原狀與重塑凍結(jié)黏土單軸抗壓對(duì)比試驗(yàn)

陳士威，林 斌

（安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

近幾年，隨著我國(guó)煤炭資源的開采需求量逐漸增高，煤礦開采深度也在日趨加深。在煤礦開挖的施工過程中，凍結(jié)法施工是現(xiàn)代最常見的工程技術(shù)之一，從而使凍土的物理力學(xué)性質(zhì)成為影響煤炭開采的制約性因素[1]。近些年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于凍土的研究逐漸深入。俄羅斯凍土力學(xué)的開創(chuàng)者崔托維奇[2]最先對(duì)凍土做了系統(tǒng)的研究，他在不同溫度下對(duì)凍結(jié)砂土做了單軸壓縮試驗(yàn)，總結(jié)得出凍結(jié)砂土的強(qiáng)度隨著溫度和不同加載速率的變化規(guī)律；陳湘生[3]、李洪升[4]、馬芹永[5]等先后通過研究發(fā)現(xiàn)，凍土的強(qiáng)度受溫度、含水率等多種因素的影響;劉增麗[6]、張小鵬[7]對(duì)原位凍結(jié)黏土進(jìn)行了單軸試驗(yàn)，分析研究了原位凍結(jié)黏土單軸壓縮時(shí)的破壞特征；李海鵬[8]、尹珍珍[9]等人通過對(duì)凍結(jié)粉土及凍結(jié)黏土的單軸抗壓試驗(yàn)，建立了考慮溫度、含水率干密度等因素的強(qiáng)度模型;齊吉琳、馬巍[10]對(duì)凍土的力學(xué)性質(zhì)及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)凍土研究的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了歸納與總結(jié)。不難發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于原狀凍土與重塑凍土的對(duì)比研究較少，由于技術(shù)條件的限制，在地下深處獲取原狀土試樣往往比較困難，工程上就常用重塑凍土的力學(xué)指標(biāo)來代替原狀凍土力學(xué)指標(biāo)來進(jìn)行凍結(jié)井壁的設(shè)計(jì)，這顯然是不太合理的。這就需要學(xué)者們?cè)诓煌矫鎸?duì)這2種凍土進(jìn)行對(duì)比研究并進(jìn)行分析。某礦不同深度下的原狀與重塑人工凍結(jié)黏土進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)分析可對(duì)礦井建設(shè)提供有價(jià)值的參考。

1 試樣的制備及試驗(yàn)方法

1.1 試樣的制備

研究選用的是某礦地下30～200 m下分為3層的黏土，凍土的含水率及取樣深度見表1。在試驗(yàn)之前，將土樣制成φ50 mm×100 mm的圓柱體試樣，要求端面修理平整，選取3個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)，取其平均值保證直徑誤差不超過1 mm，兩端面長(zhǎng)度誤差不超過0.5 mm。試驗(yàn)總共27個(gè)試樣，其中原狀土9個(gè)，重塑土18個(gè)。重塑土樣采用分層擊實(shí)法進(jìn)行重塑[11]，將土放入標(biāo)準(zhǔn)模具中分5次擊實(shí)，在模具的內(nèi)壁涂適量凡士林，用以減少模具與土樣之間的摩擦力，而且便于拆卸。將制好的土樣用塑料袋扎緊放入冰箱內(nèi)恒溫24 h。

表1 凍土的含水率及取樣深度

1.2 試驗(yàn)方法

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是在WDT-100的凍土單軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，試驗(yàn)機(jī)配備的有低溫環(huán)境箱，溫度波動(dòng)范圍誤差控制在0.1℃。將試樣分為3組，分別在-5、-10、-15℃的條件下恒溫24 h后取出放入該試驗(yàn)機(jī)，采用應(yīng)變控制法，應(yīng)變速率為1%/min。計(jì)算機(jī)會(huì)在壓縮過程中自動(dòng)生成應(yīng)力-應(yīng)變曲線，待壓縮至一定破壞程度時(shí)，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止壓縮。凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同溫度下的破壞形態(tài)及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.1.1 不同溫度下的破壞形態(tài)

