皖北礦區深土凍土力學性能試驗研究

許影 黃偉 邱小文

摘 要 對礦區典型土層凍土力學性能進行試驗研究，通過對數據的分析。得到不同土性單軸抗壓強度差別很大。同一溫度下的單軸抗壓強度中細砂的甚至能達到黏土的2倍以上等結果。

關鍵詞 凍結法；深土凍土；力學性質

1 概述

凍結法是利用人工制冷技術，使地層中的水結冰，把天然巖土變成凍土，增加其強度、隔絕地下水，以便在凍結壁的保護下進行施工的特殊施工技術。皖北礦區是我國南方最大的煤炭生產基地，凍結法鑿井的應用的十分廣泛。凍結法鑿井的關鍵是形成可靠的凍結壁，凍結壁設計的關鍵參數是凍土的單軸抗壓強度等力學性質，因而開展凍土的力學性能研究是十分必要的[1]。

2 試驗方案

皖北礦區某礦，設計生產能力為年產量400萬噸，采用凍結法施工。根據井筒檢查孔，鉆探土層情況選取3組典型土層進行試驗研究。

3 力學性能試驗

本次試驗進行3個溫度水平（-5℃，-10℃，-15℃），每個水平選取3-5個試樣試驗。包括：凍土單軸抗壓強度和凍土彈性模量試驗。按照中華人民共和國煤炭部行業標準《人工凍土物理力學性能試驗》（MT/T593.4—1996）規程進行[2]。

3.1 單軸抗壓強度試驗

凍土單軸抗壓強度是設計部門進行凍結壁設計的主要參數。試驗結果見表2。

由試驗結果可見：

a.總體上隨著溫度的降低，凍土單軸抗壓強度增大。溫度每下降一度，凍土單軸抗壓強度平均約增大0.4MPa～0.6MPa。

b.同一土性，凍結溫度越低，單軸抗壓強度越大。這種影響中細砂>砂質黏土>黏土。

c.同一溫度，凍土單軸抗壓強度：中細砂>砂質黏土>黏土。同溫下的單軸抗壓強度，中細砂的甚至能達到粘土的2倍以上。

3.2 凍土彈性模量

凍土彈性模量確定方法，常按凍土單軸瞬時抗壓強度試驗一致，并取瞬時抗壓強度（σs）的一半與其所對應的應變值（ε1/2）的比值，也可以根據應力-應變關系曲線獲得。試驗結果見表3。

由試驗結果可見：

a.凍土彈性模量總體上隨溫度的降低而增大。其中黏土中局部含砂，彈模的變化率范圍較大，砂質黏土彈模的變化率約為5～20MPa/℃。

b.由于單層厚度較小，且土性分布極不均勻，因此該類地層的試驗結果離散較大。

4 結論及建議

a. 凍結溫度和土層性質是凍土單軸抗壓強度的主要影響因素。在凍結法施工中要合理選擇凍結溫度和凍結壁開挖溫度。

b. 同一土性隨著凍結溫度的降低，凍土單軸抗壓強度增大，并近似呈線性關系。同一溫度，不同土性單軸抗壓強度差別很大。

c. 凍土的彈性模量與凍結溫度和土層性質的影響，與單軸抗壓強度與凍結溫度和土層性質的關系非常相識。

參考文獻：

[1] 林斌，汪仁和等.淮南礦區典型凍土力學性能實驗研究[J].西安科技學院學報.2003， 23（4）： 389-393.

[2] 馬嵬，王大雁.深土凍土力學研究現狀與思考[J].巖土工程學報，2012，34（6）：1123-1129.