水热力耦合作用下人工冻结泥炭土的试验研究_王志良.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022水热力耦合作用下人工冻结泥炭土的试验研究王志良,孟鸿斌,申林方,陈玉龙(昆明理工大学 建筑工程学院,昆明 650500)摘要:为了研究泥炭土在人工冻结过程中温度场、水分场和冻胀变形间的耦合作用机制,在封闭条件下开展了大体积试样的单向冻结室内试验,并研究了冷源温度、初始含水率等因素对泥炭土温度场、水分场及冻胀变形等演化规律的影响。结果表明:在试验初期的前 5 h 左右,土体温度下降速度较快,且距离冷源越近,温度下降速率越快,降温的幅度也越大;随着时间的推移,温度下降速率逐渐减慢,且在大约 10 h 后土体温度逐渐趋于稳定;从冻结锋面的发展趋势来看,冷源温度较低的土样,冻结锋面发展速度较快,其稳定后的冻结锋面位置距冷源越远;在距冷源较近的位置处,含水率呈先微上升后快速下降最后趋于稳定的演变趋势;而在距冷源较远的未冻区,受水分迁移的影响,土体的含水率持续下降,且冷源温度越高,水分迁移的时间越长其含水率降幅也越大;此外,泥炭土的初始含水率越高,其冻胀变形量也越大,当冷源温度较低时,该差异愈发显著。关键词:人工冻结;水热力耦合;泥炭土;冻胀变形;水分迁移中图分类号:TU445文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0683-06Experimental Study on Artificially Frozen Peaty Soil under the Coupled Heat-Moisture-Stress FieldsWang Zhiliang,Meng Hongbin,Shen Linfang,Chen Yulong(Faculty of Civil Engineering and Mechanics,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,P.R.China)Abstract:To study the coupling mechanism of temperature field,moisture field and frost heave of peaty soil during artificial freezing process,the unidirectional freezing test of large volume specimens was carried out under the closed condition.The effects of cold source temperature and initial moisture content on the evolution of temperature field,moisture field and frost heaving deformation were discussed for peaty soil.The results show that:The soil temperature drops faster in the first 5 h of the test,and the closer to the cold source,the faster the temperature drops and the greater the temperature drop range is.As time goes on,the rate of temperature decline gradually slows down,and the soil temperature tends to be stable after about 10 h.For the soil samples with lower cold source temperature,the freezing front develops faster,and it is farther away from the cold source after soil freezing stability.At the location near the cold source,the moisture content increases slightly at first,then decreases rapidly,and finally tends to be stable.However,in the unfrwozen area far away from the cold source,the moisture content drops continuously due to the influence of moisture migration.The higher the temperature of cold source is,the longer the duration of water migration is,and the larger the decline of moisture content is.In addition,when peaty soil has higher initial moisture content,the frost heave deformation is larger,and when the cold 收稿日期:2021-07-07(修改稿)作者简介:王志良(1982),男,河北乐亭人,博士,主要从事隧道及地下建筑结构方面的研究工作。E-mail:wangzhiliangtj 通讯作者:申林方(1982),女,湖南邵阳人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事岩土工程方面的科研与教学工作。