淮南鈣質(zhì)粘土單軸抗壓強度試驗研究

鐘 磊， 鐘晶晶

（1．合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2．安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

二十世紀三十年代，俄羅斯凍土學開創(chuàng)者－崔托維奇在各種不同溫度條件下開展了亞粘土和砂土凍土試驗，得出結(jié)論:隨著試驗溫度的降低，凍結(jié)強度呈現(xiàn)非線性規(guī)律增大，并逐漸衰減；而在不同試驗溫度下，沙質(zhì)土和粘性土的強度具有不同比值的特點［1］。之后許多國外著名學者如Ladanyi［2］、Valor［3］等也進行了關(guān)于凍土學這方面的探討。含鹽土層對凍結(jié)土力學性質(zhì)影響研究上，國外學者Beggar對含鹽多年的凍土區(qū)樁基和多種凍結(jié)鹽漬土進行了力學特性試驗，分析得出在含鹽量影響下的應(yīng)力－應(yīng)變公式中，應(yīng)力指數(shù)是一個變量，并給出了部分含鹽量參考值［4］。

近年來，隨著人工凍結(jié)法鑿井深度的增加，凍結(jié)管的斷管事故時有發(fā)生，主要存在井幫位移大，凍結(jié)管斷裂，工作面底鼓等問題。目前國內(nèi)對深土凍土的研究基本以砂土和粉土為研究對象，而本工程楊村礦是鈣質(zhì)粘土，很少有人對此課題開展研究，其理論方面的研究還有不少空白，為了了解由于凍結(jié)管的斷裂后導致凍結(jié)液的滲漏對周邊土層的影響，本文以淮南楊村礦鈣質(zhì)粘土為研究對象，對淮南楊村煤礦副井井筒的典型土層鈣質(zhì)粘土在低溫條件下的力學特性開展實驗研究。

1 凍土單軸抗壓強度試驗

1．1 試樣制備

根據(jù)試驗目的，本次試驗進行含鹽鈣質(zhì)粘土在－5℃、－10℃、－15℃和－20℃四個溫度水平下的人工凍土單軸抗壓強度試驗。在每一負溫條件下，進行4%、4．5%、5%、5．5%4個不同含鹽量試件的抗壓試驗。

1．2 試驗儀器

WDT－100微機控制凍土壓力試驗機，主要由加載系統(tǒng)、低溫控制系統(tǒng)、觸摸板操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機系統(tǒng)等部分構(gòu)成［5］（見圖1－2）。實驗結(jié)束條件:⑴實驗力下降20．0%；⑵力峰值后，應(yīng)變增加3．0%；⑶應(yīng)變大于20．0%。軟件的操作界面如圖1－2。

圖1 WDT－100型凍土試驗機外觀

圖2 計算機控制系統(tǒng)示意圖

2 含鹽量下凍土單軸抗壓強度試驗結(jié)果與分析

2．1 應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖3～圖6為22．62%水不同鹽度、不同溫度條件下，人工凍結(jié)粘土的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線。人工凍結(jié)后凍結(jié)強度在1．0～2．04MPa之間。凍土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系均呈應(yīng)變軟化特征。

圖3 22．62%水5．5%鹽不同溫度應(yīng)力應(yīng)變圖

圖4 22．62%水5%鹽不同溫度應(yīng)力應(yīng)變圖

圖5 22．62%水4．5%鹽不同溫度應(yīng)力應(yīng)變圖

圖6 22．62%水4%鹽不同溫度應(yīng)力應(yīng)變圖

2．2 含鹽量對抗壓強度的影響

表1 不同溫度不同含鹽量下土的單軸抗壓強度（MPa）

圖7 22．62%水重塑土下的不同溫度下單軸抗壓強度與含鹽量關(guān)系

凍土單軸抗壓強度與含鹽量的關(guān)系可用函數(shù)關(guān)系式（1）表示:

式中:σ為凍土強度（MPa）；X為土的含鹽量（%）；a、b為試驗系數(shù)。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)按照公式（1）進行線性回歸分析，凍土單軸抗壓與含鹽量的關(guān)系，具有線性規(guī)律［6］。4種溫度下強度與含鹽量之間關(guān)系式與相關(guān)系數(shù)見表2。

