原狀與重塑凍結(jié)黏土單軸抗壓對比試驗

陳士威，林 斌

（安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

近幾年，隨著我國煤炭資源的開采需求量逐漸增高，煤礦開采深度也在日趨加深。在煤礦開挖的施工過程中，凍結(jié)法施工是現(xiàn)代最常見的工程技術(shù)之一，從而使凍土的物理力學(xué)性質(zhì)成為影響煤炭開采的制約性因素[1]。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對于凍土的研究逐漸深入。俄羅斯凍土力學(xué)的開創(chuàng)者崔托維奇[2]最先對凍土做了系統(tǒng)的研究，他在不同溫度下對凍結(jié)砂土做了單軸壓縮試驗，總結(jié)得出凍結(jié)砂土的強度隨著溫度和不同加載速率的變化規(guī)律；陳湘生[3]、李洪升[4]、馬芹永[5]等先后通過研究發(fā)現(xiàn)，凍土的強度受溫度、含水率等多種因素的影響;劉增麗[6]、張小鵬[7]對原位凍結(jié)黏土進行了單軸試驗，分析研究了原位凍結(jié)黏土單軸壓縮時的破壞特征；李海鵬[8]、尹珍珍[9]等人通過對凍結(jié)粉土及凍結(jié)黏土的單軸抗壓試驗，建立了考慮溫度、含水率干密度等因素的強度模型;齊吉琳、馬巍[10]對凍土的力學(xué)性質(zhì)及研究現(xiàn)狀進行了分析，對凍土研究的發(fā)展?fàn)顩r進行了歸納與總結(jié)。不難發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對于原狀凍土與重塑凍土的對比研究較少，由于技術(shù)條件的限制，在地下深處獲取原狀土試樣往往比較困難，工程上就常用重塑凍土的力學(xué)指標(biāo)來代替原狀凍土力學(xué)指標(biāo)來進行凍結(jié)井壁的設(shè)計，這顯然是不太合理的。這就需要學(xué)者們在不同方面對這2種凍土進行對比研究并進行分析。某礦不同深度下的原狀與重塑人工凍結(jié)黏土進行單軸抗壓試驗分析可對礦井建設(shè)提供有價值的參考。

1 試樣的制備及試驗方法

1.1 試樣的制備

研究選用的是某礦地下30～200 m下分為3層的黏土，凍土的含水率及取樣深度見表1。在試驗之前，將土樣制成φ50 mm×100 mm的圓柱體試樣，要求端面修理平整，選取3個不同點進行量測，取其平均值保證直徑誤差不超過1 mm，兩端面長度誤差不超過0.5 mm。試驗總共27個試樣，其中原狀土9個，重塑土18個。重塑土樣采用分層擊實法進行重塑[11]，將土放入標(biāo)準模具中分5次擊實，在模具的內(nèi)壁涂適量凡士林，用以減少模具與土樣之間的摩擦力，而且便于拆卸。將制好的土樣用塑料袋扎緊放入冰箱內(nèi)恒溫24 h。

表1 凍土的含水率及取樣深度

1.2 試驗方法

單軸抗壓強度試驗是在WDT-100的凍土單軸試驗機上進行的，試驗機配備的有低溫環(huán)境箱，溫度波動范圍誤差控制在0.1℃。將試樣分為3組，分別在-5、-10、-15℃的條件下恒溫24 h后取出放入該試驗機，采用應(yīng)變控制法，應(yīng)變速率為1%/min。計算機會在壓縮過程中自動生成應(yīng)力-應(yīng)變曲線，待壓縮至一定破壞程度時，試驗機自動停止壓縮。凍土單軸抗壓強度試驗結(jié)果見表2。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同溫度下的破壞形態(tài)及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.1.1 不同溫度下的破壞形態(tài)

原狀凍土與重塑人工凍土在不同溫度下表現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)[12]（圖1）。

