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不同冻结温度下黄土三轴压缩力学性能试验

2024-06-03 67 上传者：管理员

摘要：准确掌握不同冻结温度下的黄土力学性能是人工冻结法设计过程中进行合理设计和安全施工的前提和必要条件。通过设计正交试验及统计拟合，研究了海测滩煤矿立井井筒处黄土冻土试样在不同冻结温度下的三轴压缩力学性能，分析了冻结温度对冻结黄土应力-应变曲线影响，对比了不同冻结温度下冻土内聚力及内摩擦角变化规律，并对立井井筒黄土基土在冻结过程中的内聚力及内摩擦角提出了基于冻结温度变化的预测模型。结果表明，冻结温度对黄土试样三轴压缩力学性质具有明显的影响，黄土试样粘聚力与冻结温度呈线性相关，随着冻结温度的降低而增大，内摩擦角与冻结温度呈指数关系，随着冻结温度的降低先增大，随后趋于稳定。

关键词：
三轴压缩
人工冻土
冻结法
力学性能
立井井筒
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冻结法凿井技术在我国广泛应用，是我国立井井筒穿厚冲积松散层的主要特殊施工方法[1]。井筒冻结工程中冻土力学参数是冻结壁设计和井筒开凿的依据[2],研究不同冻结温度下黄土三轴压缩力学性能是人工冻结法设计过程中进行合理设计和安全施工的前提和必要条件，具有重要的现实意义。

目前，对于人工冻土的物理力学性质，学者们进行了大量研究。例如，陈有亮、李海鹏等[3,4]针对3种典型上海饱和冻结软黏土，通过单轴抗压强度试验，分析了温度、应变速率、含水率及干密度等对其单轴抗压强度的影响；赵晓东、马巍、孙星亮等[5,6,7]采用三轴压缩试验研究了不同温度梯度下冻土破坏形态以及温度梯度、围压对冻土强度的影响特征。三轴抗压强度是人工冻土主要物理力学性质之一，是掌握人工冻土物理力学性质的重要方法[8,9,10]。

陕西省榆林市靖边县海测滩煤矿矿井立井井筒自地表向下赋存有黄土层，拟采用冻结法凿井技术进行井筒开挖，而有效掌握水热变化对冻土抗折强度影响特征对冻结参数的设计具有重要意义。因此，以海测滩煤矿立井井筒处黄土为基础，开展不同冻结温度下黄土冻土三轴压缩力学特性研究。

1、冻土试样制备及试验方法

1.1 试验材料

海测滩煤矿位于国家规划的陕北侏罗纪煤田榆横矿区(南区),行政区划隶属榆林市靖边县海则滩镇、黄蒿界镇管辖，矿井井田地处毛乌素沙漠东南缘与陕北黄土高原接壤地带，地表全部被第四系松散沉积物覆盖，区内主要为黄土丘陵、沙丘、河谷和滩地地貌。由于矿井揭露砂、土层厚度较大且含水层富水性较强，矿井考虑采用冻结法进行立井井筒施工，为了向立井井筒冻结法施工设计提供依据，采用正交试验设计研究不同冻结温度下黄土三轴压缩力学性能变化特征。试验用基土取自矿井一号回风立井井筒处，取样点距井筒距离20 m, 一号回风立井井筒处自地表向下依次为风积沙、黄土、岩层，其中黄土赋存于地表下25.70 m处，黄土层厚30.20 m, 该黄土层岩性为浅褐-土黄色砂质黏土夹棕色薄层状亚黏土，属散体结构，含水率8.8%～28.7%,湿度属于稍湿-湿；孔隙比0.506～0.848,为密实-稍密；不均匀系数为16.50～36.00,级配不均匀；自由膨胀率8%～20%,膨胀性弱，如图1所示。

图1 取样地点及其地质剖面图

1.2 试样制备

黄土冻土试样采用直径50 mm, 高100 mm的标准圆柱体土样，如图2所示。黄土从井筒钻孔取出后，将其破碎，过2 mm土工筛，去除土中杂质。筛过的土样在105 ℃下烘8 h以上。待土样冷却后，加入所需含水率的水，搅拌均匀，放置24 h。清洗模具，把土样分次均匀放入模具击实。制备好的土样和模具一起在-10 ℃冻结8 h后取出，在脱模机上快速脱模；最后再试验温度下冻结48 h后，即可用于试验。

1.3 试验方案

为研究不同冻结温度及围压对冻结黄土力学性能的影响。本试验制备了在-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃温度下冻结的冻土试样分别在围压0.6 MPa、1.6 MPa、2.6 MPa围压下进行三轴压缩力学试验，研究温度和围压对冻土试样力学性能的影响。每组试验制备3个土样，通过MTS816岩石力学试验系统对冻结黄土进行三轴加载试验，试验系统轴向最大载荷为1 950 kN,最大围压为137 MPa, 试样的环向变形和轴向变形分别采用链式引伸计和轴向引伸计进行测量，量程均为-10.0～6.5 mm。得出不同冻土试样应力应变曲线，并计算不同冻结温度下黄土试样内聚力及内摩擦角，试验方案见表1。

图2 黄土冻土试样制作

表1 水热变化冻土抗折强度试验方案

试验采用荷载-位移混合控制的加载方式，试验开始时以3 MPa/min加载速率施加静水压力至设定值，设定值分别为0.6 MPa、1.6 MPa、2.6 MPa。围压达到设定值后采用轴向位移控制，以0.12 mm/min 轴向加载速率至试样完全破坏。

