凍融軟土孔隙結構及分形特征的影響因素研究

趙華岳 王忠杰

摘要：文章通過核磁共振（NMR）試驗，研究了凍結時間、凍融壓力和凍結溫度對土壤微孔隙結構和分形特征的影響。結果表明：孔隙結構較大的土體組裝體趨向于具有強分形特征的骨架孔隙結構;凍結時間越短，凍結作用造成的損害越小;隧道軟土的粘聚力和內摩擦角均隨初始含水率的升高呈上升趨勢，其臨界峰值點位于最佳含水率15%附近，因此建議實際施工時，控制凍融軟土含水率為15%。

關鍵詞：凍融；軟土；孔隙結構；分形特征；現場檢測分析

中圖分類號：U416.03 A 37 116 4

0 引言

近年來，隨著城市的擴張，大量地鐵隧道穿過軟土區。在建造兩個盾構隧道之間的連接通道時，由于工作空間小，難以進入設備，因此在施工中采用凍土法來增強土壤的強度［1］。然而，凍融循環后軟土的動力特性明顯減弱，冰凍條件差異造成的凍區沉降不均，嚴重威脅地鐵運行安全［2］。土壤的微觀結構被廣泛認為與力學性能有關［3］，凍脹引起的土體微觀結構變化是凍融土力學性能減弱的根本原因。因此，有必要研究不同凍融軟土在不同凍結條件下的微觀結構特征。

由于含水量高，凍結作用會對土壤結構造成不可逆轉的損害。水凍結會導致飽和軟黏土膨脹，從而破壞軟黏土結構，而冷凍軟黏土有許多表面裂縫，解凍后裂縫數量成倍增加。王升福等［4］利用掃描電鏡研究了凍融土的微觀結構，發現凍融后土壤微觀結構出現絮凝，凍結溫度越低，微觀結構越破碎。然而，已有的研究不能為描述各種凍融條件下凍融土壤的結構變化提供全面的指導，需要進一步研究［5］。同時，凍結區域的凍結持續時間、溫度和圍壓有多種組合，導致在凍結范圍內造成不同的土壤損傷。在土壤樣品中，核磁共振獲得的弛豫時間與流體的性質密切相關，因此可以獲得孔隙結構和分形特征的準確數據。

基于此，本文對不同冷凍時間和溫度的土壤樣品進行了一系列核磁共振（NMR）測試，探討了凍融土在不同階段孔徑分布的特征曲線及其變化規律，并對凍融過程中初始含水量和溫度對隧道土抗剪強度的影響進行分析，探討了凍融循環對地鐵隧道軟土力學性能變化的影響。研究結果可為預測施工條件下凍融土結構損傷程度提供可靠依據。

1 材料和方法

1.1 軟黏土樣品

軟黏土取自無錫新區地鐵4號線二期工地地下15～20 m處。土壤樣品主要由伊利石和蒙脫石礦物組成。土樣的物理力學性質為低強度、低滲透性、高壓縮性和高敏感性。對于飽和軟黏土，其自然重量為17.7 kN/m3，密度ρ=1.82 g/cm2，相對密度Gs=2.75，含水量ω=45%，塑性極限ωP=33.4%，液限ωL=51.6%，塑性指數WIp=18.2。

重塑后的軟黏土在直徑38 mm、高度為76 mm的圓柱體中制備，將圓柱體置于-100 kPa的真空飽和桶中3 h，再將軟黏土在大氣壓下浸泡在圓筒中12 h，得到飽和的軟黏土樣品。為避免未受擾動土均勻性差造成的誤差，采用真空預壓法對未受擾動土進行重塑，得到均勻性較好的重塑土樣。

如圖1所示為在-20 ℃下冷凍和解凍前后土壤微觀結構的代表性SEM圖像。由圖1（a）可以看出，凍結前重塑土的微觀結構特征大多表現為結構之間的邊-邊、邊-面接觸；土顆粒團塊以輪廓相互鑲嵌；土顆粒團塊之間有明顯的裂縫，裂縫中充滿了片狀土壤顆粒的團聚碎片［6］。凍結后，可以清楚地觀察到土壤結構變松;蜂窩絮凝結構和羽毛狀片狀結構出現在土壤顆粒聚集體周圍，如圖1（b）所示。同時還可以觀察到，土壤顆粒之間的團聚結構被破壞，增加了孔隙形態的復雜性。