原狀凍土與重塑人工凍土在不同溫度下表現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)[12]（圖1）。

在-5℃時(shí)，試樣無論是原狀凍土還是重塑凍土大都呈現(xiàn)出腰鼓狀的塑性破壞形態(tài)，但是原狀凍土表面分布著許多明顯的微小裂紋，而重塑土雖然也存在微小裂紋，但相比之下少很多，分析認(rèn)為重塑人工凍土在重塑后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性的破壞，導(dǎo)致其脆性比原狀土弱，其破壞強(qiáng)度大都取決于土顆粒之間的連接。在-10℃的條件下，原狀凍土大都發(fā)生明顯的剪切破壞，土體發(fā)生明顯的斷面，斷面較為平整且與軸向應(yīng)力夾角呈35°～45°，此時(shí)由于冰的膠結(jié)作用的增大，原狀凍土脆性較強(qiáng)，破壞時(shí)沿著土體內(nèi)部微小裂痕及裂隙使其不斷延展，連通形成斷面。而重塑凍土在此溫度下表面只存在微裂痕，沒有明顯斷面。-15℃時(shí)原狀凍土與重塑凍土都出現(xiàn)明顯斷面且與軸向應(yīng)力夾角呈40°～55°，由于土體內(nèi)的水進(jìn)一步結(jié)冰，而冰晶的強(qiáng)度比較低，在壓縮作用下容易發(fā)生破碎，使得冰晶與土顆粒之間發(fā)生劃移，從而形成連通的破裂面。

表2 凍土單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 在不同溫度下表現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)

2.1.2 不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

不同溫度下，凍3層原狀與重塑凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2。

圖2 不同溫度下凍3層原狀與重塑凍土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

由各溫度下凍土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，3種溫度下，在壓縮時(shí)都會(huì)經(jīng)歷2個(gè)階段，即線彈性階段和非線性強(qiáng)化階段，線彈性階段應(yīng)力應(yīng)變曲線呈直線，彈性應(yīng)變基本上在1.5%～4%之間，原狀土的線彈性階段比較重塑土的區(qū)間大。經(jīng)歷過非線性強(qiáng)化階段后，-15℃下的凍土相較于-5℃與-10℃下應(yīng)力應(yīng)變曲線大都有明顯的下降過程，表明在-15℃下，凍土表現(xiàn)為脆性破壞。-5℃與-10℃下沒有明顯的下降階段，土體多為發(fā)生在中部的塑性破壞。

2.2 抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變及彈性模量與溫度的關(guān)系

2.2.1 抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系

將應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值強(qiáng)度定義為抗壓強(qiáng)度，與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變定義為峰值應(yīng)變。分析發(fā)現(xiàn)3層凍土規(guī)律相近，故選取凍2層為研究對(duì)象，原狀凍土與重塑凍土的單軸抗壓強(qiáng)度及極限應(yīng)變與溫度的關(guān)系曲線如圖3和圖4。單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化為折線形增長(zhǎng)的狀態(tài)，由于重塑土結(jié)構(gòu)性遭到破壞，其抗壓強(qiáng)度略低于原狀土。原狀土跟重塑土的折線幾乎平行，說明溫度對(duì)于原狀凍土跟重塑凍土的影響程度是相似的。峰值應(yīng)變隨溫度的變化情況有所不同，-10℃下凍土的極限應(yīng)變最大，-15℃最小，原狀凍土跟重塑凍土隨溫度的變化情況類似，但重塑土在3種溫度下的峰值應(yīng)變都大于原狀土的峰值應(yīng)變。

圖3 單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系

圖4 峰值應(yīng)變隨溫度的變化關(guān)系

通過回歸分析，可用如下指數(shù)函數(shù)方程式描述凍土單軸抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系：

式中：σs為凍土抗壓強(qiáng)度，MPa；θ為負(fù)溫，℃；θ0為-1℃，無量綱化參考溫度；a、b為參數(shù)，可由origin進(jìn)行擬合分析得到。

式（1）中參數(shù)和的值見表3。

表3 式（1）中參數(shù)和的值

2.2.2 彈性模量與溫度的關(guān)系

凍土的彈性模量的確定是依據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取瞬時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度的1/2與其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值的比值[13]：

