的转折点.

  

图3 含水率对冻胀率、融沉系数的影响

Fig.3 Influence of moisture on frost heaving ratio and thaw settling coefficient

2.2 干密度对冻胀、融沉的影响

2.2 测定指标与方法 土壤湿度采用烘干法测定；土壤采用电位法测定；有机质采用重铬酸钾稀释热法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用NH4Ac浸提-火焰光度计法测定[20]。

为保证土样不沾筒壁和提取时土样的完整度,在用于试验的有机玻璃筒上涂上凡士林,再将制备好的土样放入筒内,用滤纸盖住土样并一起装入试样架.确定试样与顶板和底板紧密接触,把位移传感器安装在土样上端.温度传感器插在试样桶侧壁从底垂直向上至10 cm处，每隔1 cm有1 个小孔.在试样筒侧面将10根温度传感器插入土体内部.最后用橡皮泥堵住探针与有机玻璃筒外壁接触处.安装好的试样如图1所示.

图4为干密度对该土质冻胀融沉的影响曲线.从图中可以看出,在封闭系统条件下,随着干密度的增大,在干密度为1.71～1.83 g/cm3时,冻胀率有缓慢增大趋势；当干密度为1.83 g/cm3时,该土质冻胀率达到最大值6.16%.干密度继续增大到1.86 g/cm3时,冻胀率减小为5.89%,可知干密度对冻胀率的影响较小.随着干密度的增大,该土质融沉系数先减小后增大.在封闭条件下,当试样初始干密度为1.74 g/cm3时,对应的融沉系数为2.58%,此值为不同干密度水平试验中融沉系数的最小值.从干密度与融沉系数的关系曲线可以看出,随着干密度增大,融沉系数增长的幅度要大于冻胀率的增长率.在开放条件下,随着干密度的增加,该土质的冻胀率和融沉系数均逐渐降低.

  

图4 干密度对冻胀、融沉的影响Fig.4 Influence of dry density on frost heaving ratio and thaw settling coefficient

2.3 冷端温度对冻胀、融沉的影响

在无外界水源补给条件下,该土质的冻胀率和融沉系数都随含水率的增大而增大，如图3所示.含水率为16%～18%时增长率几乎为0,含水率为18%～20%时冻胀率与融沉系数呈线性增长,含水率在20%～24%时缓慢增长,含水率在24%～28%时增长迅速.在此期间,当含水率在16%～24%时,冻胀率随含水率的增长幅度大于融沉系数增长幅度.可见,当含水率为24%时,对该土质的融沉作用增大,对冻胀率的影响相比之前有所减小.

  

图5 冷端温度对冻胀、融沉的影响Fig.5 Influence of cold-end temperature on frost heaving ratio and thaw settling coefficient

  

图6 荷载对冻胀、融沉的影响Fig.6 Influence of load on frost heaving ratio and thaw settling coefficient

2.4 荷载对冻胀、融沉的影响

由图6可见,无论是封闭系统还是开放系统,当上部外荷载在0～150 kPa时,该土质的冻胀率成锐减趋势；当外荷载大于150 kPa时,在开放系统条件下土质的冻胀率仍成锐减趋势.直至荷载加至500 kPa时,随着荷载的增大其冻胀率基本保持不变.由此可知,在开放系统条件下,荷载对该土质冻胀率的影响始终存在且影响较为突出；在封闭系统条件下,荷载在0～150 kPa时对该土质的冻胀率影响较为突出.

江苏省在《旅游风情小镇创建评价办法》中将旅游风情小镇阐释为“是遵循创新、协调、绿色、开放、共享发展理念，依托独特地域文化、乡土民俗、历史遗存、传统工艺等资源，打造情调韵味浓郁、旅游业态鲜明、人文气息浓厚、生态环境优美、宜居宜游宜业的休闲集聚区。”

将干土过筛(筛孔直径为2 mm)后取筛下的土,测定风干含水率,然后根据所需土的计算用量与目标含水量进行配样并闷料 24 h.试验采用分层压样法制备土样.击实湿土,并分4层装入试样桶内,确保土样密度均匀.将第1～3层击实的土样顶端处理成毛面,保证下一层土与该层土有良好的联接.将击实后的土样在脱模机上脱模,最终制作出直径为100 mm,高为100 mm尺寸的圆柱型试样.确保土样密度与要求密度误差在±0.01 g/cm3内,含水率与要求含水率误差在±1%之内.

3 结论

1) 含水率对兰州粉质黏土冻胀和融沉系数的变化具有较大的影响.该土质含水率为24%时为对融沉系数影响的转折点.

2) 在封闭系统条件下,干密度对冻胀率和融沉系数的影响较小.随着干密度的增大,融沉系数的增长幅度要大于冻胀率的增长率.在开放系统条件下冻胀率和融沉系数随着干密度的增大而减小.

3) 无论在开放还是封闭系统条件下,随着冷端温度升高,该土质的冻胀率都呈增长趋势.

微乳剂一般都含有大量的水，为了能够在低温情况下贮存和正常使用，防冻剂的添加必不可少．常用防冻剂有乙二醇、异丙醇、丙二醇、丙三醇、尿素、氯化钠、蔗糖等．通过对防冻剂种类和用量的优化筛选，乙二醇、异丙醇、丙二醇等效果均良好，但是乙二醇价格相对低廉．因此，按行业最低添加量，最终确定乙二醇作为防冻剂，其添加量为3%．

4) 在开放系统条件下,荷载对该土质冻胀率的影响始终存在且影响较为突出.在封闭系统条件下,荷载在0～150 kPa时对该土质的冻胀率影响较为明显.

参考文献：

[1] 王梦恕.廿一世纪是隧道及地下空间大发展的年代 [J].铁道建筑技术,2000(1):2-4.

[2] 柯洁铭,杨 平.冻土冻胀融沉的研究进展 [J].南京林业大学学报(自然科学版),2004,28(4):105-108.

[3] 杨 平,张 婷.人工冻融土物理力学性能研究 [J].冰川冻土,2002,24(5):665-667.

[4] 严 晗,王天亮,刘建坤.粉砂土反复冻胀融沉特性试验研究 [J].岩土力学,2013,34(11):3159-3165.

[5] XIE Shengbo,QU Jianjun,LAI Yuanming,et al.Effects of freeze-thaw cycles on soil mechanical and physical properties in the Qinghai-Tibet Plateau [J].Journal of Mountain Science,2015,12(4):999-1009.

[6] 徐 磊.深季节冻土区粉砂土的冻胀融沉特性研究 [D].石家庄:石家庄铁道大学,2014.

[7] 张 婷.人工冻土冻胀、融沉特性试验研究 [D].南京:南京林业大学,2004.

[8] 王 冬.兰州粉质黏土冻胀融沉特性研究 [D].兰州:兰州理工大学,2014.