簡析顧橋礦東風井土工基本參數(shù)與凍結(jié)粘土單軸抗壓強度之間的關系

陳漢青， 程 樺， 曹廣勇

（1．安徽建筑大學，安徽 合肥 230601 ；2．安徽大學，安徽 合肥 230601）

顧橋煤礦表土段均擬采用凍結(jié)法施工，為了給井筒凍結(jié)設計和施工提供基本參數(shù)，受安徽省煤田地質(zhì)局第一勘察隊的委托，安徽建筑大學對顧橋煤礦井筒檢查孔表土段部巖層的取樣，進行凍結(jié)凍土物理力學性能室內(nèi)試驗研究。

我們所知，巖土中的液態(tài)水變成固態(tài)的冰這一結(jié)晶過程大致要經(jīng)歷三個階段:先形成很小的分子集團，稱為結(jié)晶中心或生長點；再由這種分子集團生長變成稍大一些的團粒稱為晶核，最后由這些小團粒結(jié)合或生長，產(chǎn)生冰晶。冰晶生長的溫度稱為水的結(jié)冰溫度或冰點，結(jié)晶中心是在比冰點更低的溫度下才能形成，所以土中水結(jié)冰的時間過程一般須經(jīng)歷過冷、跳躍、恒定和遞降四個階段。隨著冰晶的生成，凍結(jié)粘土的強度也隨之得到提高。工程中利用這一特點，來改變粘土的強度特性。對安全施工和防止工程事故具有重要的意義。

凍結(jié)粘土單軸抗壓強度為凍土的最基本的力學性質(zhì)，也是經(jīng)常用的指標，很多的學者對它進行了研究，對凍土最早研究的蘇聯(lián)學者崔托維奇［1］，得出凍土的單軸抗壓強度與溫度和加載速率之間的關系。國內(nèi)最早研究凍土的是吳紫汪［2］，發(fā)現(xiàn)凍土單軸抗壓強度與土溫、含水率和加載速度有關。朱元林［3］、李海鵬［4］得出抗壓強度和應變率、破壞時間、溫度之間的定量關系。陳有亮［5］得到了抗壓強度隨應變速率的增加、含水率的增加、溫度的降低、干密度的減小而增大。本文是用以上結(jié)論為指導進行實驗研究。

由于凍土力學性能實驗考慮因素多，過程長，敏感性大，對儀器設備要求非常嚴格，實驗條件又很難得到滿足，所以我們希望能夠從這些凍土實驗中找到一般規(guī)律，從而在已知幾個主要土工參數(shù)的情況下，對凍結(jié)粘土單軸強度進行估值，進而及時指導施工。這樣，可以在凍結(jié)鑿井時邊施工邊取土，在現(xiàn)場迅速測得土工基本參數(shù)，按我們介紹的規(guī)律來進行估計凍結(jié)粘土的單軸抗壓強度，用以確定施工段高，掘砌時間和支護參數(shù)等，從而直接指導施工，防止事故發(fā)生。

1 人工凍結(jié)粘土單軸抗壓強度和土工基本參數(shù)的關系

凍結(jié)粘性土單軸抗壓強度與土的含水率，界限含水率，干容重，自由膨脹率，液塑限等因素有關。

表1 人工凍結(jié)粘土單軸抗壓強度與土工參數(shù)之間的關系

凍結(jié)粘土在－5℃，－10℃，－15℃的單軸抗壓強度見表1，在－5℃時凍結(jié)粘土的平均單軸抗壓強度為1．26Mpa，在－10℃時凍結(jié)粘土的平均單軸抗壓強度為2．16Mpa，其強度值比－5℃凍結(jié)粘土提高了71．4%，在－15℃時凍結(jié)粘土的平均單軸抗壓強度為3．04Mpa，其強度值比－10℃凍結(jié)粘土提高了40．7%．說明隨之凍結(jié)的溫度降低，凍結(jié)粘土的單軸抗壓強度有著顯著提高，這種趨勢變得越來越緩慢。