1.2 試驗方法

水凍結會導致飽和軟黏土膨脹，從而破壞軟黏土結構。本文根據不同的施工情況進行了不同的設置，包括不同的凍結時間、凍結壓力和凍結溫度。按照表1中所述的試驗程序，將所有制備的樣品在特定溫度、壓力和持續時間下進行冷凍。

設置3組變量分析不同凍結條件下的孔隙結構和分形特征變化。將第一組樣品A1～A7在-20 ℃下冷凍1～24 h。第二組冷凍軟黏土樣品，凍融壓力為50～400 kPa，標記為B1～B4。第三組冷凍軟黏土樣品（設置為C1～C3）使用3種不同的解凍溫度，為-3 ℃～-20 ℃。設計兩組樣品用于平行試驗，如果趨勢一致，則考慮兩個試驗的平均值。如果平行試驗差異很大，則進行重復測試，以確保測試結果可靠。

1.3 核磁共振波譜原理

使用MesoMR23-060H-Ⅰ低場核磁共振設備研究孔隙結構和分形特征。核磁共振的核心原理是原子核總是以恒定的頻率繞自己的軸旋轉，當質子數為奇數且中子數為偶數時產生磁場。因為水中的H元素遵循這個定律，所以可以用來計算含水量。此外，結合水和流水可以通過核磁共振波譜來區分。

2 結果和討論

2.1 凍結時間對孔徑分布的影響

圖2（a）為不同凍結時間解凍24 h后凍土的孔隙分布。此時，土壤中的所有冰都融化成水，并且可以檢測到所有信號。在凍結1～2 h時，土壤孔隙分布變化較大。冷凍2 h后，小孔隙比例下降近0.5%，中孔隙比例增加近0.5%。凍結后2～18 h內土壤孔隙的變化與凍結前2 h內的變化相同。這表明在整個凍結過程中，水的凍結速度隨著時間的增加而急劇下降。

未凍結的水是確定凍土物理性質的關鍵部分，凍土中的水分是土壤微觀結構破壞的主要原因。為了更好地解釋凍結失效的原理，如圖2（b）所示繪制了不同凍結持續時間下孔隙率比例的變化。冷凍6 h和冷凍18 h孔隙變化差異不大，由于本文選擇的樣品在-20 ℃下，冷凍過程大多在冷凍6 h后完成，冷凍18 h后冷凍過程基本完成。冷凍6 h后，凍結時間不再是土壤微觀結構破壞的主要原因。

2.2 凍結壓力對孔徑分布的影響

在凍融循環后，較小尺寸孔隙的比例降低，而較大尺寸孔隙的比例增加。實際施工過程中的覆土壓力會影響孔徑變化的程度。由于凍融過程對土壤樣品施加壓力，通過比較不同壓力下土壤孔隙分布的變化，可分析壓力對孔徑比例的影響。如圖3所示為凍結壓力對孔徑

分布的影響曲線。由圖3可知，0.01～0.2um孔徑的比例減小，0.2～0.4um孔徑的比例顯著增加，1～10um孔徑的比例增加，10～100um孔徑的比例減小到0。在選定的壓力范圍內，冷凍圍壓超過100 kPa后，凍結對0.2～1um土壤孔隙變化的影響變小。從孔徑分布的變化可以看出，在一定的圍壓下冷凍時，小孔隙中的水分難以凍結，中孔隙中水分的凍結比例隨著壓力的增加而降低。在熔融過程中，在圍壓和自重的雙重作用下，中孔隙的體積大大減小。在孔徑方面，凍融過程對土壤樣品施加的壓力越大，中間孔隙所占百分比越低，微小孔隙所占百分比越大。

2.3 凍融過程中初始含水量對隧道土抗剪強度的影響

為探究試驗初始含水量對凍融過程中隧道土抗剪強度的影響，選取溫度為0 ℃、-5 ℃、-10 ℃時得到的不同試樣。如圖4和圖5所示，繪制了凍融過程中隧道土粘聚力和內摩擦角與初始含水量之間的關系曲線。

