原状与重塑冻结黏土单轴抗压对比试验

陈士威，林 斌

（安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

近几年，随着我国煤炭资源的开采需求量逐渐增高，煤矿开采深度也在日趋加深。在煤矿开挖的施工过程中，冻结法施工是现代最常见的工程技术之一，从而使冻土的物理力学性质成为影响煤炭开采的制约性因素[1]。近些年来，国内外学者对于冻土的研究逐渐深入。俄罗斯冻土力学的开创者崔托维奇[2]最先对冻土做了系统的研究，他在不同温度下对冻结砂土做了单轴压缩试验，总结得出冻结砂土的强度随着温度和不同加载速率的变化规律；陈湘生[3]、李洪升[4]、马芹永[5]等先后通过研究发现，冻土的强度受温度、含水率等多种因素的影响;刘增丽[6]、张小鹏[7]对原位冻结黏土进行了单轴试验，分析研究了原位冻结黏土单轴压缩时的破坏特征；李海鹏[8]、尹珍珍[9]等人通过对冻结粉土及冻结黏土的单轴抗压试验，建立了考虑温度、含水率干密度等因素的强度模型;齐吉琳、马巍[10]对冻土的力学性质及研究现状进行了分析，对冻土研究的发展状况进行了归纳与总结。不难发现，国内外对于原状冻土与重塑冻土的对比研究较少，由于技术条件的限制，在地下深处获取原状土试样往往比较困难，工程上就常用重塑冻土的力学指标来代替原状冻土力学指标来进行冻结井壁的设计，这显然是不太合理的。这就需要学者们在不同方面对这2种冻土进行对比研究并进行分析。某矿不同深度下的原状与重塑人工冻结黏土进行单轴抗压试验分析可对矿井建设提供有价值的参考。

1 试样的制备及试验方法

1.1 试样的制备

研究选用的是某矿地下30～200 m下分为3层的黏土，冻土的含水率及取样深度见表1。在试验之前，将土样制成φ50 mm×100 mm的圆柱体试样，要求端面修理平整，选取3个不同点进行量测，取其平均值保证直径误差不超过1 mm，两端面长度误差不超过0.5 mm。试验总共27个试样，其中原状土9个，重塑土18个。重塑土样采用分层击实法进行重塑[11]，将土放入标准模具中分5次击实，在模具的内壁涂适量凡士林，用以减少模具与土样之间的摩擦力，而且便于拆卸。将制好的土样用塑料袋扎紧放入冰箱内恒温24 h。

表1 冻土的含水率及取样深度

1.2 试验方法

单轴抗压强度试验是在WDT-100的冻土单轴试验机上进行的，试验机配备的有低温环境箱，温度波动范围误差控制在0.1℃。将试样分为3组，分别在-5、-10、-15℃的条件下恒温24 h后取出放入该试验机，采用应变控制法，应变速率为1%/min。计算机会在压缩过程中自动生成应力-应变曲线，待压缩至一定破坏程度时，试验机自动停止压缩。冻土单轴抗压强度试验结果见表2。

2 试验结果及分析

2.1 不同温度下的破坏形态及应力-应变关系

2.1.1 不同温度下的破坏形态

原状冻土与重塑人工冻土在不同温度下表现出不同的破坏形态[12]（图1）。

在-5℃时，试样无论是原状冻土还是重塑冻土大都呈现出腰鼓状的塑性破坏形态，但是原状冻土表面分布着许多明显的微小裂纹，而重塑土虽然也存在微小裂纹，但相比之下少很多，分析认为重塑人工冻土在重塑后导致结构性的破坏，导致其脆性比原状土弱，其破坏强度大都取决于土颗粒之间的连接。在-10℃的条件下，原状冻土大都发生明显的剪切破坏，土体发生明显的断面，断面较为平整且与轴向应力夹角呈35°～45°，此时由于冰的胶结作用的增大，原状冻土脆性较强，破坏时沿着土体内部微小裂痕及裂隙使其不断延展，连通形成断面。而重塑冻土在此温度下表面只存在微裂痕，没有明显断面。-15℃时原状冻土与重塑冻土都出现明显断面且与轴向应力夹角呈40°～55°，由于土体内的水进一步结冰，而冰晶的强度比较低，在压缩作用下容易发生破碎，使得冰晶与土颗粒之间发生划移，从而形成连通的破裂面。

表2 冻土单轴抗压强度试验结果

图1 在不同温度下表现出不同的破坏形态

2.1.2 不同温度下的应力-应变关系

不同温度下，冻3层原状与重塑冻土的应力应变曲线如图2。

图2 不同温度下冻3层原状与重塑冻土的应力应变曲线

由各温度下冻土的应力-应变曲线可知，3种温度下，在压缩时都会经历2个阶段，即线弹性阶段和非线性强化阶段，线弹性阶段应力应变曲线呈直线，弹性应变基本上在1.5%～4%之间，原状土的线弹性阶段比较重塑土的区间大。经历过非线性强化阶段后，-15℃下的冻土相较于-5℃与-10℃下应力应变曲线大都有明显的下降过程，表明在-15℃下，冻土表现为脆性破坏。-5℃与-10℃下没有明显的下降阶段，土体多为发生在中部的塑性破坏。

