紅七礦副井凍土三軸抗剪強度試驗研究

白麗萍

(甘肅省投置業(yè)集團有限公司,甘肅 蘭州 730030)

0 引言

在礦井建設(shè)中,常采用凍結(jié)法鑿井,通過人工制冷方法加固周圍巖土體,形成具有一定承載能力的凍結(jié)井壁。由于土在冷凍作用下力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生改變,進而帶來一系列工程問題,尤其在我國西部地區(qū)的煤炭開采中,通過凍結(jié)法施工井筒必然需要對凍土性質(zhì)開展研究。而抗剪強度是反映土體抗剪切滑動能力的重要指標,如果周圍載荷過大,超過巖土體抗剪強度后,將使土體遭到破壞進而出現(xiàn)地基、邊坡失穩(wěn)失衡等工程問題,因此,研究黃土層在冰凍狀態(tài)下的抗剪強度對施工和維護井筒安全具有重要的現(xiàn)實價值。

在工程設(shè)計、施工中經(jīng)常涉及巖石強度等參數(shù)的確定和校核工作[1],通常采用三軸試驗的方法進行,該方法能夠獲取準確力學(xué)參數(shù),對解決巖土理論和工程實踐問題必不可少[2-3]。許多學(xué)者研究了三軸壓縮條件下不同巖石的強度特性,形成了豐富的研究成果[4-6]。如Coulomb—Navier準則認為巖石的破壞主要是剪切破壞,Mohr準則闡明了破壞是發(fā)生在巖石內(nèi)某個面上的剪切破壞,其莫爾包絡(luò)線能夠完整地表征巖石在任一應(yīng)力狀態(tài)下的強度特性[7]。礦山開采過程中常常需要研究巖石在三向應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì),如井筒施工過程中的凍土強度研究可以采用該準則進行研究和分析[8-9]。

1 試樣設(shè)計

對紅七礦副井進行現(xiàn)場取樣,5 組樣品對應(yīng)的層位、深度見表1。

表1 取樣層位、深度及巖性

科學(xué)的取樣方法和制作試樣形狀對獲取抗剪強度起著關(guān)鍵作用。圓形試樣在各剪切方向上結(jié)構(gòu)面邊緣形貌一般不會發(fā)生改變,也減少了制作試樣的方向性偏差,具有明顯優(yōu)勢。具體制樣方法如下。

(1)制作5 組直徑為50 mm、高度為100 mm的圓柱形試樣,試樣最小尺寸不小于土樣中最大顆粒粒徑的10倍。

(2)試樣的外形尺寸誤差不超過1.0%,圓柱形兩端面平行度小于0.5 mm。

(3)在負溫實驗室內(nèi),分清試樣上下層次后,將試樣修整成設(shè)計形狀,即可用于試驗。

(4)試樣制作過程中記錄其層位、顏色、雜質(zhì)、土質(zhì)是否均勻,并觀察其有無裂縫。

2 三軸抗剪強度理論模型

2.1 庫侖準則

根據(jù)庫侖強度理論,在圍壓較小時,通過三軸壓縮實驗可知凍土滿足式(1)時將發(fā)生剪切破壞,其三軸抗剪強度與圍壓將呈線性關(guān)系[10-12]。

式中,τ為巖石試樣的剪應(yīng)力強度,MPa;C為黏結(jié)力,MPa;φ為內(nèi)摩擦角,(°);σ為破壞面上的正應(yīng)力,MPa。

剪切面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力可分別由應(yīng)力圓表征,當應(yīng)力圓與式(1)對應(yīng)的直線相切時,將發(fā)生破壞。

結(jié)合應(yīng)力轉(zhuǎn)換方程,將τ和σ用主應(yīng)力σ1、σ2、σ3表示,即可得到:

式中,θ為破壞角,(°)。

由式(1)、式(2)、式(3)可得到由主應(yīng)力表示的庫侖準則,即

2.2 結(jié)構(gòu)面的強度效應(yīng)

土體受壓破裂后,將形成不同形態(tài)的裂隙和破裂面,進而在其內(nèi)部形成縱橫交錯且不規(guī)則的結(jié)構(gòu)面,如節(jié)理面,節(jié)理面的形態(tài)特征最終會影響土體的抗剪強度。結(jié)構(gòu)面抗剪強度具有各向異性,直接影響著土體力學(xué)性質(zhì)和其變形失穩(wěn)規(guī)律。

由式(1)至式(3)可得,沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切破壞的條件為:

整理后可得:

作用在凍土上的壓力滿足式(6)時,結(jié)構(gòu)面上的應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)。且當時,σ1→∞;當θ=φ時,σ1→∞;也就是說在這種條件下,凍土試件不可能沿結(jié)構(gòu)面破壞。但由于σ1不可能達到無窮大,因此,在該條件下,將沿凍土試件內(nèi)的某一方向發(fā)生破壞。

對式(6)的θ求導(dǎo)并令其一階導(dǎo)數(shù)為0,即可得到σ1取最小值的條件為:

將式(7)代入式(6),可得:

在此條件下,莫爾圓與結(jié)構(gòu)面的強度包絡(luò)線相切。當凍土試件沿某一方向破壞時,試件破壞面與σ1的夾角為,試件的強度為:

3 試驗方法及指標參數(shù)