E-mail:linfangshen 基金项目:国家自然科学基金(42067043,51668028,11962008)source temperature is low,the difference is more significant.Keywords:artificial freezing;heat-moisture-stress coupling;peaty soil;frost heave deformation;moisture migration0引言由于受到历史上的气候条件、地形地貌及地质环境的影响,在滇池附近及昆明市内河流周边分布着广泛且厚度稳定的泥炭土层。该土层具有天然容重小、孔隙比大、含水率高、有机质含量高、渗透性好、强度低等物理力学特征1-2,是一种工程性质极差的超软弱性土,在地下工程建设中须对其进行加固处理。人工冻结法作为城市复杂地层条件下土体加固的主要工法之一,在人行隧道、地铁隧道联络通道施工、坍塌事故的抢险修复、建筑基础等工程中得到了广泛应用3,并在昆明泥炭土层盾构进出洞加固区施工中,取得了较好的效果。由于受到热量传递、液相水结晶、水分迁移、冰透镜体形成及生长等因素耦合作用的影响4,土体的人工冻结过程是一个非常复杂物理力学演化过程。因此,研究人工冻结泥炭土的水热力耦合作用机制具有非常重要的理论意义和工程应用价值。国内外学者针对人工冻结作用下土体的热量传递、水分迁移及冻胀特性等开展了大量的试验研究工作,并取得了丰硕的成果。王天亮等5通过室内试验研究了冻结温度、含水率及围压等因素对人工冻结粉质粘土强度及冻胀特性演化规律的影响。唐益群等6针对上海饱和淤泥质黏土进行了室内冻胀试验,并研究了冷源温度对土体冻胀率及冻胀力的影响。Gioda 等7开展了大型圆柱形砂土的室内人工冻结试验,并将试验结果与数值计算结果进行了对比分析。于琳琳等8针对粉质黏土进行了封闭系统和开放系统下侧向正弦变化及恒定冻结温度的人工冻结对比试验。阴琪翔等9基于室内冻融试验,研究了双向冻结-单向融化作用下不同冻前含水率和干密度对青藏粉质黏土压缩特性及水分迁移的影响。Guan 等10基于粉质黏土的人工冻结试验研究表明,在高压条件下水分仍向冻结 区 迁 移,并 聚 集 在 冻 结 锋 面 附 近。张 婷等11针对南京浅表土层进行了室内试验研究,并讨论了含水率、干密度以及温度等因素对土体导热系数的影响。胡双平等12以富水卵砾石为研究对象,基于 GCTS 试验平台研究了冻结状态下其单轴抗压强度与冻结温度间的关联性。李阳等13通过室内试验对比了土体在单向和双向冻结条件下的冻胀特性,并研究了土体冻胀量与冻胀力间的关系。庄慧敏等14针对苏州典型软土开展了不同补水条件、不同荷载条件下的融沉试验研究,并分析了土体干密度与融沉系数间关系。王文顺等15利用自制的人工冻结冻胀融沉试验装置,研究了徐州粘土在封闭系统和开敞系统下人工冻土温度场的演化规律。Wu 等16通过试验研究了盐渍地区土体冻结过程中的水热力耦合作用,并讨论了外荷载、含盐量、冷源温度等因素对土体水热迁移过程及冻胀变形的影响。目前的研究成果主要是针对于粉土、黏土、淤泥质粘土及粉质黏土等工程中的常见土体。由于泥炭土的分布范围相对较少,且孔隙比、含水量及渗透率等物理指标又高于一般软土,其冻胀特性表现得将更加显著,土体冻胀变形对周围环境的影响将是不容忽视的。鉴于此,针对取自于昆明某地铁车站基坑埋深15.0m 的泥炭土,进行了封闭条件下大体积试样的单向冻结室内试验,研究了初始含水率、冷源温度等因素,对泥炭土传热机制、水分迁移及冻胀变形等演化规律的影响。1试验土样及装置1.1试验土样为了研究人工冻结泥炭土层的水热力耦合作用机制,本试验对取自昆明某地铁车站基坑埋深15.0 m 的泥炭土,进行了大体积土样的单向冻结室内试验。天然状态下泥炭土的有机质含量为31.4%,含水率为 68.8%,天然密度为 1.62 g/cm3,孔隙比为 2.41。本试验所用土样为重塑土,试样尺寸为 100 mm200 mm。由于风干后的泥炭土呈块状或大颗粒状,研磨成粉并浸泡 48 h 后仍呈颗粒状,难以与水充分浸透,与原状土的结构特征存在较大差异。为此,重塑土制备在保证干密度与原状土一致的前提下,采用扰动土加适量的水分配置而成,以确保重塑土与原状土的热力学性质相似。486地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷1.2试验装置本试验装置包括温度控制系统、保温层、温度传感器、水分传感器、位移传感器、数据采集系统等。采用 DS18B20 温度传感器进行土体温度的实时监测。布设 SM3001 系统土壤水分传感器,并采用 SR3230B-MOSI 土壤水分记录仪实时采集土体水分场的变化。采用 KTM 微型拉杆式直线位移传感器以及 XST 系列数字式智能仪表监测土体的冻胀变形。试验装置示意图如图 1 所示。图 1试验装置示意图Fig.1Diagram of test device2试验方案及步骤2.1试验方案为了研究泥炭土初始含水率及冷源温度等因素,对人工冻结作用下泥炭土传热机制、水分迁移及冻胀变形的影响,将试样的初始含水率制备成与天然含水率 68.8%相接近的 65%和 70%,并将下端冷源温度分别设置成-10 、-15 、-20 及-25 ,顶 端 温 度 为 5 。同 时,在 距 离 冷 源50 mm、75 mm、100 mm、125 mm 及 175 mm 的位置处布设温度传感器,记录试样在冻结过程中泥炭土内部温度的实时变化。在距冷源 40 mm、80 mm 及160 mm 位置处布设土壤水分传感器,用于监测含水率的动态演化规律。同时,在试样上方布置位移传感器,记录泥炭土在冻结过程中的冻胀变形情况。温度传感器、水分传感器及位移传感器的布设情况如图 1 所示,安装好传感器后的试样如图 2所示。2.2试验步骤(1)根据试验方案将泥炭土制备成含水率分别为 65%及 70%的重塑土试样。(2)在有机玻璃试样筒内壁涂抹一层防