巖土工程勘察中凍土可鉆性的影響因素分析

王要鋒，王漢席，2，潘殿琦，單春雪，2，孫巍鋒

(1.長春工程學(xué)院，吉林 長春130021;2.長春市海威市政工程設(shè)計有限公司，吉林 長春130062)

0 引言

凍土是溫度低于0℃且含有冰的各種巖石及土壤。按現(xiàn)行標準［1－2］，凍土分為季節(jié)性凍土和多年凍土，季節(jié)性凍土為地表層寒季凍結(jié)、暖季全部融化的土，而凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時間≥2年的土(巖石)為多年凍土。凍土可鉆性是鉆進時凍土破碎的難易程度，即指凍土對鉆進工具鉆頭的抵抗程度［3］。我國大部分地區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)，多年凍土區(qū)也占有一定的比例。對于東北地區(qū)，主要為季節(jié)性凍土區(qū)，凍深在1.2～2.6 m 之間。對于碎(卵)石、礫砂、粗砂和中砂，當粒徑＜0.075 mm的顆粒含量＜15%，而對于細砂粒徑＜0.075 mm的顆粒含量＜10%時，只要凍結(jié)前不處于飽和狀態(tài)，也即地下水位以上，對于建筑工程是不考慮凍脹性的影響［1，4］。對于交通工程，當碎石土、礫砂、粗砂、中砂，當粉粘粒含量≤15%時，不考慮凍脹影響［2］。巖土工程勘察的過程中，當凍深范圍內(nèi)為碎石土和砂類土時，凍脹后強度提高較小，不會給巖土工程勘察帶來困難，而粘性土凍脹性影響較大，給冬季開展巖土工程勘察工作帶來困難，因此開展以粘性土為研究對象，研究凍土的可鉆性具有重要意義。

目前關(guān)于凍土的研究較多，但大都處于室內(nèi)試驗研究階段，且多數(shù)為常規(guī)的物理指標試驗，與工程實際結(jié)合研究的較少［5］。對于凍土的應(yīng)用研究，目前側(cè)重于將凍土技術(shù)應(yīng)用于工程，特別是基坑圍護結(jié)構(gòu)，利用土的低溫凍脹提高土體強度特性，達到穩(wěn)定土體的目的。研究角度側(cè)重于凍脹模擬等模型的研究，應(yīng)用于工程實例也不多［6－10］。關(guān)于凍土可鉆性的研究，開展較早，但與實際結(jié)合的研究并不多見。目前尚未發(fā)現(xiàn)針對東北地區(qū)特點，開展與巖土工程勘察相結(jié)合的凍土可鉆性研究。

由于巖土工程勘察工作量大，冬季鉆探施工不可避免，為方便展開勘察工作，研究凍土的可鉆性有重要意義。對凍土可鉆性的影響因素較多，主要包括外因和內(nèi)因，外因主要是溫度、鉆速和鉆壓等，內(nèi)因包括土的結(jié)構(gòu)組成、含水率以及密實性等。本文主要以粉質(zhì)粘土為例，研究內(nèi)因影響，同時結(jié)合外因，探討凍土鉆探方法，為凍土地區(qū)巖土工程勘察提供參考。

1 試驗方法

取長春地區(qū)分布范圍較廣，易受凍脹影響的粉質(zhì)粘土，取土樣104個，制備含水率為13% ～27%，每個含水率制備8個，用于單軸抗壓強度試驗;取土樣42個，制備含水率為 14%、17%、19%、20%、22%、23%和25%，每個含水率制備6個;取土樣28個，制備含水率為 14%、17%、19%、20%、22%、23%和25%，每個含水率制備4個。采用 LT－60A2型低溫制冷循環(huán)器對土樣進行制冷，冷凍時間為100～180 h。通過冷凍設(shè)備調(diào)控土樣溫度，在分組進行單軸抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度試驗之前，進行波速測試和鉆速鉆壓測試。波速測試的土樣數(shù)為132個，每個含水率為12個。

