淮南顧橋礦東風(fēng)井人工凍土力學(xué)性能試驗(yàn)分析

鄭 明， 程 樺， 曹廣勇

（1．安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，合肥 230022；2．安徽大學(xué) ，合肥）

淮南顧橋礦東風(fēng)井孔檢查孔孔深404．71m，地層以砂質(zhì)粘土為主。井筒施工方法采用目前比較成熟的人工凍結(jié)法施工。人工凍結(jié)法施工是采用人工制冷方法將含有水分的地層凍結(jié)成具有一定厚度和強(qiáng)度的凍結(jié)壁，以隔絕地下水的聯(lián)系，進(jìn)而在凍結(jié)壁的保護(hù)作用下進(jìn)行通道開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)施工的一種施工方法。本文通過(guò)試驗(yàn)研究分析旨在為顧橋礦副井井孔檢查孔的設(shè)計(jì)和施工提供基礎(chǔ)參數(shù)。

1 砂質(zhì)粘土的基本物理性質(zhì)

由于檢查孔井筒較深，為了進(jìn)行針對(duì)性研究，選取了其中4組對(duì)井筒影響較大的粘土層作為試驗(yàn)研究對(duì)象。其基本物理特性見(jiàn)表1。

表1 影響較大的粘土層常規(guī)物理特性

2 凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)加工處理制成Φ50mm×100mm土樣［1］，放入－5℃、－10℃和－15℃三個(gè)恒溫低溫試驗(yàn)箱凍結(jié)48h以上。將不同深度的土在每種試驗(yàn)溫度下制作5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)土樣進(jìn)行平行試驗(yàn)，在處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，選取三個(gè)較為相近的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2．1 凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)中選取試樣應(yīng)變速率為1．0%／min。試驗(yàn)在WDT－100凍土壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行（如圖1），試驗(yàn)裝置所施加的最大試驗(yàn)力為100KN，加載精度為1%，最低負(fù)溫值為－50℃，溫度波動(dòng)度為±0．5℃。加載和數(shù)據(jù)采集全由計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)自動(dòng)控制和采集［2］。試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖2。

圖1 WDT－100微機(jī)控制凍土試驗(yàn)機(jī)

圖2 各組應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，得出單軸抗壓強(qiáng)度峰值表格，見(jiàn)表2。

表2 單軸抗壓強(qiáng)度峰值表

根據(jù)試驗(yàn)得出的4種不同深度的砂質(zhì)粘土在3種試驗(yàn)溫度條件下的單軸抗壓強(qiáng)度值（如圖3），通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，我們得到這種關(guān)系呈線性趨勢(shì)［3］。由圖3可知，同一深度的土樣其單軸抗壓強(qiáng)度是隨著溫度的降低而逐漸增大的（如表3），凍土在－10℃時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度在2．07MPa～2．39MPa，相對(duì)較小，在－15℃時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度在2．29MPa～3．80MPa，可以滿足凍結(jié)井壁的施工強(qiáng)度要求。因此，可以通過(guò)減低溫度的方法來(lái)提高凍結(jié)壁的強(qiáng)度，更好地抵抗水土壓力，確保施工的安全進(jìn)行［4］。

圖3 各組強(qiáng)度－溫度關(guān)系曲線

表3 單軸抗壓強(qiáng)度—平均含水率

3．2 凍土凍脹性試驗(yàn)

凍脹變形是制約人工凍結(jié)技術(shù)在煤礦工程中廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素，該變形對(duì)周圍巖土體以及凍結(jié)壁產(chǎn)生變形和應(yīng)力，如果膨脹性能較大可能危及凍結(jié)井壁安全，工程實(shí)踐證明粘性土凍脹性大于砂土凍脹性［5］，因此要研究巖土體的凍脹性變形。本文重點(diǎn)研究含水率與凍脹性之間的關(guān)系，選取單軸抗壓強(qiáng)度所取四組粘土和另外兩組砂土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析。所選取凍脹性試驗(yàn)土樣基本物理特性見(jiàn)表4。