由圖4和圖5可知，隧道土的粘聚力和內摩擦角曲線存在相似的變化規律。在凍融過程中，隨著初始含水率的升高，隧道土的粘聚力和內摩擦角均先增大后減小，兩個參數的最大值都出現在初始含水率為15%時，即達到最佳含水量。這表明在每個測試溫度的最佳點處或附近存在一定的臨界水分含量，使隧道土具有最大的粘聚力或內摩擦角。在此含水量下，土壤顆粒很容易被壓縮并緊密連接，此時的試樣可以獲得最大的抗剪強度參數，可有效防止隧道壁產生剪切破壞。但隨著溫度的降低，土樣內部的水結晶結霜隆起，含水量可能發生變化。產生這一規律的原因為：當含水量低于臨界含水量時，隨著溫度的降低發生相變，土壤內部孔隙逐漸被冰晶填滿，從而加固土壤。然而，隨著水分含量的不斷增加，冰晶逐漸填滿，進一步產生凍脹增加孔隙體積。因此含水量過低易使隧道土抗剪強度不足，發生垮塌等現象。

2.4 凍融過程中溫度對隧道土內摩擦角的影響

在地鐵隧道施工中，因氣候季節不同，常導致凍結溫度不同，因此有必要研究不同溫度對隧道土內摩擦角的影響。內摩擦角隨溫度變化曲線如圖6所示。

從圖6可以看出內摩擦角不受0 ℃～2 ℃溫度的影響。隨著溫度＜0 ℃并繼續降低，凍融過程中內摩擦角會相應減小。這是因為，隧道土在冰水相變過程中，水轉化為冰會引起隧道土體積膨脹、擁擠和擴大，導致土壤顆?？紫堕]塞程度降低。并且冰晶的強度遠低于隧道土顆粒，這將進一步導致隧道土的內摩擦角減小。同時，-2 ℃～0 ℃時的隧道土凍結還原速度明顯快于-8 ℃～-2 ℃時，-8 ℃～10 ℃時內的還原速率也略快于-8 ℃～-2 ℃時。當冷凍過程溫度從0 ℃下降到-10 ℃，內摩擦角從22.36°下降到16.25°，下降了約26.6%。隨著解凍過程溫度從-10 ℃變化到0 ℃，內摩擦角從16.25°上升到20.86°，與冷凍前相比降低了約6.7%。并且，在相同剪切溫度點，解凍過程中獲得的內摩擦角低于凍結過程，這與凍結過程中孔隙的膨脹和變形有關，導致顆粒之間的孔隙閉塞減少。因此，在實際施工過程中，要保證地鐵隧道內凍結溫度控制在-2 ℃，融化溫度控制在2 ℃，可以進一步保證隧道土在凍融期間具有較高的穩定性，防止隧道壁的坍塌。

3 結語

人工地面凍結法廣泛應用于軟土區連接通道的地鐵段建設中，凍融土壤的性能與冷凍條件密切相關。本文利用核磁共振技術，觀察土壤的微觀結構變化，并結合現場隧道軟土凍融過程中初始含水量和溫度對隧道土抗剪強度的影響進行分析。得出主要結論如下：

（1）凍結時間越短，冷凍作用造成的損害越小?？梢苿恿黧w比結合流體更容易凍結，這導致凍結速率在初始階段相當快，然后減慢。

（2）土壤微觀結構的破壞程度隨凍結溫度的變化而變化，隨著凍結溫度的降低，凍結對水凍隆起的影響更為明顯。

（3）隧道土的粘聚力和內摩擦角均隨初始含水率的升高呈上升趨勢，然后下降，其臨界點位于含水率15%附近。在實際施工過程中，要保證地鐵隧道內凍結溫度控制在-2 ℃，融化溫度控制在2 ℃。

參考文獻

［1］李甜果，孔令偉，王俊濤，等.基于核磁共振的季凍區膨脹土三峰孔隙結構演化特征及其力學效應［J］.巖土力學，2021，42（10）：2 741-2 754.

［2］蘇文生.填筑路基對下方地鐵隧道影響分析與對策［J］.福建建筑，2023（1）：76-81.

［3］王立新，竇磊明，于 歸，等.西安地鐵盾構下穿高鐵路基沉降及變形分析［J］.科學技術與工程，2022，22（13）：5 425-5 436.

［4］葉萬軍，李長清，董西好，等.凍融環境下黃土微結構損傷識別與宏觀力學響應規律研究［J］.冰川凍土，2018，40（3）：546-555.

［5］馬相峰，王立川，龔 倫，等.砂卵石地層雙線地鐵盾構下穿鐵路路基變形及地層注漿加固研究［J］.隧道建設（中英文），2021，41（S1）：181-189.

［6］祝廷尉，鄧鳳霞，雷 鵬.軌道地鐵上方道路路基處理技術方案研究［J］.運輸經理世界，2021（4）：13-15.

收稿日期：2023-03-14