・30・全国中文核心期刊 路基工程 2008年第6期(总第141期)
冻结法施工冻融作用对土的工程性质影响研究3
查甫生 崔可锐 吴燕开
(合肥工业大学资源与环境工程学院 安徽合肥 230009) (山东科技大学土木建筑学院)
摘 要 研究了人工冻融作用对地基土的工程性质的影响。物理性质试验结果表明:土经冻融
后, 土的比重、饱和度没有发生明显变化, 孔隙率、液限、塑限增大, 而干密度、液性指数与塑性指数则有不同程度的减小。力学试验结果表明:土经冻融后其抗剪强度减小, 压缩性增大, 土体发生软化。
关键词 冻结法 人工冻融土 物理性质 力学性质
1 引言
在地下空间和矿山建设中, 常用人工冻结法进行
施工。在施工结束后, 人工冻土经人工解冻与自然解冻作用形成人工冻融土。土体经过冻融作用后, 由于冻结与融冻过程中的“水分迁移”作用等, 导致土
[1]～[3]
体的微结构、物理性质与力学特性发生变化。因而在人工冻结法施工后的地基强度验算与稳定性分析中, 不能简单地采用原状土或重塑土的指标, 而应采用人工冻融土的物理力学性质指标, [1], [4]
建筑物的安全。
较, 土层名称①层杂填土②层粉质粘土③层粉土④层粉质粘土⑤层粉土⑥层粉质粘土⑦层粉质粘土⑧层粉质粘土⑨层粉质粘土
层厚/m层底深度/m
[1**********]5
[1**********]7
影响规律, 为人工冻融土的研究及人工冻融土地基的
稳定性分析提供参考。
2 工程概述211 工程概况
淮南刘庄煤矿主井井塔高908m, 跨度2319m, , , 307, 采用人工快, 6076d 。2井筒底层主要由第四系和三迭系组成, 第四系冲积层厚25514m, 主要成分为粉、细、中砂及粉土和
[1]
粘性土, 以粘性土为主, 见表1。
土层描述
以煤矸石和建筑垃圾为主, 为冻结结束后堆填的, 未受冻结影响土质致密, 夹铁锰结核颗粒, 网纹状裂隙结构, 裂隙中充填灰绿色粘土, 干强度高, 韧性强
稍密, 颗粒均匀, 震动有水析现象, 标贯正常, 无自行下沉现象干强度高, 韧性中等
稍密-中密, 颗粒均匀, 震动有水析现象, 主要成分为石英, 含白云母片
含铁锰氧化物, 土质较密实, 局部夹薄层粉土
表1 原状土土层特性表
状态松散硬塑
颜色灰黑色灰黄色黄色
可塑-硬塑
灰黄色, 局部棕红色黄色
可塑可塑可塑硬塑-坚硬
灰黄色
[**************]5
[***********]12
灰黑色-深灰色含有机质, 土质较均匀, 夹白色贝壳, 为古河湖淤积层
灰黄色灰绿色
含铁锰氧化物, 局部夹薄层粉土或粉砂
土质均匀致密, 含铁锰氧化物, 夹灰白色粘土, 韧性强, 干强度高
注:表中数据均为6组平行样试验结果的平均值
213 冻结与解冻见表2。
(1) 冻融后土的含水量较原状土有所增加。在
冻结过程中, 由于冻结作用导致土体孔隙结构的变化, 盐水进入到地基土中, 从而致使土体含水量
冻结工程共布置冻结孔62个, 其中主排冻结孔44个, 辅助冻结孔18个, 冻结采用-33℃的盐水, 累计冻结212d 。解冻利用原冻结孔, 采用热水循环, 其中解冻孔间隔布置, 累计解冻76d 。
3 冻融前后试验成果与分析311 物理性质指标对比
增加。
(2) 冻融后, 土的干密度均有一定幅度的降低,
而孔隙率有所增大。土体冻结过程中, 存在一定冻胀作用而导致土体颗粒松散、孔隙率增加; 融冻后, 土的微结构不能恢复到初始状态。因此, 土的孔隙率增加, 而干密度则减小。这说明土体的冻结与融冻过程并非为完全可逆过程, 经一个冻融循环后, 土体的部
各层的人工冻融土与原状土的基本物理性质指标
3合肥工业大学博士学位专项基金项目
查甫生, 男, 讲师, 博士。
(2007G DBJ031) 。
查甫生等:冻结法施工冻融作用对土的工程性质影响研究
表2 土的物理性质指标表
层号②
土类原状土冻融土
④
原状土冻融土原状土
⑥
冻融土原状土冻融土
⑧
原状土冻融土
⑨
原状土冻融土
含水量/%
[***********][***********][1**********]5
・31・
比重G s
