简析顾桥矿东风井土工基本参数与冻结粘土单轴抗压强度之间的关系

2014-12-16陈汉青曹广勇

安徽建筑大学学报 2014年1期

陈汉青，程桦，曹广勇

（1．安徽建筑大学，安徽合肥 230601 ；2．安徽大学，安徽合肥 230601）

顾桥煤矿表土段均拟采用冻结法施工，为了给井筒冻结设计和施工提供基本参数，受安徽省煤田地质局第一勘察队的委托，安徽建筑大学对顾桥煤矿井筒检查孔表土段部岩层的取样，进行冻结冻土物理力学性能室内试验研究。

我们所知，岩土中的液态水变成固态的冰这一结晶过程大致要经历三个阶段:先形成很小的分子集团，称为结晶中心或生长点；再由这种分子集团生长变成稍大一些的团粒称为晶核，最后由这些小团粒结合或生长，产生冰晶。冰晶生长的温度称为水的结冰温度或冰点，结晶中心是在比冰点更低的温度下才能形成，所以土中水结冰的时间过程一般须经历过冷、跳跃、恒定和递降四个阶段。随着冰晶的生成，冻结粘土的强度也随之得到提高。工程中利用这一特点，来改变粘土的强度特性。对安全施工和防止工程事故具有重要的意义。

冻结粘土单轴抗压强度为冻土的最基本的力学性质，也是经常用的指标，很多的学者对它进行了研究，对冻土最早研究的苏联学者崔托维奇［1］，得出冻土的单轴抗压强度与温度和加载速率之间的关系。国内最早研究冻土的是吴紫汪［2］，发现冻土单轴抗压强度与土温、含水率和加载速度有关。朱元林［3］、李海鹏［4］得出抗压强度和应变率、破坏时间、温度之间的定量关系。陈有亮［5］得到了抗压强度随应变速率的增加、含水率的增加、温度的降低、干密度的减小而增大。本文是用以上结论为指导进行实验研究。

由于冻土力学性能实验考虑因素多，过程长，敏感性大，对仪器设备要求非常严格，实验条件又很难得到满足，所以我们希望能够从这些冻土实验中找到一般规律，从而在已知几个主要土工参数的情况下，对冻结粘土单轴强度进行估值，进而及时指导施工。这样，可以在冻结凿井时边施工边取土，在现场迅速测得土工基本参数，按我们介绍的规律来进行估计冻结粘土的单轴抗压强度，用以确定施工段高，掘砌时间和支护参数等，从而直接指导施工，防止事故发生。

1 人工冻结粘土单轴抗压强度和土工基本参数的关系

冻结粘性土单轴抗压强度与土的含水率，界限含水率，干容重，自由膨胀率，液塑限等因素有关。

表1 人工冻结粘土单轴抗压强度与土工参数之间的关系

冻结粘土在－5℃，－10℃，－15℃的单轴抗压强度见表1，在－5℃时冻结粘土的平均单轴抗压强度为1．26Mpa，在－10℃时冻结粘土的平均单轴抗压强度为2．16Mpa，其强度值比－5℃冻结粘土提高了71．4%，在－15℃时冻结粘土的平均单轴抗压强度为3．04Mpa，其强度值比－10℃冻结粘土提高了40．7%．说明随之冻结的温度降低，冻结粘土的单轴抗压强度有着显著提高，这种趋势变得越来越缓慢。

1．1 含水率与冻结粘土单轴抗压强度的关系

从表2和图1可知，含水率是影响单轴抗压强度重要因素之一，图一是不同负温和不同含水率下的单轴抗压强度值，这种冻土在不同负温下的单轴抗压强度大多数随含水率的增大而增加，当含水率大于23．4时其单轴抗压强度随含水率增大而有减小的趋势。其原因是含水率超过该粘土的塑限使冻土含水量增大，从而降低该粘土抗压强度［6］。

表2 不同含水率和不同负温下的单轴抗压强度

图1 冻结粘土在不同负温T下单轴抗压强度s与含水量w之间的关系

1．2 塑性指数与冻结粘土单轴抗压强度之间的关系

表3 不同塑性指数和不同负温下的单轴抗压强度

图2 冻结粘土在不同负温T下单轴抗压强度s与塑性指数之间的关系

从表3图2可知，当塑性指数大于23时，冻结粘土单轴抗压强度都比较低，小于23时冻结粘土单轴抗压强度都在逐渐增高。说明塑性指数在一定程度上反映土壤中黏土粒和粉土粒的多少，塑性指数大时黏粒和粉粒比较多，颗粒比表面积大，在土壤中含有的薄膜水比较多，由于薄膜水很难结冰，而以未冻水的形式存在于冻结粘土中，使得冻结粘土单轴抗压强度比较小；反之，塑性指数小时黏土粒和粉土粒比较少，冻结时单轴抗压强度比较大。