表4 凍脹性試驗(yàn)土樣基本物理特性

對(duì)所選取的六組不同深度的凍脹性試驗(yàn)土樣分別進(jìn)行凍脹率和凍脹力試驗(yàn)。其凍脹試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖4、圖5示。

表5 不同深度土樣最大凍脹力和凍脹率

圖4 不同土層深度的凍脹力和時(shí)間關(guān)系曲線

圖5 不同圖層深度凍脹率與時(shí)間曲線

由圖4、圖5可以看出，土樣的凍脹力和 凍脹率都稍小，屬弱凍脹土。

2．3 凍結(jié)溫度試驗(yàn)

凍結(jié)溫度直接決定著凍結(jié)壁厚度，對(duì)整個(gè)凍結(jié)壁的穩(wěn)定性起關(guān)鍵因素。因此，研究?jī)鼋Y(jié)溫度對(duì)凍結(jié)法設(shè)計(jì)和施工是非常必要的。巖石中的液態(tài)水變成固態(tài)的冰這一結(jié)晶過(guò)程大致要經(jīng)歷三個(gè)階段:結(jié)晶中心或生長(zhǎng)點(diǎn)→晶核→冰晶，土中水結(jié)冰過(guò)程一般須經(jīng)歷過(guò)冷、跳躍、恒定和遞降四個(gè)階段。當(dāng)出現(xiàn)跳躍時(shí)，電勢(shì)會(huì)突然減小，接著穩(wěn)定在某一數(shù)值，此即為開(kāi)始凍結(jié)的溫度。在 WDT－100微機(jī)控制凍土壓力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)原狀土試樣進(jìn)行試驗(yàn)。選取單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的四組不同深度的土樣進(jìn)行凍結(jié)溫度的試驗(yàn)，其結(jié)果如下表6所示。

表6 不同深度的巖土層凍結(jié)溫度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)淮南顧橋礦東風(fēng)井所取土樣進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)，得出以下結(jié)論:

（1）在單軸壓縮條件下，凍結(jié)土樣主要呈張剪破壞特征，總體上隨著試樣溫度的降低，單軸抗壓強(qiáng)度增大，在－10℃時(shí)最大抗壓強(qiáng)度為2．4MPa，因此在設(shè)計(jì)和施工時(shí)可選取2．5MPa－3．0MPa，不宜選取過(guò)大，否則會(huì)造成資源浪費(fèi)。

（2）凍結(jié)土樣單軸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變軟化特征；凍結(jié)土樣破壞變形在10%～18%之間，應(yīng)該充分重視凍結(jié)壁的小應(yīng)變破壞。

（3）凍土的凍脹力在0．2Mpa－0．5Mpa之間，凍脹率在2．5－4．5之間，即大部分試驗(yàn)凍結(jié)巖土的凍脹力和凍脹率稍小，屬于弱凍脹土。

（4）隨著含水率的增大，凍脹力和凍脹率有增大的趨勢(shì)，從試驗(yàn)結(jié)果可以證明同一溫度下粘性土凍脹力大于砂土凍脹力，見(jiàn)表4。

（5）凍結(jié)溫度在－2．5℃－4．5℃之間，結(jié)冰溫度低?？梢钥闯鰞鼋Y(jié)溫度與含水率、液限之間有一定關(guān)系，隨著液限和含水率的增大，凍結(jié)溫度有下降的趨勢(shì)。

1 MT／T593．1－1996．人工凍土實(shí)驗(yàn)取樣及試樣制備方法［S］．

2 張照太．深土凍土力學(xué)性能試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用［D］．淮南:安徽理工大學(xué)，2006．

3 肖海斌．人工凍土單軸抗壓強(qiáng)度與溫度和含水率的關(guān)系［J］．巖土工程界，2007，11（4）:62－63．

4 懷亞，程樺，曹廣勇．寧夏紅四礦人工凍土力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］．安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，21（2）:42－44．

5 張婷．人工凍土凍脹、融沉特性試驗(yàn)研究［D］．南京:南京林業(yè)大學(xué)，2004