2.2 抗压强度和峰值应变及弹性模量与温度的关系

2.2.1 抗压强度和峰值应变与温度的关系

将应力应变曲线的峰值强度定义为抗压强度，与其对应的应变定义为峰值应变。分析发现3层冻土规律相近，故选取冻2层为研究对象，原状冻土与重塑冻土的单轴抗压强度及极限应变与温度的关系曲线如图3和图4。单轴抗压强度随温度的变化为折线形增长的状态，由于重塑土结构性遭到破坏，其抗压强度略低于原状土。原状土跟重塑土的折线几乎平行，说明温度对于原状冻土跟重塑冻土的影响程度是相似的。峰值应变随温度的变化情况有所不同，-10℃下冻土的极限应变最大，-15℃最小，原状冻土跟重塑冻土随温度的变化情况类似，但重塑土在3种温度下的峰值应变都大于原状土的峰值应变。

图3 单轴抗压强度随温度的变化关系

图4 峰值应变随温度的变化关系

通过回归分析，可用如下指数函数方程式描述冻土单轴抗压强度与温度的关系：

式中：σs为冻土抗压强度，MPa；θ为负温，℃；θ0为-1℃，无量纲化参考温度；a、b为参数，可由origin进行拟合分析得到。

式（1）中参数和的值见表3。

表3 式（1）中参数和的值

2.2.2 弹性模量与温度的关系

冻土的弹性模量的确定是依据单轴抗压强度的试验数据，取瞬时单轴抗压强度的1/2与其所对应的应变值的比值[13]：

式中：E为试样的弹性模量，MPa；σs为试样的瞬时单轴抗压强度，MPa；ε1/2为试样瞬时单轴抗压强度值的一半所对应的应变，%。

弹性模量随温度的变化关系如图5。由图5可知，无论是原状冻土还是重塑冻土的弹性模量随着温度的增高而增高，原状冻土比重塑冻土的弹性模量随温度增长快，说明温度对于原状土的弹性模量影响更大。

图5 弹性模量随温度的变化关系

通过回归分析发现不同温度下原状与重塑冻土弹性模量呈线性的关系[14]：

式中：E为试样的弹性模量，MPa；θ为负温，℃；θ0为-1 ℃，无量纲化参考温度；c、d为参数，可由 origin进行拟合分析得到。

式（3）中参数和的值见表4。

表4 式（3）中参数和的值

2.3 深度对不同温度下抗压强度比值的影响

为了分析深度对于原状冻土与重塑冻土抗压强度的影响，定义St为原状土与重塑土单轴抗压强度的比值：

式中：St为原状土与重塑土单轴抗压强度之比；σm为原状冻土的单轴抗压强度，MPa；σm′为重塑冻土的单轴抗压强度，MPa。

3种温度下不同深度冻土的抗压强度比值如图6，可见当温度为-5℃和-10℃时抗压强度受冻土深度的影响比较明显，而-15℃情况下3层冻土的抗压强度比值较为接近，说明当温度低到一定程度时，深度不再对抗压强度比值有所影响。从图6还可看出随着温度的降低，3种深度下重塑与原状冻土抗压强度比值逐渐接近于1，冻土抵抗破坏的能力主要取决于土骨架的强度、土颗粒之间的黏聚力、土体内冰晶的强度以及冰与土颗粒之间的黏聚力的影响[15]，而后2个因素主要取决于冰的含量。温度越低，土体中的冰含量就越高，由此可知，当温度达到一定程度时，重塑冻土颗粒中的冰晶对于其强度补强会使其抗压强接近于原状冻土的抗压强度。

图6 3种温度下的抗压强度比值

3 结论

1）原状冻土与重塑冻土单轴压缩试验中表现为不同的破坏形态，原状冻土在-5℃时呈现出腰鼓状的塑性破坏，-10℃与-15℃时都是出现明显裂痕的脆性剪切破坏，而重塑冻土在-5℃与-15℃下呈现出腰鼓状的塑性破坏，-15℃时则发生脆性破坏。

2）在同一温度下，原状冻土的抗压强度大于重塑土的抗压强度。无论是原状冻土还是重塑冻土，其单轴抗压强度都随着温度的降低而增强，而不同温度下的峰值应变，-10℃的峰值应变要大于-5℃与-15℃时的峰值应变。

3）随着温度的降低，原状与重塑冻结黏土的弹性模量逐渐增大，可以通过控制温度来增加或降低冻黏土的弹性模量，温度对于原状冻结黏土弹性模量的影响更大。

4）温度越低，深度对于冻结黏土原状与重塑的抗压强度比值的影响越小，重塑土的抗压强度也越来越接近于原状冻土的抗压强度。