在-5℃時，試樣無論是原狀凍土還是重塑凍土大都呈現(xiàn)出腰鼓狀的塑性破壞形態(tài)，但是原狀凍土表面分布著許多明顯的微小裂紋，而重塑土雖然也存在微小裂紋，但相比之下少很多，分析認為重塑人工凍土在重塑后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性的破壞，導(dǎo)致其脆性比原狀土弱，其破壞強度大都取決于土顆粒之間的連接。在-10℃的條件下，原狀凍土大都發(fā)生明顯的剪切破壞，土體發(fā)生明顯的斷面，斷面較為平整且與軸向應(yīng)力夾角呈35°～45°，此時由于冰的膠結(jié)作用的增大，原狀凍土脆性較強，破壞時沿著土體內(nèi)部微小裂痕及裂隙使其不斷延展，連通形成斷面。而重塑凍土在此溫度下表面只存在微裂痕，沒有明顯斷面。-15℃時原狀凍土與重塑凍土都出現(xiàn)明顯斷面且與軸向應(yīng)力夾角呈40°～55°，由于土體內(nèi)的水進一步結(jié)冰，而冰晶的強度比較低，在壓縮作用下容易發(fā)生破碎，使得冰晶與土顆粒之間發(fā)生劃移，從而形成連通的破裂面。

表2 凍土單軸抗壓強度試驗結(jié)果

圖1 在不同溫度下表現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)

2.1.2 不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

不同溫度下，凍3層原狀與重塑凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2。

圖2 不同溫度下凍3層原狀與重塑凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

由各溫度下凍土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，3種溫度下，在壓縮時都會經(jīng)歷2個階段，即線彈性階段和非線性強化階段，線彈性階段應(yīng)力應(yīng)變曲線呈直線，彈性應(yīng)變基本上在1.5%～4%之間，原狀土的線彈性階段比較重塑土的區(qū)間大。經(jīng)歷過非線性強化階段后，-15℃下的凍土相較于-5℃與-10℃下應(yīng)力應(yīng)變曲線大都有明顯的下降過程，表明在-15℃下，凍土表現(xiàn)為脆性破壞。-5℃與-10℃下沒有明顯的下降階段，土體多為發(fā)生在中部的塑性破壞。

2.2 抗壓強度和峰值應(yīng)變及彈性模量與溫度的關(guān)系

2.2.1 抗壓強度和峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系

將應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值強度定義為抗壓強度，與其對應(yīng)的應(yīng)變定義為峰值應(yīng)變。分析發(fā)現(xiàn)3層凍土規(guī)律相近，故選取凍2層為研究對象，原狀凍土與重塑凍土的單軸抗壓強度及極限應(yīng)變與溫度的關(guān)系曲線如圖3和圖4。單軸抗壓強度隨溫度的變化為折線形增長的狀態(tài)，由于重塑土結(jié)構(gòu)性遭到破壞，其抗壓強度略低于原狀土。原狀土跟重塑土的折線幾乎平行，說明溫度對于原狀凍土跟重塑凍土的影響程度是相似的。峰值應(yīng)變隨溫度的變化情況有所不同，-10℃下凍土的極限應(yīng)變最大，-15℃最小，原狀凍土跟重塑凍土隨溫度的變化情況類似，但重塑土在3種溫度下的峰值應(yīng)變都大于原狀土的峰值應(yīng)變。