2 凍土的溫度、含水率與強度的關(guān)系

2.1 凍土的溫度、含水率與單軸抗壓強度的關(guān)系

對含水率13%～27%凍脹后的粉質(zhì)粘土進行單軸抗壓強度試驗，結(jié)果如圖1所示［3］。可知，當含水率一定的時候，溫度在－1～－18℃時，總的趨勢是:隨著溫度的降低，凍土的單軸抗壓強度逐漸增大，含水率在13% ～17%和19%時，增大范圍在25.1%左右，并不是很明顯。而含水率在18%，20% ～27%時，增大范圍較大，在73.2%左右。當溫度一定時，隨著含水率的增大，抗壓強度總體呈降低趨勢，特別是含水率在13% ～17%與20% ～27%之間存在明顯降低。

我國東北地區(qū)，粉質(zhì)粘土的含水率多在18% ～25%之間，凍土溫度在0～－18℃，凍土強度隨著溫度的降低而增大，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析可知，強度與溫度的關(guān)系建立公式為:

圖1 溫度與抗壓強度關(guān)系曲線

2.2 凍土的溫度、含水率與抗拉強度的關(guān)系

對含水率為14%、17%、19%、20%、22%、23%和25%的粉質(zhì)粘土土樣在－1～－25℃情況下進行抗拉強度試驗。試驗方法采用國際巖石力學(xué)委員會推薦的巴西試驗法，該法是采用圓柱試樣母線上受均勻分布的載荷時其橫向受拉的原理。為了使直徑方向上的壓力集中，在試樣與壓板之間墊直徑的細鋼絲。根據(jù)彈性理論，推出的抗拉強度計算式為:

式中:p——土樣被拉壞時的荷載，N;d——土樣直徑，mm;l——土樣長度，mm。

通過對42個土樣進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果繪制溫度與抗拉強度的關(guān)系曲線如圖2所示。從曲線可以看出，隨著溫度的降低，抗拉強度增大，抗拉強度范圍在0～0.5 MPa之間。在－20℃達到抗拉強度最大值，而溫度在－20℃以下，抗拉強度隨著溫度的降低而降低，這是因為在－20℃時，凍土由半塑性土變?yōu)榇嘈詢鐾粒瑥亩鴮?dǎo)致抗拉強度降低。

圖2 溫度與抗拉強度關(guān)系曲線

從圖2可以看出，當溫度一定時，隨著含水率的降低，抗拉強度呈現(xiàn)增加趨勢。在東北地區(qū)，巖土工程勘察凍土深度范圍內(nèi)，含水率多在18% ～25%之間，土的溫度在0～－18℃，通過對數(shù)據(jù)進行分析，建立抗拉強度與溫度的關(guān)系公式如下:

2.3 凍土溫度、含水率與抗剪強度的關(guān)系

土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，土的抗剪強度測定方法主要有直接剪切試驗、三軸壓縮試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、十字板剪切試驗等［11］。本試驗采用三軸壓縮試驗，通過對28個粉質(zhì)粘土土樣進行凍結(jié)后試驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度與抗剪強度關(guān)系曲線圖

從圖3可以看出，含水率在14%、17%、19%、20%、22%、23%和25%時，溫度在－15～－25℃范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，其抗剪強度增加，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計，抗剪強度增長3.5～9.2倍，變化較明顯。而在－15℃以內(nèi)，抗剪強度隨著溫度的降低而趨于減小。溫度在－15℃附近，抗剪強度存在拐點，其主要原因是隨著溫度的降低，土體內(nèi)冰的體積逐漸增大，產(chǎn)生凍脹，粘結(jié)力減小，而隨著溫度的再次降低，相鄰的冰裹體膠結(jié)在一起，凍土的抗剪強度則隨溫度的降低而增加。

從圖3可以看出，隨著含水率的增加，抗剪強度呈現(xiàn)降低的趨勢。在東北地區(qū)，巖土工程勘察凍土深度范圍內(nèi)，粉質(zhì)粘土的含水率多在18% ～25%范圍，土的溫度在0～－18℃，根據(jù)試驗統(tǒng)計，抗剪強度值在0.50 MPa以內(nèi)。

