皖北矿区深土冻土力学性能试验研究

许影 黄伟 邱小文

摘 要 对矿区典型土层冻土力学性能进行试验研究，通过对数据的分析。得到不同土性单轴抗压强度差别很大。同一温度下的单轴抗压强度中细砂的甚至能达到黏土的2倍以上等结果。

关键词 冻结法；深土冻土；力学性质

1 概述

冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然巖土变成冻土，增加其强度、隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下进行施工的特殊施工技术。皖北矿区是我国南方最大的煤炭生产基地，冻结法凿井的应用的十分广泛。冻结法凿井的关键是形成可靠的冻结壁，冻结壁设计的关键参数是冻土的单轴抗压强度等力学性质，因而开展冻土的力学性能研究是十分必要的[1]。

2 试验方案

皖北矿区某矿，设计生产能力为年产量400万吨，采用冻结法施工。根据井筒检查孔，钻探土层情况选取3组典型土层进行试验研究。

3 力学性能试验

本次试验进行3个温度水平（-5℃，-10℃，-15℃），每个水平选取3-5个试样试验。包括：冻土单轴抗压强度和冻土弹性模量试验。按照中华人民共和国煤炭部行业标准《人工冻土物理力学性能试验》（MT/T593.4—1996）规程进行[2]。

3.1 单轴抗压强度试验

冻土单轴抗压强度是设计部门进行冻结壁设计的主要参数。试验结果见表2。

由试验结果可见：

a.总体上随着温度的降低，冻土单轴抗压强度增大。温度每下降一度，冻土单轴抗压强度平均约增大0.4MPa～0.6MPa。

b.同一土性，冻结温度越低，单轴抗压强度越大。这种影响中细砂>砂质黏土>黏土。

c.同一温度，冻土单轴抗压强度：中细砂>砂质黏土>黏土。同温下的单轴抗压强度，中细砂的甚至能达到粘土的2倍以上。

3.2 冻土弹性模量

冻土弹性模量确定方法，常按冻土单轴瞬时抗压强度试验一致，并取瞬时抗压强度（σs）的一半与其所对应的应变值（ε1/2）的比值，也可以根据应力-应变关系曲线获得。试验结果见表3。

由试验结果可见：

a.冻土弹性模量总体上随温度的降低而增大。其中黏土中局部含砂，弹模的变化率范围较大，砂质黏土弹模的变化率约为5～20MPa/℃。

b.由于单层厚度较小，且土性分布极不均匀，因此该类地层的试验结果离散较大。

4 结论及建议

a. 冻结温度和土层性质是冻土单轴抗压强度的主要影响因素。在冻结法施工中要合理选择冻结温度和冻结壁开挖温度。

b. 同一土性随着冻结温度的降低，冻土单轴抗压强度增大，并近似呈线性关系。同一温度，不同土性单轴抗压强度差别很大。

c. 冻土的弹性模量与冻结温度和土层性质的影响，与单轴抗压强度与冻结温度和土层性质的关系非常相识。

参考文献：

[1] 林斌，汪仁和等.淮南矿区典型冻土力学性能实验研究[J].西安科技学院学报.2003， 23（4）： 389-393.

[2] 马嵬，王大雁.深土冻土力学研究现状与思考[J].岩土工程学报，2012，34（6）：1123-1129.