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人工冻结条件下上海饱和软粘土力学特性的多维度试验探究

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的不断加速，上海地区的地下工程建设规模日益扩大，深度和复杂度也不断增加。从20世纪90年代开始，地铁建设翻开了上海地下空间崭新的一页，目前上海已基本形成了以地下轨道交通网络为骨架，以多个公共活动中心为重要节点的地下空间利用新格局，截至2023年，上海地下工程已超4.3万个，总建筑面积近1.55亿平方米。在这些地下工程中，饱和软粘土是上海地区常见的地基土类型，其力学特性对工程的安全和稳定性起着关键作用。

在一些特殊的工程环境中，如地铁联络通道施工、深基坑开挖等，常常需要采用人工冻结法来加固土体。人工冻结法是将低温冷媒循环通过冻结管，使周围土体中的水分冻结成冰，从而增加土体的强度和稳定性。在人工冻结条件下，饱和软粘土的力学特性会发生显著变化，其强度、变形、冻胀、融沉以及蠕变等特性与常温状态下有很大不同。如果不能准确掌握这些特性，可能会导致工程事故的发生，如隧道坍塌、地面沉降、结构开裂等，不仅会造成巨大的经济损失，还可能危及人员生命安全。研究人工冻结条件下上海饱和软粘土的力学特性，对于保障上海地区地下工程的安全、高效建设具有重要的现实意义，能够为工程设计和施工提供科学依据，优化施工方案，降低工程风险。

1.2国内外研究现状

1.2.1人工冻结粘土强度研究

国内外学者对人工冻结粘土的强度进行了大量研究。尹珍珍等对3种不同含水率的上海冻结黏土进行单轴无侧限抗压强度试验，发现单轴抗压强度受温度、加载速率、含水率及干密度等因素影响，温度越低、加载速率越大，冻土强度越高，并得到了抗压强度与温度的指数函数模型参数和抗压强度与加载速率的幂函数模型参数，建立了以温度、加载速率、含水率(干密度)为变量的强度模型方程。通过正交试验分析得出，各因素对冻土抗压强度的影响程度由大到小依次为温度、加载速率、含水率。国外学者也通过多种试验手段，研究了不同土质、温度、加载条件下冻结粘土的强度特性，发现冻结粘土的强度随着温度降低而增大，且与冰的胶结作用、土颗粒的排列等因素密切相关。然而，目前对于复杂应力状态下人工冻结粘土强度特性的研究还相对较少，不同地区饱和软粘土因成分、结构等差异，其冻结强度特性也存在差异，上海地区饱和软粘土在这方面仍有进一步研究的空间。

1.2.2人工冻结粘土冻胀、融沉研究

在冻胀、融沉研究方面，国内外已取得了一定成果。有研究表明，温度和时间是影响黏土冻胀特性的两个关键因素，黏土的冻胀特性随温度的降低而增强，同时，冻胀由短时间的较高温度引起的冷却效果要更强。含水率也是影响黏土冻胀特性的重要因素，当黏土含水率较低时，冻胀特性会更加明显。在实际工程中，通过现场监测和数值模拟等方法，分析了冻胀、融沉对周边环境和工程结构的影响。但由于饱和软粘土的冻胀、融沉过程涉及到复杂的水热迁移、土颗粒骨架变形等多物理场耦合作用，目前的研究模型和理论还不能完全准确地描述和预测这一过程，对于上海地区特殊的地质条件和工程环境下的冻胀、融沉特性研究还不够深入。

1.2.3人工冻结粘土蠕变研究

对于人工冻结粘土的蠕变特性，南通职业大学的束阁等人针对南通地区地铁开挖过程中典型土层人工冻结黏土在不同温度水平下进行单轴抗压和蠕变试验，获得在－5℃，－10℃，－15℃温度下冻土应力应变和蠕变的特性规律，并引入模糊数优化传统的蠕变模型，使其能更好地拟合试验值。还有学者对淮南矿区刘庄煤矿东风井典型粘土层进行人工冻结的蠕变试验，分析总结出冻土在单轴应力条件下的应力、应变、温度和时间相互作用的关系，得到蠕变本构方程和蠕变规律。不过，现有研究多集中在特定地区和特定工况下，对于上海饱和软粘土在不同冻结温度、应力水平等多种因素耦合作用下的蠕变特性研究还存在空白，蠕变模型的普适性和准确性也有待进一步提高。

1.2.4人工冻结粘土微观研究

在微观结构研究方面，国内外学者借助扫描电子显微镜（SEM）、压汞仪（MIP）等先进技术，观察了冻结粘土微观结构的变化，分析了冰晶体的生长、分布以及土颗粒与冰的相互作用对宏观力学性质的影响。研究发现，冻结过程中冰晶体的生长会改变土颗粒的排列和孔隙结构，进而影响土体的强度、渗透性等力学特性。但目前对于微观结构变化与宏观力学特性之间的定量关系研究还不够完善，如何从微观角度深入理解和解释宏观力学现象，并将微观研究成果应用到工程实践中，仍是未来需要努力的方向。

1.3研究内容与方法

1.3.1研究内容

本试验研究主要包括以下内容：一是开展人工冻结条件下上海饱和软粘土的强度试验，研究不同温度、加载速率、含水率等因素对其抗压强度、抗剪强度的影响规律，建立强度模型；二是进行冻胀、融沉试验，分析在不同冻结温度、时间、含水率条件下饱和软粘