3.1 試驗方法

(1)試樣處理。制作直徑為50 mm、高度為100 mm 的圓柱體試件并固結(jié),凍結(jié)至設(shè)計溫度后,恒溫至少24 h再進行剪切試驗。

(2)在－10℃和－15℃條件下,設(shè)定軸向應(yīng)變速率為0.08 mm/min。

(3)同一組試樣分別加載3 MPa、4 MPa和5 MPa三種不同的圍壓,以獲得三軸剪切強度變化規(guī)律。

為了滿足凍結(jié)法鑿井設(shè)計和施工的需要,對試樣進行－10℃和－15℃下的三軸剪切強度測試,測試過程中的載荷和數(shù)據(jù)采集模式為全自動方式。

3.2 三軸剪切指標參數(shù)

不同凍土層三軸剪切指標參數(shù)見表2。

表2 三軸剪切指標參數(shù)

3.3 試驗結(jié)果

5組試樣所對應(yīng)的主應(yīng)力σ1與σ3的強度準則關(guān)系如圖1所示。

圖1 主應(yīng)力σ1 與σ3 的關(guān)系

由表2和圖1可得到以下結(jié)論。

(1)5組凍土試樣的三軸抗剪強度與圍壓呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,即隨著圍壓的增加,抗剪強度增加。凍土作為溫敏材料,其物理性質(zhì)容易受到溫度的影響,因此,研究凍土性質(zhì)時首先應(yīng)該分析溫度對其產(chǎn)生的影響。該試驗在－10℃和－15℃條件下,凍土試樣的三軸剪切強度隨著溫度的降低而明顯增大,也就是說,溫度越低,凍土試樣的剪切強度越大。因為溫度降低時,土體粒子間的液體自由水及部分弱結(jié)合水變?yōu)楣虘B(tài)冰,使土體顆粒黏結(jié)為更緊密的整體,提升了土體的抗剪強度。

(2)三軸抗剪強度主要取決于內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角,而內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力均與溫度呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。

(3)施加的圍壓越大,土體越被嚴密壓實,土體顆粒之間的相互咬合力、摩擦力更大,致使凍土的抗剪強度增加。

3.4 莫爾強度包絡(luò)線

莫爾強度理論能夠較為全面地解釋塑性或脆性巖石的強度特征,在工程實踐中廣泛應(yīng)用。莫爾強度理論在土體抗剪強度研究中應(yīng)用廣泛,通過內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角兩個參數(shù)反映抗剪強度的高低。內(nèi)摩擦角反映土體顆粒間的移動摩擦和咬合摩擦作用,內(nèi)聚力主要反映顆粒間的各種物理化學(xué)作用力。凍土抗剪性質(zhì)受到多因素耦合影響,在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下,可通過在τσ平面上作出某點的莫爾應(yīng)力圓來判斷凍土材料內(nèi)某點是否發(fā)生破壞。如果應(yīng)力圓在莫爾包絡(luò)線以內(nèi),則說明該點沒有破壞;如果應(yīng)力圓與莫爾包絡(luò)線相切,則說明在該點處的剪切應(yīng)力與該點對應(yīng)面上的抗剪強度相等,即將開始破壞;如果應(yīng)力圓與包絡(luò)線相割,說明已經(jīng)破壞。在三軸壓縮狀態(tài)下的應(yīng)力圓包絡(luò)線與反映試件應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓耦合疊加,可以判斷巖石中某點是否發(fā)生剪切破壞。如果某研究點對應(yīng)的應(yīng)力圓與包絡(luò)線相切或相割,則該點將產(chǎn)生破壞;如果應(yīng)力圓位于包絡(luò)線下方,則該點不會被破壞[13-14]。5組試樣在－10℃和－15℃條件下的包絡(luò)線如圖2所示。

圖2 凍土不同溫度的破壞包絡(luò)線

由圖2可以看出,三軸抗剪強度指標由土體顆粒間發(fā)生相對滑動而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力和土粒之間膠結(jié)作用產(chǎn)生的內(nèi)聚力確定,凍土抗剪強度越大,則發(fā)生變形和破壞時所具有的抵抗剪切破壞的極限程度也就越高。凍土的內(nèi)摩擦角隨著溫度降低而降低,抗剪強度隨著凍結(jié)溫度的降低而升高,這是因為凍結(jié)溫度越低,土體孔隙-裂隙網(wǎng)絡(luò)中的水分凍結(jié)就越充分,增加了土體的含冰率,對土體骨架體系起到“加筋”作用,提高了凍土的抗剪強度。在凍土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)一定時,不同溫度凍土的抗剪強度不同,因此,采用凍結(jié)法施工時,應(yīng)根據(jù)溫度變化和抗剪強度指標來選擇合理的施工參數(shù)。

4 結(jié)論

在理論分析三軸抗剪強度模型的基礎(chǔ)上,對紅七礦副井凍土層進行現(xiàn)場取樣、制樣,設(shè)定了－10℃和－15℃兩個試驗溫度,利用三軸壓縮設(shè)備完成了凍土試樣的三軸抗剪強度試驗,研究并繪制了莫爾強度包絡(luò)線。試驗結(jié)果證實,凍土試樣的三軸剪切強度隨著溫度的降低而明顯增大,內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力均與溫度呈負相關(guān)關(guān)系。