淮南顾桥矿东风井人工冻土力学性能试验分析

郑 明， 程 桦， 曹广勇

（1．安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230022；2．安徽大学 ，合肥）

淮南顾桥矿东风井孔检查孔孔深404．71m，地层以砂质粘土为主。井筒施工方法采用目前比较成熟的人工冻结法施工。人工冻结法施工是采用人工制冷方法将含有水分的地层冻结成具有一定厚度和强度的冻结壁，以隔绝地下水的联系，进而在冻结壁的保护作用下进行通道开挖和结构施工的一种施工方法。本文通过试验研究分析旨在为顾桥矿副井井孔检查孔的设计和施工提供基础参数。

1 砂质粘土的基本物理性质

由于检查孔井筒较深，为了进行针对性研究，选取了其中4组对井筒影响较大的粘土层作为试验研究对象。其基本物理特性见表1。

表1 影响较大的粘土层常规物理特性

2 冻土物理力学性能试验

经过加工处理制成Φ50mm×100mm土样［1］，放入－5℃、－10℃和－15℃三个恒温低温试验箱冻结48h以上。将不同深度的土在每种试验温度下制作5个标准土样进行平行试验，在处理试验数据时，选取三个较为相近的数据作为实验结果。

2．1 冻土单轴抗压强度试验

试验中选取试样应变速率为1．0%／min。试验在WDT－100冻土压力试验机上进行（如图1），试验装置所施加的最大试验力为100KN，加载精度为1%，最低负温值为－50℃，温度波动度为±0．5℃。加载和数据采集全由计算机根据设定好的参数自动控制和采集［2］。试验结果曲线如图2。

图1 WDT－100微机控制冻土试验机

图2 各组应力－应变关系曲线

对试验结果进行整理，得出单轴抗压强度峰值表格，见表2。

表2 单轴抗压强度峰值表

根据试验得出的4种不同深度的砂质粘土在3种试验温度条件下的单轴抗压强度值（如图3），通过大量实验，我们得到这种关系呈线性趋势［3］。由图3可知，同一深度的土样其单轴抗压强度是随着温度的降低而逐渐增大的（如表3），冻土在－10℃时的单轴抗压强度在2．07MPa～2．39MPa，相对较小，在－15℃时的单轴抗压强度在2．29MPa～3．80MPa，可以满足冻结井壁的施工强度要求。因此，可以通过减低温度的方法来提高冻结壁的强度，更好地抵抗水土压力，确保施工的安全进行［4］。

图3 各组强度－温度关系曲线

表3 单轴抗压强度—平均含水率

3．2 冻土冻胀性试验

冻胀变形是制约人工冻结技术在煤矿工程中广泛应用的一个重要因素，该变形对周围岩土体以及冻结壁产生变形和应力，如果膨胀性能较大可能危及冻结井壁安全，工程实践证明粘性土冻胀性大于砂土冻胀性［5］，因此要研究岩土体的冻胀性变形。本文重点研究含水率与冻胀性之间的关系，选取单轴抗压强度所取四组粘土和另外两组砂土进行对比试验分析。所选取冻胀性试验土样基本物理特性见表4。

表4 冻胀性试验土样基本物理特性

对所选取的六组不同深度的冻胀性试验土样分别进行冻胀率和冻胀力试验。其冻胀试验结果如表5、图4、图5示。

表5 不同深度土样最大冻胀力和冻胀率

图4 不同土层深度的冻胀力和时间关系曲线

图5 不同图层深度冻胀率与时间曲线

由图4、图5可以看出，土样的冻胀力和 冻胀率都稍小，属弱冻胀土。

2．3 冻结温度试验

冻结温度直接决定着冻结壁厚度，对整个冻结壁的稳定性起关键因素。因此，研究冻结温度对冻结法设计和施工是非常必要的。岩石中的液态水变成固态的冰这一结晶过程大致要经历三个阶段:结晶中心或生长点→晶核→冰晶，土中水结冰过程一般须经历过冷、跳跃、恒定和递降四个阶段。当出现跳跃时，电势会突然减小，接着稳定在某一数值，此即为开始冻结的温度。在 WDT－100微机控制冻土压力试验机上对原状土试样进行试验。选取单轴抗压强度试验的四组不同深度的土样进行冻结温度的试验，其结果如下表6所示。

表6 不同深度的岩土层冻结温度试验结果

4 结论

本文通过对淮南顾桥矿东风井所取土样进行物理力学性能试验，得出以下结论:

（1）在单轴压缩条件下，冻结土样主要呈张剪破坏特征，总体上随着试样温度的降低，单轴抗压强度增大，在－10℃时最大抗压强度为2．4MPa，因此在设计和施工时可选取2．5MPa－3．0MPa，不宜选取过大，否则会造成资源浪费。

（2）冻结土样单轴应力－应变关系呈应变软化特征；冻结土样破坏变形在10%～18%之间，应该充分重视冻结壁的小应变破坏。

（3）冻土的冻胀力在0．2Mpa－0．5Mpa之间，冻胀率在2．5－4．5之间，即大部分试验冻结岩土的冻胀力和冻胀率稍小，属于弱冻胀土。

（4）随着含水率的增大，冻胀力和冻胀率有增大的趋势，从试验结果可以证明同一温度下粘性土冻胀力大于砂土冻胀力，见表4。

（5）冻结温度在－2．5℃－4．5℃之间，结冰温度低。可以看出冻结温度与含水率、液限之间有一定关系，随着液限和含水率的增大，冻结温度有下降的趋势。

1 MT／T593．1－1996．人工冻土实验取样及试样制备方法［S］．

2 张照太．深土冻土力学性能试验研究及工程应用［D］．淮南:安徽理工大学，2006．

3 肖海斌．人工冻土单轴抗压强度与温度和含水率的关系［J］．岩土工程界，2007，11（4）:62－63．

4 怀亚，程桦，曹广勇．宁夏红四矿人工冻土力学特性试验研究［J］．安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2013，21（2）:42－44．

5 张婷．人工冻土冻胀、融沉特性试验研究［D］．南京:南京林业大学，2004