淮南钙质粘土单轴抗压强度试验研究

钟 磊， 钟晶晶

（1．合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2．安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

二十世纪三十年代，俄罗斯冻土学开创者－崔托维奇在各种不同温度条件下开展了亚粘土和砂土冻土试验，得出结论:随着试验温度的降低，冻结强度呈现非线性规律增大，并逐渐衰减；而在不同试验温度下，沙质土和粘性土的强度具有不同比值的特点［1］。之后许多国外著名学者如Ladanyi［2］、Valor［3］等也进行了关于冻土学这方面的探讨。含盐土层对冻结土力学性质影响研究上，国外学者Beggar对含盐多年的冻土区桩基和多种冻结盐渍土进行了力学特性试验，分析得出在含盐量影响下的应力－应变公式中，应力指数是一个变量，并给出了部分含盐量参考值［4］。

近年来，随着人工冻结法凿井深度的增加，冻结管的断管事故时有发生，主要存在井帮位移大，冻结管断裂，工作面底鼓等问题。目前国内对深土冻土的研究基本以砂土和粉土为研究对象，而本工程杨村矿是钙质粘土，很少有人对此课题开展研究，其理论方面的研究还有不少空白，为了了解由于冻结管的断裂后导致冻结液的渗漏对周边土层的影响，本文以淮南杨村矿钙质粘土为研究对象，对淮南杨村煤矿副井井筒的典型土层钙质粘土在低温条件下的力学特性开展实验研究。

1 冻土单轴抗压强度试验

1．1 试样制备

根据试验目的，本次试验进行含盐钙质粘土在－5℃、－10℃、－15℃和－20℃四个温度水平下的人工冻土单轴抗压强度试验。在每一负温条件下，进行4%、4．5%、5%、5．5%4个不同含盐量试件的抗压试验。

1．2 试验仪器

WDT－100微机控制冻土压力试验机，主要由加载系统、低温控制系统、触摸板操作系统、数据采集系统、微机系统等部分构成［5］（见图1－2）。实验结束条件:⑴实验力下降20．0%；⑵力峰值后，应变增加3．0%；⑶应变大于20．0%。软件的操作界面如图1－2。

图1 WDT－100型冻土试验机外观

图2 计算机控制系统示意图

2 含盐量下冻土单轴抗压强度试验结果与分析

2．1 应力－应变曲线

图3～图6为22．62%水不同盐度、不同温度条件下，人工冻结粘土的单轴应力应变曲线。人工冻结后冻结强度在1．0～2．04MPa之间。冻土的应力－应变关系均呈应变软化特征。

图3 22．62%水5．5%盐不同温度应力应变图

图4 22．62%水5%盐不同温度应力应变图

图5 22．62%水4．5%盐不同温度应力应变图

图6 22．62%水4%盐不同温度应力应变图

2．2 含盐量对抗压强度的影响

表1 不同温度不同含盐量下土的单轴抗压强度（MPa）

图7 22．62%水重塑土下的不同温度下单轴抗压强度与含盐量关系

冻土单轴抗压强度与含盐量的关系可用函数关系式（1）表示:

式中:σ为冻土强度（MPa）；X为土的含盐量（%）；a、b为试验系数。

根据表1的数据按照公式（1）进行线性回归分析，冻土单轴抗压与含盐量的关系，具有线性规律［6］。4种温度下强度与含盐量之间关系式与相关系数见表2。

表2给出了4种温度下强度与含盐量之间关系式与相关系数。

表2 单轴抗压强度与含盐量的关系

图7为22．62%水重塑钙质粘土在－5℃、－10℃、－15℃、－20℃温度下单轴抗压强度随含盐量变化，由图可见4%含盐量的冻土强度在1．4～2．1MPa，到4．5%含盐量的冻土强度在1．2～1．9 MPa，比4%含盐量时减小1．1～1．16倍；5%含盐量的冻土强度在1．0～1．7MPa，比4．5%含盐量时减小1．11～1．2倍；5．5%含盐量的冻土强度在1．0～1．3MPa，比5%含盐量时减小1．0～1．31倍。

3 冻土的弹性模量

冻土弹性模量的确定:在工程中常采用的方法是取冻土单轴抗压强度（σs）的一半与其所对应的应变值（ε1／2）的比值，即E＝（σs／2）／ε1／2。通过对冻结钙质粘土试样应力应变曲线的分析，得出了冻结粘土弹性模量，弹性模量与温度的关系见图8。弹性模量与温度的关系可以近似用一元一次函数进行拟合回归。表3为依据试验数据用线性函数拟合得到的冻土弹性模量E与温度T的关系式。

表3 弹性模量与温度的关系

图8 弹性模量与温度的关系

弹性模量与温度的变化呈现理想的线性关系:

式（2）中:E弹性模量（MPa）；T为土的温度（℃）；A、B为试验系数。

根据表3的数据按照公式（2）进行线性回归分析，可以得到4%、4．5%、5%、5．5%含盐量下冻土弹性模量与温度的关系，具有很好的线性规律。4个含盐量下弹性模量与温度之间关系式与相关系数见表4:

表4 弹性模量与温度的关系

图8是22．62%水重塑钙质粘土在4%、4．5%、5%、5．5%含盐量下弹性模量随温度变化，由图可见－5℃温度的冻土弹性模量在27MPa～54MPa，到－10℃温度的冻土弹性模量在34MPa～63MPa，比－5℃温度时增大1．17～1．26倍；－15℃温度的冻土弹性模量在39MPa～70MPa，比－10℃温量时增大1．11～1．15倍；－20℃温度的冻土弹性模量在43MPa～74MPa，比－15℃温度时增大1．06～1．10倍。

4 结论

通过对含盐钙质粘土的单轴抗压强度试验研究，试验得出，冻结土样单轴应力－应变关系呈应变软化特征。在一定的含水率与含盐量条件下，冻结钙质粘土的单轴抗压强度不断的增加，取决于试验温度的降低。含盐量与冻结钙质粘土的单轴强度之间的线性关系良好；冻结钙质粘土的弹性模量随着试验温度的降低而逐渐增大，温度与冻结钙质粘土的弹性模量之间的线性关系良好。

1 催托维奇 HA．冻土力学［M］．张长庆，朱元林译．北京:科学出版社，1985．160－170．

2 Laden y B．Mechanical behavior of frozen soils［A］．Proc of Into Sump on the Mechanical Behavior of Structured Media［C］．Ottawa．1981．48－56．

3 Valor S．Rheological Properties and bearing capacity of frozen soils［J］．USA Snow，Ice and Permafrost Research Establishment，1959．74:48－56．

4 K W Beggar，E G Haven，D C Sego．Time dependent displacement of piles in saline Permafrost［C］．Permafrost Sixth International Conference Proceedings:Beijing，China．1993．42－47．

5 钟晶晶，程桦，曹广勇，等．饱和含盐冻结钙质粘土单轴压缩试验研究［J］．安徽建筑工业学院学报，2013，21（6）:47－47．

6 洪军．人工冻结条件下上海饱和软粘土的力学特性试验研究［D］．上海:同济大学，2008．（1）．