圖3 單軸抗壓強度隨溫度的變化關(guān)系

圖4 峰值應(yīng)變隨溫度的變化關(guān)系

通過回歸分析，可用如下指數(shù)函數(shù)方程式描述凍土單軸抗壓強度與溫度的關(guān)系：

式中：σs為凍土抗壓強度，MPa；θ為負溫，℃；θ0為-1℃，無量綱化參考溫度；a、b為參數(shù)，可由origin進行擬合分析得到。

式（1）中參數(shù)和的值見表3。

表3 式（1）中參數(shù)和的值

2.2.2 彈性模量與溫度的關(guān)系

凍土的彈性模量的確定是依據(jù)單軸抗壓強度的試驗數(shù)據(jù)，取瞬時單軸抗壓強度的1/2與其所對應(yīng)的應(yīng)變值的比值[13]：

式中：E為試樣的彈性模量，MPa；σs為試樣的瞬時單軸抗壓強度，MPa；ε1/2為試樣瞬時單軸抗壓強度值的一半所對應(yīng)的應(yīng)變，%。

彈性模量隨溫度的變化關(guān)系如圖5。由圖5可知，無論是原狀凍土還是重塑凍土的彈性模量隨著溫度的增高而增高，原狀凍土比重塑凍土的彈性模量隨溫度增長快，說明溫度對于原狀土的彈性模量影響更大。

圖5 彈性模量隨溫度的變化關(guān)系

通過回歸分析發(fā)現(xiàn)不同溫度下原狀與重塑凍土彈性模量呈線性的關(guān)系[14]：

式中：E為試樣的彈性模量，MPa；θ為負溫，℃；θ0為-1 ℃，無量綱化參考溫度；c、d為參數(shù)，可由 origin進行擬合分析得到。

式（3）中參數(shù)和的值見表4。

表4 式（3）中參數(shù)和的值

2.3 深度對不同溫度下抗壓強度比值的影響

為了分析深度對于原狀凍土與重塑凍土抗壓強度的影響，定義St為原狀土與重塑土單軸抗壓強度的比值：

式中：St為原狀土與重塑土單軸抗壓強度之比；σm為原狀凍土的單軸抗壓強度，MPa；σm′為重塑凍土的單軸抗壓強度，MPa。

3種溫度下不同深度凍土的抗壓強度比值如圖6，可見當(dāng)溫度為-5℃和-10℃時抗壓強度受凍土深度的影響比較明顯，而-15℃情況下3層凍土的抗壓強度比值較為接近，說明當(dāng)溫度低到一定程度時，深度不再對抗壓強度比值有所影響。從圖6還可看出隨著溫度的降低，3種深度下重塑與原狀凍土抗壓強度比值逐漸接近于1，凍土抵抗破壞的能力主要取決于土骨架的強度、土顆粒之間的黏聚力、土體內(nèi)冰晶的強度以及冰與土顆粒之間的黏聚力的影響[15]，而后2個因素主要取決于冰的含量。溫度越低，土體中的冰含量就越高，由此可知，當(dāng)溫度達到一定程度時，重塑凍土顆粒中的冰晶對于其強度補強會使其抗壓強接近于原狀凍土的抗壓強度。

圖6 3種溫度下的抗壓強度比值

3 結(jié)論

1）原狀凍土與重塑凍土單軸壓縮試驗中表現(xiàn)為不同的破壞形態(tài)，原狀凍土在-5℃時呈現(xiàn)出腰鼓狀的塑性破壞，-10℃與-15℃時都是出現(xiàn)明顯裂痕的脆性剪切破壞，而重塑凍土在-5℃與-15℃下呈現(xiàn)出腰鼓狀的塑性破壞，-15℃時則發(fā)生脆性破壞。

2）在同一溫度下，原狀凍土的抗壓強度大于重塑土的抗壓強度。無論是原狀凍土還是重塑凍土，其單軸抗壓強度都隨著溫度的降低而增強，而不同溫度下的峰值應(yīng)變，-10℃的峰值應(yīng)變要大于-5℃與-15℃時的峰值應(yīng)變。

3）隨著溫度的降低，原狀與重塑凍結(jié)黏土的彈性模量逐漸增大，可以通過控制溫度來增加或降低凍黏土的彈性模量，溫度對于原狀凍結(jié)黏土彈性模量的影響更大。

4）溫度越低，深度對于凍結(jié)黏土原狀與重塑的抗壓強度比值的影響越小，重塑土的抗壓強度也越來越接近于原狀凍土的抗壓強度。