3 溫度與鉆進速度之間的關(guān)系

凍土的鉆進速度能夠直接反映凍土可鉆性，通常情況下，凍土的鉆進速度越高，凍土的可鉆進程度越高。凍土的鉆進速度與鉆壓、轉(zhuǎn)速有關(guān)，在壓力一定的情況下，轉(zhuǎn)速與鉆速呈正相關(guān)。在轉(zhuǎn)速一定的情況下，鉆壓與鉆速呈正相關(guān)。

對含水率為14%、17%、19%、20%、22%、23%和25%的粉質(zhì)粘土土樣，在含水率一定時，開展不同溫度下的鉆探工作，如圖4所示。從圖中可以看出，其鉆速隨著溫度的降低而降低，同一溫度下，隨著含水率的升高，鉆進速度增大。經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計，溫度與鉆進速度的關(guān)系建立公式如下:

圖4 溫度與鉆進速度的關(guān)系

4 波速與可鉆性之間的關(guān)系

凍土可鉆性分級的目的在于為凍土區(qū)的開挖與鉆進選擇合理的施工工藝、設(shè)備及參數(shù)，提高施工的效率，為凍土工程的施工與設(shè)計提供一個科學(xué)的依據(jù)。依據(jù)潘殿琦［3］等人研究結(jié)果，將縱波和橫波分為4級，如表1和表2所示。

表1 縱波波速凍土可鉆性分級標準

表2 橫波波速凍土可鉆性分級標準

潘殿琦等人2006年采用SYC－2型超聲波測試儀和20 kHz超聲換能器測不同溫度和不同含水率下凍結(jié)粉質(zhì)粘土的縱波波速。結(jié)果表明，含水率一定時，總的趨勢是，凍結(jié)粉質(zhì)粘土縱波波速隨凍結(jié)溫度的增加而降低［12］。潘殿琦2010年測定的結(jié)果表明，含水率一定時，總的趨勢是凍結(jié)粉質(zhì)粘土縱波波速隨凍結(jié)溫度的降低而增加，－7℃是波速增長的拐點，－20℃是波速快速增長的拐點;凍結(jié)溫度一定時，其縱波波速和凍土強度隨含水率的增加有下降的趨勢，含水率＞24%時，縱波波速增長趨于平緩［13］。

依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，建立縱波波速與可鉆性級別的回歸分析與級別數(shù)學(xué)模型，得出縱波波速與可鉆性級別的回歸方程如下式［14］:

式中:y——可鉆性級別;X——溫度;R——回歸系數(shù)，R=0.9978。

本次縱波試驗采用13% ～25%含水率，在0～－25℃之間制備土樣132個凍土樣，進行縱波波速試驗，測定結(jié)果如圖5所示。當溫度在0～－20℃時，縱波分級可鉆性在1級～2級之間;含水率一定時，當溫度繼續(xù)降低時，可鉆性級別提高，在－20℃為可鉆性的拐點。從圖上也可以看出，當溫度一定，含水率增加時，可鉆性級別降低趨勢，在－15℃以下，這種趨勢更加明顯。

圖5 可鉆性級別(按縱波波速分級)與溫度的關(guān)系

本次縱波試驗結(jié)果與以前的試驗結(jié)果基本一致，在東北地區(qū)，巖土工程勘察凍土深度范圍內(nèi)，粉質(zhì)粘土的含水率多在18% ～25%范圍，土的溫度在0～－18℃，根據(jù)試驗統(tǒng)計，可鉆性級別在1～2級之間。

橫波試驗采用14%、17%、20%、23%和25%5個含水率進行，在0～－25℃之間制備30個凍土樣，進行橫波波速試驗，測定結(jié)果如圖6所示。從圖上可以看出，含水率一定時，隨著溫度的降低，可鉆性級別提高;當溫度一定，隨著含水率的提高，可鉆性級別降低趨勢。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計，含水率一定時，可鉆性級別與溫度的關(guān)系建立公式如下:

本次橫波試驗結(jié)果與以前的試驗結(jié)果基本一致，在東北地區(qū)，巖土工程勘察凍土深度范圍內(nèi)，粉質(zhì)粘土的含水率多在18% ～25%范圍，土的溫度在0～－18℃，根據(jù)試驗統(tǒng)計，可鉆性級別在1～3級之間。

