冻土波速和强度指标下的冻土可钻性分级试验研究

潘殿琦,吴银柱,彭 第,黄 非,李冰洁,陈 勇

(1.长春工程学院,长春 130021;2.东煤建筑基础工程公司,长春 130026)

冻土可钻性分级的目的在于为冻土区的开挖选择合理的钻进施工工艺、设备及参数和冻土工程的施工与设计提供一个科学的依据。目前国内外很少有冻土可钻性分级方面的研究,只有安徽理工学院马芹永教授和他的学生张志红对冻结黏性土进行了三级的分级,通过测试-3、-5、-7、-10、-12、-15、-17℃冻结黏性土的纵波波速、横波波速、凿碎比功3个可钻性分级指标,按温度对可钻性进行了分级。分级结果是:-7℃以上为一级;-7～12℃为二级;-12℃以下为三级。该分级不合理之处在于:首先,冻土温度的测试范围太小,最低温度仅为-17℃,而-20℃以下的冻土未考虑,经研究,-20℃是冻土可钻性分级指标最重要温度,是分级指标的拐点温度,-20℃以上的冻土可钻性与-20℃以上有明显区别,分级时,必须给予考虑;其次,冻土可钻性分级的重要的强度指标未考虑,冻土可钻性分级具有局限性。根据目前国内外在可钻性分级方面存在的问题,笔者深入地进行了冻土波速和强度指标下的冻土可钻性分级试验研究,旨在为冻土工程设计与施工提供科学依据,为冻土规范的修订及冻土工程技术的发展提供理论依据。

1 冻土可钻性分级的原则和依据

冻土可钻性的分级是冻土钻进工艺参数设计的基础,而合理选择反映可钻性类别的指标又是可钻性分级的前提条件。在实际中,可供选择的指标往往很多,而全面考虑各种影响因素是不现实的,但分级指标的选取不是任意的,分级指标的选取必须按以下原则进行。

(1)可测性原则:冻土可钻性必须通过相应的测试指标来确定,选定的冻土可钻性的具体指标要具有可测性;

(2)独立性原则:同一层次的各测试指标间不应同时作为冻土可钻性的确定依据,相互间不存在因果关系;

(3)综合性原则:选定的指标体系应能综合反映可钻性各方面的特性或特征。

分级依据为:以-3～26℃冻土的波速、硬度、强度为分级的指标依据;以能全面反映各种分级指标的数据范围为定量标准依据;以冻土可钻性四级为分级范围依据。

2 冻土可钻性分级方法

对不同冻土来说,冻土的可钻性不仅受内在影响因素冻土的组构、含水量、温度的影响,而且冻土波速、硬度、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度直接影响冻土的可钻性分级。但对同一冻土来说,组构、含水量和温度是一定时,可钻性为常数值,这与实际工程一致。因此,判别可钻性应以冻土不同的组构、含水量、温度所对应的波速、强度等为指标,对可钻性进行回归分析基础上进行科学分级。分级方法为回归分析分级法和常规分级法,2种分级方法应相互补充,协调应用。

3 冻土可钻性分级

3.1 波速法

(1)纵波波速与可钻性级别的回归分析与级别确定

据试验数据,建立数学模型,得出纵波波速与可钻性级别的回归方程和关系曲线(图1)。

式中:y——可钻性级别;

x——温度;

R——回归系数,R=0.997 8。

图1 纵波波速与可钻性级关系曲线

根据曲线可知:含水率在13%～25%且一定时,温度在-1～24℃区间,冻土的纵波波速随温度的降低而增大,冻土可钻性随温度的降低而降低。在-20℃以上时,可钻性变化幅度较小,在-20℃以下时,可钻性变化幅度较大。-20℃是可钻性的拐点温度。温度在-1～24℃且一定时,含水率在13%～19%区间,冻土的纵波波速随含水率的增大而增大,冻土可钻性随含水率的增大而降低。温度在-1～24℃且一定时,含水率在20%～25%区间,冻土的纵波波速随含水率的增大而降低,冻土可钻性随含水率的增大而增强。

冻土可钻性级别,可按实际需要,据纵波波速大小和回归方程得出。

(2)常规法划分级别

按常规法,依据纵波波速对冻土可钻性进行分

根据曲线可知:含水率在13%～25%且一定时,温度在-1～24 ℃区间,总的趋势是,压入硬度随温度的降低而增大,冻土可钻性随温度的降低而降低。在-20℃时,冻土可钻性较强。-20℃是可钻性的拐点温度。温度-1～24℃且一定时,含水率在13%～19%区间,压入硬度随含水率的增大而增大,冻土可钻性随含水率的增大而降低。含水率在20%～25%区间,压入硬度随含水率的增大而降低,冻土可钻性随含水率的增大而增强。

