含盐冻结砂土单轴压缩试验研究

平永庆 王 俊 韩 翔

(1.中煤邯郸特殊凿井有限公司，河北 邯郸 056003； 2.中国矿业大学力学与土木工程学院,江苏 徐州 221116)

1 概述

冻土是由固体矿物颗粒、冰、水(包括未冻水和强结合水)、水汽等组成的多相介质，强度是反映冻土力学参数的重要特征，而含盐量的多少会对冻土强度产生影响，对此从20世纪70年代开始国内外学者对其进行了研究。杨成松等研究了含盐量对青藏高原冻土强度的影响，得到了冻土强度随着含盐量的增加而减小的结论[1]；邴慧等在对盐渍土的研究中发现含盐量对冻结温度的影响显著[2]；冯挺在对含盐冻土的研究中发现硫酸钠盐冻土的冻胀量大于氯盐冻土，而且冻胀量随着含盐量的增加而增大[3]。丁智，张孟雅等通过室内不排水动三轴试验模拟冻结法施工后冻融土在地铁列车荷载作用下的动力特性，针对重塑黏土开展冻结温度和冻融周期影响下的动孔压测试试验，并首次提出了考虑冻结温度和冻融周期的孔压发展模型[4]。刘瑞锋，胡向东,皮爱如比较了二次冻融土和一次冻融土，原状土，得出了土体在二次冻融循环作用下主要热力学参数的一些变化规律[5]。钟晶晶，程桦等在不同含盐度条件下的单轴抗压强度试验，得出了单轴抗压强度随结冰温度，含盐量的变化情况[6]。石荣剑,岳丰田等对地下水流动时盐水冻结无法形成封闭的冻胀帷幕，采用液氮二次冻结，验证了液氮冻结与盐水冻结的特点[7]。吕晶晶对盐渍土的一系列研究中发现加载速率增大、温度降低、含水率增大均会使冻土强度增大，而含盐量的提高会使冻土的强度降低的结论[8]。邓友生，何平等采用非稳定态法中的热线法测定冻土的导热系数，得出了不同种类的盐对冻土导热系数的影响大小[9]。A.D.Nguyen，C.D.Sego研究了盐砂土强度和弹性模量在含盐量，温度，应变速率等情况下的一些影响[10]。因此在工程实践中，如果工程所处地层含盐，有必要对其研究。袁大滩煤矿主斜井前期土体经历过一次冻融，在注浆施工过程中采用含盐量10%的清水洗孔以及含盐量3%的注浆材料注浆，在此基础上进行二次冻结。工程所处地层为灰褐粉砂和黄色细砂，本文对这两种土质的不同含盐量的结冰温度以及在重塑条件和经历一次冻融条件下单轴抗压强度进行试验研究。

2 试验

2.1 结冰温度测定

结冰温度试验在低温瓶与零温瓶间进行，低温瓶温度为-7.8 ℃，零温瓶温度为(0±0.1)℃,试验杯用黄铜制成，直径为3.5 cm、高为5.0 cm，带有杯盖。试验仪器见图1。

为了测定这两种土在饱和状态下不同含盐量的结冰温度，需要将土样进行烘干重塑，灰褐粉砂和黄色细砂的饱和含水率分别为25%和20%，分别按1%，2%，3%，6%和9%的含盐量配制重塑土进行试验，试验结果见表1。

表1 不同含盐量的结冰温度测定

土样饱和含水率/%含盐率/%结冰温度/℃灰褐粉砂25黄色细砂201-1.22-2.23-2.86-3.49-51-1.272-1.303-1.766-3.709-5.27

从图2中数据可以看出，含盐量低于3%时，结冰温度高于-3 ℃；含盐量为6%时，结冰温度低于-3 ℃；含盐量为9%时，结冰温度低于-5 ℃，可以看出砂土的结冰温度随着含盐量的增加而降低，且当含盐量小于3%时，变化不明显，当含盐量大于3%时，变化显著。当含盐量大于6%时，灰褐粉砂和黄色细砂结冰温度随含盐率的增加变化差别不大，变化曲线基本重合。

2.2 单轴抗压强度测定

将土样同样配置成相应的饱和含水率不同含盐量的重塑土，将重塑土制成φ50×100 mm圆柱体，单轴抗压强度的试验在WDT-100冻土试验机上进行，试验装置见图3。试验前，土样在试验温度下(-10 ℃)养护24 h，以确保样品内外温度均达到试验温度，试验操作严格地按照中华人民共和国煤炭部行业标准MT/T593.4—2011人工冻土物理力学性能试验具体规程进行，每组试验进行3个试样。

经过试验，得到这两类土在饱和含水率不同含盐量下的应力应变曲线，选取几组曲线见图4。

从图4中曲线可以看出两类土的单轴抗压强度均随含盐量的增加而降低，另外相同含盐量情况下冻融土的单轴强度比重塑土低。造成冻融土强度降低主要是，冻融土的土颗粒的结构形态和土颗粒之间的联结力相比于重塑土都发生了相应的变化，冻融土之间的摩擦力相比较重塑土之间的摩擦力要小，从而冻融土强度相比于重塑土要低。两类土的单轴抗压强度均随着含盐量的增加而降低，这是因为土体在冻结降温时，冰与水的含量发生着相对变化，含盐量增加时，结冰温度降低，在相同温度的土体中冰的含量降低，而冰的含量越低则土体强度越低。含水率20%的灰褐细砂土重塑土和冻融土在含盐量6%下的应力较含盐量3%时衰减70%，含盐量9%较3%时衰减80%，这说明随着含盐量的增加，土的单轴抗压强度衰减强度逐渐降低，可能含盐量超过一定值时，土体单轴抗压强度趋于稳定。

3 结语

通过以上试验可以得到以下结论：

1)砂土的结冰温度随着含盐量的增加而降低，且当含盐量小于3%时，变化不明显，当含盐量大于3%时，变化显著。

2)含盐量对-10 ℃冻土单轴抗压强度影响十分明显，随着含盐量的增加，强度降低显著。

3)冻融循环的土的强度在同等条件下比未经历冻融循环的土的强度要低，所以应尽量避免此区域冻土承担荷载，将冻结帷幕区域外移。