含鹽凍結(jié)砂土單軸壓縮試驗(yàn)研究

平永慶 王 俊 韓 翔

(1.中煤邯鄲特殊鑿井有限公司，河北 邯鄲 056003； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

1 概述

凍土是由固體礦物顆粒、冰、水(包括未凍水和強(qiáng)結(jié)合水)、水汽等組成的多相介質(zhì)，強(qiáng)度是反映凍土力學(xué)參數(shù)的重要特征，而含鹽量的多少會(huì)對(duì)凍土強(qiáng)度產(chǎn)生影響，對(duì)此從20世紀(jì)70年代開始國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。楊成松等研究了含鹽量對(duì)青藏高原凍土強(qiáng)度的影響，得到了凍土強(qiáng)度隨著含鹽量的增加而減小的結(jié)論[1]；邴慧等在對(duì)鹽漬土的研究中發(fā)現(xiàn)含鹽量對(duì)凍結(jié)溫度的影響顯著[2]；馮挺在對(duì)含鹽凍土的研究中發(fā)現(xiàn)硫酸鈉鹽凍土的凍脹量大于氯鹽凍土，而且凍脹量隨著含鹽量的增加而增大[3]。丁智，張孟雅等通過(guò)室內(nèi)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M凍結(jié)法施工后凍融土在地鐵列車荷載作用下的動(dòng)力特性，針對(duì)重塑黏土開展凍結(jié)溫度和凍融周期影響下的動(dòng)孔壓測(cè)試試驗(yàn)，并首次提出了考慮凍結(jié)溫度和凍融周期的孔壓發(fā)展模型[4]。劉瑞鋒，胡向東,皮愛如比較了二次凍融土和一次凍融土，原狀土，得出了土體在二次凍融循環(huán)作用下主要熱力學(xué)參數(shù)的一些變化規(guī)律[5]。鐘晶晶，程樺等在不同含鹽度條件下的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出了單軸抗壓強(qiáng)度隨結(jié)冰溫度，含鹽量的變化情況[6]。石榮劍,岳豐田等對(duì)地下水流動(dòng)時(shí)鹽水凍結(jié)無(wú)法形成封閉的凍脹帷幕，采用液氮二次凍結(jié)，驗(yàn)證了液氮凍結(jié)與鹽水凍結(jié)的特點(diǎn)[7]。呂晶晶對(duì)鹽漬土的一系列研究中發(fā)現(xiàn)加載速率增大、溫度降低、含水率增大均會(huì)使凍土強(qiáng)度增大，而含鹽量的提高會(huì)使凍土的強(qiáng)度降低的結(jié)論[8]。鄧友生，何平等采用非穩(wěn)定態(tài)法中的熱線法測(cè)定凍土的導(dǎo)熱系數(shù)，得出了不同種類的鹽對(duì)凍土導(dǎo)熱系數(shù)的影響大小[9]。A.D.Nguyen，C.D.Sego研究了鹽砂土強(qiáng)度和彈性模量在含鹽量，溫度，應(yīng)變速率等情況下的一些影響[10]。因此在工程實(shí)踐中，如果工程所處地層含鹽，有必要對(duì)其研究。袁大灘煤礦主斜井前期土體經(jīng)歷過(guò)一次凍融，在注漿施工過(guò)程中采用含鹽量10%的清水洗孔以及含鹽量3%的注漿材料注漿，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次凍結(jié)。工程所處地層為灰褐粉砂和黃色細(xì)砂，本文對(duì)這兩種土質(zhì)的不同含鹽量的結(jié)冰溫度以及在重塑條件和經(jīng)歷一次凍融條件下單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)

2.1 結(jié)冰溫度測(cè)定

結(jié)冰溫度試驗(yàn)在低溫瓶與零溫瓶間進(jìn)行，低溫瓶溫度為-7.8 ℃，零溫瓶溫度為(0±0.1)℃,試驗(yàn)杯用黃銅制成，直徑為3.5 cm、高為5.0 cm，帶有杯蓋。試驗(yàn)儀器見圖1。