[***********][***********][1**********]4
-3
) 孔隙率/%饱和度/%干密度ρd /(g ・c m
液限/%
[***********][***********][1**********]9
塑限/%
[***********][***********][1**********]3
塑性指数
[***********][***********][1**********]6
液性指数
[***********][***********][1**********]7
[***********][***********][1**********]7
[***********][***********][1**********]2
[***********][**************]00
⑦
分变形不能得到恢复。
(3) 土的比重在经冻融后, 有的减小、有的不变, 而有的增大, 没有明显的变化趋势。一般来说, 冻融会对土体中的颗粒排列、孔隙结构等与微结构有关的因素产生重要影响, 因而, (4) 加, , 原状土原有的颗粒较大的团聚体发生解体作用, 导致土颗粒在一定程度上变细, 即土体中细粒含量增加。土的液限与塑性指数受土粒大小的影响十分显著, 土粒越细、细粒含量(粘粒) 越高, 其比表面积越大, 结合含水量也越高, 则液限与塑性指数也越大。说明冻融后, 土的塑性降低, 土体发生软化。
(5) 冻融未对饱和度产生影响。这是由于原状土为饱和土体, 在冻结过程中, 盐水及时填充到因冻胀而增加的裂隙中, 土体始终处于饱和所致。312 力学性质对比
为研究人工冻融对土的力学性质的影响, 分别进行了原状土与冻融土的直剪与压缩试验, 见表3。
表3 土的力学性质指标表
固结快剪
层
号
土类原状土冻融土⑥原状土冻融土⑦原状土冻融土原状土⑧冻融土⑨原状土冻融土
288469
[1**********]7
[1**********]7
[***********][***********]64001159
170271258
c
从表3可以看出:
(1) 直剪试验结果表明:, 土的粘聚, 发生冻, 土的粘聚力, 土的抗剪强度降低;
(2) 压缩试验结果表明:经冻融后, 土的压缩系数明显降低, 压缩模量增大, 土的压缩性变大。这主要是经冻融后, 土的孔隙率增大及土体发生软化等因素共同作用的结果;
(3) 静力触探试验结果表明:经冻融后, 触探的锥尖阻力(q c ) 与侧壁摩阻力(f s ) 减小。进一步证实经冻融后, 土体强度减小发生软化的论断;
(4) 从波速测试结果看出:经冻融后, 土体中波的传播速度变慢, 主要是冻融土的孔隙率比原状土大, 对弹性波的传播阻力较大。
4 结论
(1) 由于低温盐水的补给作用, 导致冻融土的
压缩
a 1-2
E s
静力触探
q c
f s
φ
波速
/(m ・s -1) [***********]233
/kPa
) /MPa-1/MPa/(°[***********]1524161917
[***********]2501380121
④
[1**********]136
[***********][***********][***********][***********][***********]124201089
含水量增加; 土体冻融后, 干密度减小, 孔隙率增大, 冻融变形并非完全可逆。
(2) 冻融后土的比重与饱和度没有发生明显的变化; 而液限、塑限增加, 塑性指数、液性指数减小。
(3) 土体冻融后, 抗剪强度变低, 粘聚力与内摩擦角均减小, 土体发生软化。参考文献:
[1]毛由田, 崔可锐等. 刘庄煤矿特大型主井井塔人工冻融土地基基础综
合研究报告[R ].合肥工业大学资源与环境工程学院, 2006.
[2]齐吉琳, 张建明, 朱元林. 冻融作用对土结构性影响的土力学意义
[J ].岩石力学与工程学报, 2003, 22(增刊2) :2690-2694. [3]齐吉琳, 程国栋, Ver meer, P . A. 冻融作用对土工程性质的影响研究
现状[J ].地球科学进展, 2005, 20(8) :887-894.
