紅七礦副井凍土三軸抗剪強度試驗研究

白麗萍

(甘肅省投置業集團有限公司,甘肅 蘭州 730030)

0 引言

在礦井建設中,常采用凍結法鑿井,通過人工制冷方法加固周圍巖土體,形成具有一定承載能力的凍結井壁。由于土在冷凍作用下力學性質會發生改變,進而帶來一系列工程問題,尤其在我國西部地區的煤炭開采中,通過凍結法施工井筒必然需要對凍土性質開展研究。而抗剪強度是反映土體抗剪切滑動能力的重要指標,如果周圍載荷過大,超過巖土體抗剪強度后,將使土體遭到破壞進而出現地基、邊坡失穩失衡等工程問題,因此,研究黃土層在冰凍狀態下的抗剪強度對施工和維護井筒安全具有重要的現實價值。

在工程設計、施工中經常涉及巖石強度等參數的確定和校核工作[1],通常采用三軸試驗的方法進行,該方法能夠獲取準確力學參數,對解決巖土理論和工程實踐問題必不可少[2-3]。許多學者研究了三軸壓縮條件下不同巖石的強度特性,形成了豐富的研究成果[4-6]。如Coulomb—Navier準則認為巖石的破壞主要是剪切破壞,Mohr準則闡明了破壞是發生在巖石內某個面上的剪切破壞,其莫爾包絡線能夠完整地表征巖石在任一應力狀態下的強度特性[7]。礦山開采過程中常常需要研究巖石在三向應力狀態下的力學性質,如井筒施工過程中的凍土強度研究可以采用該準則進行研究和分析[8-9]。

1 試樣設計

對紅七礦副井進行現場取樣,5 組樣品對應的層位、深度見表1。

表1 取樣層位、深度及巖性

科學的取樣方法和制作試樣形狀對獲取抗剪強度起著關鍵作用。圓形試樣在各剪切方向上結構面邊緣形貌一般不會發生改變,也減少了制作試樣的方向性偏差,具有明顯優勢。具體制樣方法如下。

(1)制作5 組直徑為50 mm、高度為100 mm的圓柱形試樣,試樣最小尺寸不小于土樣中最大顆粒粒徑的10倍。

(2)試樣的外形尺寸誤差不超過1.0%,圓柱形兩端面平行度小于0.5 mm。

(3)在負溫實驗室內,分清試樣上下層次后,將試樣修整成設計形狀,即可用于試驗。

(4)試樣制作過程中記錄其層位、顏色、雜質、土質是否均勻,并觀察其有無裂縫。

2 三軸抗剪強度理論模型

2.1 庫侖準則

根據庫侖強度理論,在圍壓較小時,通過三軸壓縮實驗可知凍土滿足式(1)時將發生剪切破壞,其三軸抗剪強度與圍壓將呈線性關系[10-12]。

式中,τ為巖石試樣的剪應力強度,MPa;C為黏結力,MPa;φ為內摩擦角,(°);σ為破壞面上的正應力,MPa。

剪切面上的正應力和剪應力可分別由應力圓表征,當應力圓與式(1)對應的直線相切時,將發生破壞。

結合應力轉換方程,將τ和σ用主應力σ1、σ2、σ3表示,即可得到:

式中,θ為破壞角,(°)。

由式(1)、式(2)、式(3)可得到由主應力表示的庫侖準則,即

2.2 結構面的強度效應

土體受壓破裂后,將形成不同形態的裂隙和破裂面,進而在其內部形成縱橫交錯且不規則的結構面,如節理面,節理面的形態特征最終會影響土體的抗剪強度。結構面抗剪強度具有各向異性,直接影響著土體力學性質和其變形失穩規律。

由式(1)至式(3)可得,沿結構面產生剪切破壞的條件為:

整理后可得:

作用在凍土上的壓力滿足式(6)時,結構面上的應力處于極限平衡狀態。且當時,σ1→∞;當θ=φ時,σ1→∞;也就是說在這種條件下,凍土試件不可能沿結構面破壞。但由于σ1不可能達到無窮大,因此,在該條件下,將沿凍土試件內的某一方向發生破壞。

對式(6)的θ求導并令其一階導數為0,即可得到σ1取最小值的條件為:

將式(7)代入式(6),可得:

在此條件下,莫爾圓與結構面的強度包絡線相切。當凍土試件沿某一方向破壞時,試件破壞面與σ1的夾角為,試件的強度為:

3 試驗方法及指標參數

3.1 試驗方法

(1)試樣處理。制作直徑為50 mm、高度為100 mm 的圓柱體試件并固結,凍結至設計溫度后,恒溫至少24 h再進行剪切試驗。

(2)在－10℃和－15℃條件下,設定軸向應變速率為0.08 mm/min。

(3)同一組試樣分別加載3 MPa、4 MPa和5 MPa三種不同的圍壓,以獲得三軸剪切強度變化規律。

為了滿足凍結法鑿井設計和施工的需要,對試樣進行－10℃和－15℃下的三軸剪切強度測試,測試過程中的載荷和數據采集模式為全自動方式。

3.2 三軸剪切指標參數

不同凍土層三軸剪切指標參數見表2。

表2 三軸剪切指標參數

3.3 試驗結果

5組試樣所對應的主應力σ1與σ3的強度準則關系如圖1所示。

圖1 主應力σ1 與σ3 的關系

由表2和圖1可得到以下結論。

(1)5組凍土試樣的三軸抗剪強度與圍壓呈現出正相關關系,即隨著圍壓的增加,抗剪強度增加。凍土作為溫敏材料,其物理性質容易受到溫度的影響,因此,研究凍土性質時首先應該分析溫度對其產生的影響。該試驗在－10℃和－15℃條件下,凍土試樣的三軸剪切強度隨著溫度的降低而明顯增大,也就是說,溫度越低,凍土試樣的剪切強度越大。因為溫度降低時,土體粒子間的液體自由水及部分弱結合水變為固態冰,使土體顆粒黏結為更緊密的整體,提升了土體的抗剪強度。

(2)三軸抗剪強度主要取決于內聚力和內摩擦角,而內摩擦角、內聚力均與溫度呈現負相關關系。

(3)施加的圍壓越大,土體越被嚴密壓實,土體顆粒之間的相互咬合力、摩擦力更大,致使凍土的抗剪強度增加。

3.4 莫爾強度包絡線

莫爾強度理論能夠較為全面地解釋塑性或脆性巖石的強度特征,在工程實踐中廣泛應用。莫爾強度理論在土體抗剪強度研究中應用廣泛,通過內聚力和內摩擦角兩個參數反映抗剪強度的高低。內摩擦角反映土體顆粒間的移動摩擦和咬合摩擦作用,內聚力主要反映顆粒間的各種物理化學作用力。凍土抗剪性質受到多因素耦合影響,在復雜應力狀態下,可通過在τσ平面上作出某點的莫爾應力圓來判斷凍土材料內某點是否發生破壞。如果應力圓在莫爾包絡線以內,則說明該點沒有破壞;如果應力圓與莫爾包絡線相切,則說明在該點處的剪切應力與該點對應面上的抗剪強度相等,即將開始破壞;如果應力圓與包絡線相割,說明已經破壞。在三軸壓縮狀態下的應力圓包絡線與反映試件應力狀態的莫爾圓耦合疊加,可以判斷巖石中某點是否發生剪切破壞。如果某研究點對應的應力圓與包絡線相切或相割,則該點將產生破壞;如果應力圓位于包絡線下方,則該點不會被破壞[13-14]。5組試樣在－10℃和－15℃條件下的包絡線如圖2所示。

圖2 凍土不同溫度的破壞包絡線

由圖2可以看出,三軸抗剪強度指標由土體顆粒間發生相對滑動而產生的內摩擦力和土粒之間膠結作用產生的內聚力確定,凍土抗剪強度越大,則發生變形和破壞時所具有的抵抗剪切破壞的極限程度也就越高。凍土的內摩擦角隨著溫度降低而降低,抗剪強度隨著凍結溫度的降低而升高,這是因為凍結溫度越低,土體孔隙-裂隙網絡中的水分凍結就越充分,增加了土體的含冰率,對土體骨架體系起到“加筋”作用,提高了凍土的抗剪強度。在凍土的內聚力和內摩擦角參數一定時,不同溫度凍土的抗剪強度不同,因此,采用凍結法施工時,應根據溫度變化和抗剪強度指標來選擇合理的施工參數。

4 結論

在理論分析三軸抗剪強度模型的基礎上,對紅七礦副井凍土層進行現場取樣、制樣,設定了－10℃和－15℃兩個試驗溫度,利用三軸壓縮設備完成了凍土試樣的三軸抗剪強度試驗,研究并繪制了莫爾強度包絡線。試驗結果證實,凍土試樣的三軸剪切強度隨著溫度的降低而明顯增大,內摩擦角、內聚力均與溫度呈負相關關系。