圖6 可鉆性級別(按橫波波速分級)與溫度的關(guān)系

5 工程實例

2014年在東北某地區(qū)對一城市道路進行改造，原道路寬度為18 m，為城市次干道。改造后道路寬度為25 m，采用瀝青混凝土路面，結(jié)構(gòu)厚度約為63 cm，道路路基類型為一般路基。該地區(qū)標準凍深為2.6 m，路基影響深度范圍內(nèi)地層情況見表3。從經(jīng)濟合理的角度分析，對原道路兩側(cè)部分及原有道路路基破壞部分進行重點勘察，同時充分利用該道路原有勘察資料［15］。該地層凍深范圍內(nèi)第①層以粉質(zhì)粘土為主，原有路基表層為舊有瀝青路面和二灰土構(gòu)成，舊有路基位置經(jīng)過車輛碾壓，呈硬塑，局部呈堅硬狀態(tài)。該場地地下水位較低，在設(shè)計路面以下5.6 ～6.3 m。

表3 擬建場地地層情況一覽表

勘察工作在冬季進行，室外溫度在－22～－26℃，勘察采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，因凍脹影響，在凍深范圍內(nèi)鉆進較困難。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果可知，粉質(zhì)粘土含水率增加或溫度升高時，抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度均降低，可鉆性級別降低，因此，在鉆探施工過程中，開孔后，加入熱水，提高凍土層的含水率，提高凍土層的溫度，鉆速加快，大大提高鉆進速度。采取措施后，每臺鉆機每天成孔由原來的3～4孔提高到5～6孔，平均提高效率37.5%。

6 結(jié)論

通過室內(nèi)凍土試驗，結(jié)合現(xiàn)場巖土工程勘察工程實踐，得出主要結(jié)論如下:

(1)當粉質(zhì)粘土含水率在18% ～25%，凍土溫度為0～－18℃，當溫度一定時，隨著含水率的增大，單軸抗壓強度總體呈降低趨勢;當含水率一定時，凍土的單軸抗壓強度隨著溫度的降低而增大，建立抗壓強度與溫度的關(guān)系公式為:P=－0.05t+1.42。

(2)當粉質(zhì)粘土含水率在18% ～25%，凍土溫度為0～－18℃，當溫度一定時，隨著含水率的降低，抗拉強度呈現(xiàn)增加趨勢;當含水率一定時，隨著溫度的降低，抗拉強度增大;建立抗拉強度與溫度的關(guān)系公式為:σ = －0.015t+0.032。

(3)當粉質(zhì)粘土的含水率在18% ～25%范圍，土的溫度在0～－18℃，根據(jù)試驗統(tǒng)計，抗剪強度值在0.50 MPa以內(nèi);當溫度高于－15℃時，抗剪強度隨著溫度的降低而趨于減小。

(4)對含水率為14% ～25%的粉質(zhì)粘土土樣，在含水率相同時，其鉆進速度隨著溫度的降低而降低;同一溫度下，隨著含水率的升高，鉆進速度增大。溫度與鉆進速度的關(guān)系公式為:V=1.079t+40。

(5)縱波波速試驗結(jié)果表明，當溫度在0～－20℃時，粉質(zhì)粘土凍結(jié)后縱波可鉆性分級在1級～2級之間;含水率一定時，當溫度繼續(xù)降低時，可鉆性級別提高，在－20℃為可鉆性的拐點;當溫度一定，含水率增加時，可鉆性級別降低趨勢，低于－15℃時，這種趨勢更加明顯。

(6)通過對含水率為14% ～25%之間，凍結(jié)溫度為0～－25℃之間的粉質(zhì)粘土進行橫波試驗，可知當含水率一定時，隨著溫度的降低，可鉆性級別提高;當溫度一定，隨著含水率的提高，可鉆性級別降低趨勢?？摄@性級別與溫度的關(guān)系公式為:M=－0.063t+1.45。

(7)在冬季勘察時，受季節(jié)凍土影響，鉆探效率降低，可通過在鉆孔加熱水提高鉆速的方法，提高成孔效率。

［1］JGJ 118—2011，凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.

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