表2給出了4種溫度下強度與含鹽量之間關(guān)系式與相關(guān)系數(shù)。

表2 單軸抗壓強度與含鹽量的關(guān)系

圖7為22．62%水重塑鈣質(zhì)粘土在－5℃、－10℃、－15℃、－20℃溫度下單軸抗壓強度隨含鹽量變化，由圖可見4%含鹽量的凍土強度在1．4～2．1MPa，到4．5%含鹽量的凍土強度在1．2～1．9 MPa，比4%含鹽量時減小1．1～1．16倍；5%含鹽量的凍土強度在1．0～1．7MPa，比4．5%含鹽量時減小1．11～1．2倍；5．5%含鹽量的凍土強度在1．0～1．3MPa，比5%含鹽量時減小1．0～1．31倍。

3 凍土的彈性模量

凍土彈性模量的確定:在工程中常采用的方法是取凍土單軸抗壓強度（σs）的一半與其所對應(yīng)的應(yīng)變值（ε1／2）的比值，即E＝（σs／2）／ε1／2。通過對凍結(jié)鈣質(zhì)粘土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線的分析，得出了凍結(jié)粘土彈性模量，彈性模量與溫度的關(guān)系見圖8。彈性模量與溫度的關(guān)系可以近似用一元一次函數(shù)進行擬合回歸。表3為依據(jù)試驗數(shù)據(jù)用線性函數(shù)擬合得到的凍土彈性模量E與溫度T的關(guān)系式。

表3 彈性模量與溫度的關(guān)系

圖8 彈性模量與溫度的關(guān)系

彈性模量與溫度的變化呈現(xiàn)理想的線性關(guān)系:

式（2）中:E彈性模量（MPa）；T為土的溫度（℃）；A、B為試驗系數(shù)。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)按照公式（2）進行線性回歸分析，可以得到4%、4．5%、5%、5．5%含鹽量下凍土彈性模量與溫度的關(guān)系，具有很好的線性規(guī)律。4個含鹽量下彈性模量與溫度之間關(guān)系式與相關(guān)系數(shù)見表4:

表4 彈性模量與溫度的關(guān)系

圖8是22．62%水重塑鈣質(zhì)粘土在4%、4．5%、5%、5．5%含鹽量下彈性模量隨溫度變化，由圖可見－5℃溫度的凍土彈性模量在27MPa～54MPa，到－10℃溫度的凍土彈性模量在34MPa～63MPa，比－5℃溫度時增大1．17～1．26倍；－15℃溫度的凍土彈性模量在39MPa～70MPa，比－10℃溫量時增大1．11～1．15倍；－20℃溫度的凍土彈性模量在43MPa～74MPa，比－15℃溫度時增大1．06～1．10倍。

4 結(jié)論

通過對含鹽鈣質(zhì)粘土的單軸抗壓強度試驗研究，試驗得出，凍結(jié)土樣單軸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化特征。在一定的含水率與含鹽量條件下，凍結(jié)鈣質(zhì)粘土的單軸抗壓強度不斷的增加，取決于試驗溫度的降低。含鹽量與凍結(jié)鈣質(zhì)粘土的單軸強度之間的線性關(guān)系良好；凍結(jié)鈣質(zhì)粘土的彈性模量隨著試驗溫度的降低而逐漸增大，溫度與凍結(jié)鈣質(zhì)粘土的彈性模量之間的線性關(guān)系良好。

1 催托維奇 HA．凍土力學［M］．張長慶，朱元林譯．北京:科學出版社，1985．160－170．

2 Laden y B．Mechanical behavior of frozen soils［A］．Proc of Into Sump on the Mechanical Behavior of Structured Media［C］．Ottawa．1981．48－56．

3 Valor S．Rheological Properties and bearing capacity of frozen soils［J］．USA Snow，Ice and Permafrost Research Establishment，1959．74:48－56．

4 K W Beggar，E G Haven，D C Sego．Time dependent displacement of piles in saline Permafrost［C］．Permafrost Sixth International Conference Proceedings:Beijing，China．1993．42－47．

5 鐘晶晶，程樺，曹廣勇，等．飽和含鹽凍結(jié)鈣質(zhì)粘土單軸壓縮試驗研究［J］．安徽建筑工業(yè)學院學報，2013，21（6）:47－47．

6 洪軍．人工凍結(jié)條件下上海飽和軟粘土的力學特性試驗研究［D］．上海:同濟大學，2008．（1）．