為了測(cè)定這兩種土在飽和狀態(tài)下不同含鹽量的結(jié)冰溫度，需要將土樣進(jìn)行烘干重塑，灰褐粉砂和黃色細(xì)砂的飽和含水率分別為25%和20%，分別按1%，2%，3%，6%和9%的含鹽量配制重塑土進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同含鹽量的結(jié)冰溫度測(cè)定

土樣飽和含水率/%含鹽率/%結(jié)冰溫度/℃灰褐粉砂25黃色細(xì)砂201-1.22-2.23-2.86-3.49-51-1.272-1.303-1.766-3.709-5.27

從圖2中數(shù)據(jù)可以看出，含鹽量低于3%時(shí)，結(jié)冰溫度高于-3 ℃；含鹽量為6%時(shí)，結(jié)冰溫度低于-3 ℃；含鹽量為9%時(shí)，結(jié)冰溫度低于-5 ℃，可以看出砂土的結(jié)冰溫度隨著含鹽量的增加而降低，且當(dāng)含鹽量小于3%時(shí)，變化不明顯，當(dāng)含鹽量大于3%時(shí)，變化顯著。當(dāng)含鹽量大于6%時(shí)，灰褐粉砂和黃色細(xì)砂結(jié)冰溫度隨含鹽率的增加變化差別不大，變化曲線基本重合。

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定

將土樣同樣配置成相應(yīng)的飽和含水率不同含鹽量的重塑土，將重塑土制成φ50×100 mm圓柱體，單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)在WDT-100凍土試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置見圖3。試驗(yàn)前，土樣在試驗(yàn)溫度下(-10 ℃)養(yǎng)護(hù)24 h，以確保樣品內(nèi)外溫度均達(dá)到試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)操作嚴(yán)格地按照中華人民共和國(guó)煤炭部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T593.4—2011人工凍土物理力學(xué)性能試驗(yàn)具體規(guī)程進(jìn)行，每組試驗(yàn)進(jìn)行3個(gè)試樣。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，得到這兩類土在飽和含水率不同含鹽量下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，選取幾組曲線見圖4。

從圖4中曲線可以看出兩類土的單軸抗壓強(qiáng)度均隨含鹽量的增加而降低，另外相同含鹽量情況下凍融土的單軸強(qiáng)度比重塑土低。造成凍融土強(qiáng)度降低主要是，凍融土的土顆粒的結(jié)構(gòu)形態(tài)和土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力相比于重塑土都發(fā)生了相應(yīng)的變化，凍融土之間的摩擦力相比較重塑土之間的摩擦力要小，從而凍融土強(qiáng)度相比于重塑土要低。兩類土的單軸抗壓強(qiáng)度均隨著含鹽量的增加而降低，這是因?yàn)橥馏w在凍結(jié)降溫時(shí)，冰與水的含量發(fā)生著相對(duì)變化，含鹽量增加時(shí)，結(jié)冰溫度降低，在相同溫度的土體中冰的含量降低，而冰的含量越低則土體強(qiáng)度越低。含水率20%的灰褐細(xì)砂土重塑土和凍融土在含鹽量6%下的應(yīng)力較含鹽量3%時(shí)衰減70%，含鹽量9%較3%時(shí)衰減80%，這說(shuō)明隨著含鹽量的增加，土的單軸抗壓強(qiáng)度衰減強(qiáng)度逐漸降低，可能含鹽量超過(guò)一定值時(shí)，土體單軸抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

1)砂土的結(jié)冰溫度隨著含鹽量的增加而降低，且當(dāng)含鹽量小于3%時(shí)，變化不明顯，當(dāng)含鹽量大于3%時(shí)，變化顯著。

2)含鹽量對(duì)-10 ℃凍土單軸抗壓強(qiáng)度影響十分明顯，隨著含鹽量的增加，強(qiáng)度降低顯著。

3)凍融循環(huán)的土的強(qiáng)度在同等條件下比未經(jīng)歷凍融循環(huán)的土的強(qiáng)度要低，所以應(yīng)盡量避免此區(qū)域凍土承擔(dān)荷載，將凍結(jié)帷幕區(qū)域外移。