2、压缩试验结果及分析

根据试验方案得到不同冻结温度下冻结黄土在不同温度下的强度，并计算得到不同冻结温度下黄土粘聚力及内摩擦角，见表2。

表2 冻土三轴压缩强度试验结果

2.1 应力-应变曲线分析

根据试验方案得到不同围压下冻土试样应力-应变曲线，如图3所示。

图3 -10 ℃冻结温度下黄土试样三轴压缩应力-应变曲线

由图3可知，不同围压下3组试样的应力-应变曲线趋于一致，3组试样均表现出明显的压胀特性，随着应力差σ1-σ3的增大，应变增长速率逐渐降低，并逐渐趋于稳定，试样达到峰值后稳定，应力不会出现跌落，保持稳定的抗压强度，表现出应变硬化形态。偏应力作用下，压密阶段变形随着应力的增大逐渐减小，直至消失；在压缩后期，表现随着持续压缩，应力逐渐稳定。不同围压下，随着围压的增大，试样的抗变形能力逐渐增大，分析其原因为，随着围压的增大，试样内部结构发生调整，颗粒间接触更加紧实，试样力学特性得到强化，从而提高了试样的抗变形能力。同时，在低围压下当应力达到一定值时，随着轴向压缩，横向变形随之增大，应力趋于稳定；而随着围压的增大，受环形应力约束，随着轴向应变增大，环向应变减小，从而提升试样的抗变形能力，抗压强度缓慢增大。

三轴压缩下试样变形破坏如图4所示。可知，试样在三轴压缩下，冻土试样压胀明显。随着试样的压缩，试样首先表现为环向膨胀，当压缩至一定程度后，在试样底部由于试样的压密硬化，逐渐出现剪切裂纹。该剪切破坏是由于试样内部颗粒被压密紧实，不再向环向膨胀，在其内部出现胶结颗粒滑移，从而产生不规则裂缝。

图4 -10 ℃冻结温度下试样破坏图

2.2 冻结温度对井筒基土三轴压缩强度的影响

图5为围压2.6 MPa时不同冻结温度下冻土试样三轴压缩应力-应变曲线，可以看出冻结温度对冻土力学性质具有明显的影响。随着冻结温度的降低，试样在三轴压缩条件下其力学特性具有明显的提升，相同应变下，试样表现出更高的抗压能力。分析可知，低温环境下，黄土中的水转化成冰晶，冰晶与土颗粒间的粘结力增强，其抗压强度增大。随着温度的降低，试样中冰结晶增多，土颗粒间粘结力增强，三轴抗压强度提高，试样刚度增大。

图5 不同冻结温度下试样应力-应变曲线

摩尔强度理论[11,12,13]在工程实践中具有较广泛的应用，能够较为全面的反应岩土体的强度特征，通过粘聚力、内摩擦角两个参数可以反映冻土试样抗剪强度高度，其中内摩擦角反应土体颗粒间的移动摩擦和咬合摩擦作用，粘聚力反应颗粒间的各种物理化学作用。通过绘制摩尔强度包络线，计算得到不同冻结温度下试样粘聚力与内摩擦角，冻结温度为-5 ℃时，试样粘聚力与内摩擦角分别为0.558 MPa、19.86°;冻结温度为-10 ℃时，分别为0.836 MPa、24.79°;冻结温度为-15 ℃时，分别为1.095 MPa、24.75°。对不同冻结温度下试样粘聚力与内摩擦角进行统计分析，绘制不同温度下粘聚力与内摩擦角拟合曲线，如图6、图7所示。

通过统计分析可知，冻土试样的粘聚力、内摩擦角与冻结温度具有明显的相关性，通过拟合可得到冻土试样的粘聚力与内摩擦角与冻结温度的关系分别为

c=0.284 56-0.054 33T,R2=0.995 (1)

式中，c为冻土的粘聚力，MPa; φ为冻土的内摩擦角，(°);T为冻土的冻结温度，℃。

通过对冻土试样粘聚力、内摩擦角与冻结温度的拟合可知，试样粘聚力与冻结温度呈明显的线性相关，冻结温度越低，试样粘聚力越高。分析其原因为，在较低温度下，试样中水结晶数量增多，使试样内土颗粒间粘结力加强，从而使试样表现出更高的粘聚力。试样内摩擦角与冻结温度呈指数关系，在温度较高时，随着温度的降低，土体间内摩擦角迅速升高，而当冻结温度降低至一定值时，土体间内摩擦角趋于稳定，其原因为随着温度的降低，土体孔隙-裂隙中的水分冻结越加充分，增加了土体中的含冰率，在初始阶段，含冰率的增加，使土颗粒间更为密实，从而表现出内摩擦角增大趋势，而当冻结温度至一定值时，此时含冰率亦达到极限，随着温度的继续降低，含冰率趋于稳定，因此试样的内摩擦角亦不再继续增大。

图6 不同冻结温度冻土试样粘聚力拟合曲线

图7 不同温度冻土试样内摩擦角拟合曲线

3、结语

通过对海测滩煤矿立井井筒处黄土进行取样、制样，测试了不同冻结温度下黄土试样进行三轴抗压强度。结合摩尔强度理论，获得了不同冻结温度试样粘聚力与内摩擦角，分析了冻结温度对试样三轴压缩力学性质的影响。结果表明，黄土试样粘聚力与冻结温度呈线性相关，随着冻结温度的降低而增大；内摩擦角与冻结温度呈指数关系，随着冻结温度的降低先增大，随后趋于稳定。

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