1．1 含水率與凍結(jié)粘土單軸抗壓強度的關系

從表2和圖1可知，含水率是影響單軸抗壓強度重要因素之一，圖一是不同負溫和不同含水率下的單軸抗壓強度值，這種凍土在不同負溫下的單軸抗壓強度大多數(shù)隨含水率的增大而增加，當含水率大于23．4時其單軸抗壓強度隨含水率增大而有減小的趨勢。其原因是含水率超過該粘土的塑限使凍土含水量增大，從而降低該粘土抗壓強度［6］。

表2 不同含水率和不同負溫下的單軸抗壓強度

圖1 凍結(jié)粘土在不同負溫T下單軸抗壓強度s與含水量w之間的關系

1．2 塑性指數(shù)與凍結(jié)粘土單軸抗壓強度之間的關系

表3 不同塑性指數(shù)和不同負溫下的單軸抗壓強度

圖2 凍結(jié)粘土在不同負溫T下單軸抗壓強度s與塑性指數(shù)之間的關系

從表3圖2可知，當塑性指數(shù)大于23時，凍結(jié)粘土單軸抗壓強度都比較低，小于23時凍結(jié)粘土單軸抗壓強度都在逐漸增高。說明塑性指數(shù)在一定程度上反映土壤中黏土粒和粉土粒的多少，塑性指數(shù)大時黏粒和粉粒比較多，顆粒比表面積大，在土壤中含有的薄膜水比較多，由于薄膜水很難結(jié)冰，而以未凍水的形式存在于凍結(jié)粘土中，使得凍結(jié)粘土單軸抗壓強度比較小；反之，塑性指數(shù)小時黏土粒和粉土粒比較少，凍結(jié)時單軸抗壓強度比較大。

1．3 干密度與凍結(jié)粘土單軸抗壓強度之間的關系

從表4圖2可知，隨著干密度的增大，凍結(jié)粘土單軸抗壓強度越來越小。通過大量實驗，我們得到這種關系呈線性趨勢［5］。

表4 不同干密度和不同負溫下的單軸抗壓強度

圖3 不同干密度在不同負溫T下單軸抗壓強度s與塑性指數(shù)之間的關系

2 結(jié) 論

（1）對于塑性指數(shù)大于23的粘土，由于含有較多的黏粒和粉粒，由于黏粒和粉粒的課題半徑小，比表面積大，在凍結(jié)過程中產(chǎn)生大量薄膜水，降低了粘土的凍結(jié)溫度，在同樣負溫下，冰晶產(chǎn)生較少，其工程性質(zhì)和力學性質(zhì)較差，為施工中的關鍵點，只有降低它的凍結(jié)溫度才能提高其單軸抗壓強度。

（2）在一般情況下，凍結(jié)粘土的單軸抗壓強度隨含水率的增加而增大，當含水率超過23．4時，凍結(jié)粘土的單軸抗壓強度隨著含水率的增加反而減小。這是因為含水率超過了該粘土的塑限含水率，在冷凍過程中由于冰晶結(jié)晶膨脹破壞的粘土的顆粒結(jié)構(gòu)，因此降低了它的單軸抗壓強度。

（3）在一般情況下，凍結(jié)粘土單軸抗壓強度隨粘土干密度的增加而減小，通過大量實驗論證，這種關系呈線性比例形式。

1 崔托維奇H A．凍土力學［M］．張長慶，朱元林，譯．北京:科學出版社，1985:135－151．

2 吳紫汪，張家懿，朱元林．凍土強度與破壞特征［C］．中國地理學會冰川凍土學術會議選集，甘肅人民出版社，1983．

3 朱元林．凍結(jié)粘土在常應變速度下的單軸抗壓強度［J］．冰川凍土，1986，8（4）:365－380．

4 李海鵬，林傳年，張俊兵．原狀與重塑凍結(jié)粘土單軸抗壓強度對比研究［J］．巖石力學與巖土工程學報，2003，22（增2）:2861－2864．

5 陳有亮，常樂群，徐珊．上海凍結(jié)土單軸抗壓強度試驗研究［J］．上海大學學報，2009，31（7）:303－308．

6 陳湘生，李嘉玲．土工基本參數(shù)與凍結(jié)粘性土瞬時單軸抗壓強度的關聯(lián)分析［J］．煤炭學報，1994（2）:27－30．

7 肖海斌．人工凍土單軸抗壓強度與溫度和含水率的關系［J］．巖土工程界，2007，第11卷，第4期:62－63．