冻土可钻性级别可据压入硬度大小和回归方程得出。

(2)常规法划分级别

按常规法,依据压入硬度对冻土可钻性进行分级,如表2所示。级,如表1所示。

表1 依据纵波波速冻土可钻性分级结果表

3.2 压入硬度法

(1)压入硬度与可钻性级别的回归分析与级别确定

据试验数据,建立数学模型,得出压入硬度与可钻性级别的回归方程和关系曲线(图2)。

式中:y——可钻性级别;

x——温度;

R——回归系数,R=0.9586。

图2 压入硬度与可钻性级关系曲线

表2 依据压入硬度冻土可钻性分级结果表

3.3 强度法

3.3.1 按抗压强度分级

(1)抗压强度法与可钻性级别的回归分析与级别确定

据试验数据,建立数学模型,得出抗压强度与可钻性级别的回归方程和关系曲线(图3)。

式中:y——可钻性级别;

x——温度;

R——回归系数,R=0.9699。

图3 抗压强度与可钻性级关系曲线

根据曲线可知:含水率在13%～25%一定时,温度在-1～24℃区间,总的趋势是,抗压强度随温度的降低而增大,冻土可钻性随温度的降低而降低。在-20℃时,冻土可钻性较强。-20℃是可钻性的拐点温度。温度在-1～24℃且一定时,含水率在13%～19%区间,抗压强度随含水率的增大而增大,冻土可钻性随含水率的增大而降低。含水率在20%～25%区间抗压强度随含水率的增大而降低,冻土可钻性随含水率的增大而增强。

冻土可钻性级别可据抗压强度大小和回归方程得出。

(2)常规法划分级别

按常规法,依据抗压强度对冻土可钻性进行分级,如表3所示。

表3 依据抗压强度冻土可钻性分级结果表

3.3.2 按抗剪强度分级

(1)抗剪强度与可钻性级别的回归分析与级别确定

据试验数据,建立数学模型,得出抗剪强度与可钻性级别的回归方程和关系曲线(图4)。

式中:y——可钻性级别;

x——温度;

R——回归系数,R=0.989 7。

图4 抗剪强度与可钻性级关系曲线

根据曲线可知:含水率在14%～25%且一定时,温度在0～14℃区间,温度越低,抗剪强度越低,可钻性越好,-14℃以下,温度越低,抗剪强度越高,可钻性越差。-14℃是可钻性的拐点温度。温度在-1～24℃且一定时,含水率在14%～25%区间,冻土抗剪强度随含水率的增大而降低,冻土可钻性随含水率增大而增强。

冻土可钻性级别可据抗剪强度大小和回归方程得出。

(2)常规法划分级别

按常规法,依据抗剪强度对冻土可钻性进行分级,如表4所示。

表4 依据抗剪强度冻土可钻性分级结果表

任一单一可钻性指标都不能全面地反映冻土的可钻性。因此,在实际工程应用中,应尽可能地采用各种测试方法对冻土可钻性进行测试,对各种指标进行综合分析,选取最佳优的冻土可钻性指标,以指导工程设计与施工。

4 结语

(1)对于以冻土波速、压入硬度、抗压强度、抗拉强度为指标分级时,有如下规律:含水率在13%～25%且一定时,-20℃是可钻性的拐点温度;温度在-1～24℃且一定时,含水率在13～19%区间,冻土可钻性随含水率的增大而降低。温度在-1～24℃且一定时,含水率在20%～25%区间,冻土可钻性随含水率的增大而增强。

(2)对于冻土抗剪强度为指标分级时,有如下规律:含水率在 14%～25%且一定时,温度在 0～14℃区间,温度越低,可钻性越好,-14℃以下,温度越低,可钻性越差。-14℃是抗剪强度的拐点温度;温度在-1～24℃且一定时,含水率在14%～25%区间,冻土抗剪强度随含水率的增大而降低,冻土可钻性随含水率增大而增强。

(3)冻土可钻性可分为四级,可钻性一级的冻土表现为较强的塑性,适于回转钻进方法钻进;可钻性二级的冻土为塑性向脆性过渡阶段的冻土,塑性及脆性都较弱,但可钻性二级、温度为-20℃以下的冻土脆性明显增强,因此,对于可钻性二级的冻土,可分为2个区域。其一为塑性较强、脆性较弱的冻土(冻土温度在-20℃以上时),其二为脆性较强、塑性较弱的冻土(冻土温度在-20℃以下时)。前一个区域的冻土适于回转钻进方法钻进,后一个区域的冻土适于冲击方法或冲击回转钻进方法钻进;可钻性三级～四级的冻土表现为较强的脆性,适于冲击方法或冲击回转钻进方法钻进。

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