式中：E為試樣的彈性模量，MPa；σs為試樣的瞬時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；ε1/2為試樣瞬時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度值的一半所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，%。

彈性模量隨溫度的變化關(guān)系如圖5。由圖5可知，無論是原狀凍土還是重塑凍土的彈性模量隨著溫度的增高而增高，原狀凍土比重塑凍土的彈性模量隨溫度增長(zhǎng)快，說明溫度對(duì)于原狀土的彈性模量影響更大。

圖5 彈性模量隨溫度的變化關(guān)系

通過回歸分析發(fā)現(xiàn)不同溫度下原狀與重塑凍土彈性模量呈線性的關(guān)系[14]：

式中：E為試樣的彈性模量，MPa；θ為負(fù)溫，℃；θ0為-1 ℃，無量綱化參考溫度；c、d為參數(shù)，可由 origin進(jìn)行擬合分析得到。

式（3）中參數(shù)和的值見表4。

表4 式（3）中參數(shù)和的值

2.3 深度對(duì)不同溫度下抗壓強(qiáng)度比值的影響

為了分析深度對(duì)于原狀凍土與重塑凍土抗壓強(qiáng)度的影響，定義St為原狀土與重塑土單軸抗壓強(qiáng)度的比值：

式中：St為原狀土與重塑土單軸抗壓強(qiáng)度之比；σm為原狀凍土的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；σm′為重塑凍土的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

3種溫度下不同深度凍土的抗壓強(qiáng)度比值如圖6，可見當(dāng)溫度為-5℃和-10℃時(shí)抗壓強(qiáng)度受凍土深度的影響比較明顯，而-15℃情況下3層凍土的抗壓強(qiáng)度比值較為接近，說明當(dāng)溫度低到一定程度時(shí)，深度不再對(duì)抗壓強(qiáng)度比值有所影響。從圖6還可看出隨著溫度的降低，3種深度下重塑與原狀凍土抗壓強(qiáng)度比值逐漸接近于1，凍土抵抗破壞的能力主要取決于土骨架的強(qiáng)度、土顆粒之間的黏聚力、土體內(nèi)冰晶的強(qiáng)度以及冰與土顆粒之間的黏聚力的影響[15]，而后2個(gè)因素主要取決于冰的含量。溫度越低，土體中的冰含量就越高，由此可知，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，重塑凍土顆粒中的冰晶對(duì)于其強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)會(huì)使其抗壓強(qiáng)接近于原狀凍土的抗壓強(qiáng)度。

圖6 3種溫度下的抗壓強(qiáng)度比值

3 結(jié)論

1）原狀凍土與重塑凍土單軸壓縮試驗(yàn)中表現(xiàn)為不同的破壞形態(tài)，原狀凍土在-5℃時(shí)呈現(xiàn)出腰鼓狀的塑性破壞，-10℃與-15℃時(shí)都是出現(xiàn)明顯裂痕的脆性剪切破壞，而重塑凍土在-5℃與-15℃下呈現(xiàn)出腰鼓狀的塑性破壞，-15℃時(shí)則發(fā)生脆性破壞。

2）在同一溫度下，原狀凍土的抗壓強(qiáng)度大于重塑土的抗壓強(qiáng)度。無論是原狀凍土還是重塑凍土，其單軸抗壓強(qiáng)度都隨著溫度的降低而增強(qiáng)，而不同溫度下的峰值應(yīng)變，-10℃的峰值應(yīng)變要大于-5℃與-15℃時(shí)的峰值應(yīng)變。

3）隨著溫度的降低，原狀與重塑凍結(jié)黏土的彈性模量逐漸增大，可以通過控制溫度來增加或降低凍黏土的彈性模量，溫度對(duì)于原狀凍結(jié)黏土彈性模量的影響更大。

4）溫度越低，深度對(duì)于凍結(jié)黏土原狀與重塑的抗壓強(qiáng)度比值的影響越小，重塑土的抗壓強(qiáng)度也越來越接近于原狀凍土的抗壓強(qiáng)度。