[4]张超. 淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与微结构成分关系
的研究[D].合肥:合肥工业大学硕士学位论文, 2007.
收稿日期:2008-06-27
・30・全国中文核心期刊 路基工程 2008年第6期(总第141期)
冻结法施工冻融作用对土的工程性质影响研究3
查甫生 崔可锐 吴燕开
(合肥工业大学资源与环境工程学院 安徽合肥 230009) (山东科技大学土木建筑学院)
摘 要 研究了人工冻融作用对地基土的工程性质的影响。物理性质试验结果表明:土经冻融
后, 土的比重、饱和度没有发生明显变化, 孔隙率、液限、塑限增大, 而干密度、液性指数与塑性指数则有不同程度的减小。力学试验结果表明:土经冻融后其抗剪强度减小, 压缩性增大, 土体发生软化。
关键词 冻结法 人工冻融土 物理性质 力学性质
1 引言
在地下空间和矿山建设中, 常用人工冻结法进行
施工。在施工结束后, 人工冻土经人工解冻与自然解冻作用形成人工冻融土。土体经过冻融作用后, 由于冻结与融冻过程中的“水分迁移”作用等, 导致土
[1]～[3]
体的微结构、物理性质与力学特性发生变化。因而在人工冻结法施工后的地基强度验算与稳定性分析中, 不能简单地采用原状土或重塑土的指标, 而应采用人工冻融土的物理力学性质指标, [1], [4]
建筑物的安全。
较, 土层名称①层杂填土②层粉质粘土③层粉土④层粉质粘土⑤层粉土⑥层粉质粘土⑦层粉质粘土⑧层粉质粘土⑨层粉质粘土
层厚/m层底深度/m
[1**********]5
[1**********]7
影响规律, 为人工冻融土的研究及人工冻融土地基的
稳定性分析提供参考。
2 工程概述211 工程概况
淮南刘庄煤矿主井井塔高908m, 跨度2319m, , , 307, 采用人工快, 6076d 。2井筒底层主要由第四系和三迭系组成, 第四系冲积层厚25514m, 主要成分为粉、细、中砂及粉土和
[1]
粘性土, 以粘性土为主, 见表1。
土层描述
以煤矸石和建筑垃圾为主, 为冻结结束后堆填的, 未受冻结影响土质致密, 夹铁锰结核颗粒, 网纹状裂隙结构, 裂隙中充填灰绿色粘土, 干强度高, 韧性强
稍密, 颗粒均匀, 震动有水析现象, 标贯正常, 无自行下沉现象干强度高, 韧性中等
稍密-中密, 颗粒均匀, 震动有水析现象, 主要成分为石英, 含白云母片
含铁锰氧化物, 土质较密实, 局部夹薄层粉土
表1 原状土土层特性表
状态松散硬塑
颜色灰黑色灰黄色黄色
可塑-硬塑
灰黄色, 局部棕红色黄色
可塑可塑可塑硬塑-坚硬
灰黄色
[**************]5
[***********]12
灰黑色-深灰色含有机质, 土质较均匀, 夹白色贝壳, 为古河湖淤积层
灰黄色灰绿色
含铁锰氧化物, 局部夹薄层粉土或粉砂
土质均匀致密, 含铁锰氧化物, 夹灰白色粘土, 韧性强, 干强度高
注:表中数据均为6组平行样试验结果的平均值
213 冻结与解冻见表2。
(1) 冻融后土的含水量较原状土有所增加。在
冻结过程中, 由于冻结作用导致土体孔隙结构的变化, 盐水进入到地基土中, 从而致使土体含水量
冻结工程共布置冻结孔62个, 其中主排冻结孔44个, 辅助冻结孔18个, 冻结采用-33℃的盐水, 累计冻结212d 。解冻利用原冻结孔, 采用热水循环, 其中解冻孔间隔布置, 累计解冻76d 。
3 冻融前后试验成果与分析311 物理性质指标对比
增加。
(2) 冻融后, 土的干密度均有一定幅度的降低,
而孔隙率有所增大。土体冻结过程中, 存在一定冻胀作用而导致土体颗粒松散、孔隙率增加; 融冻后, 土的微结构不能恢复到初始状态。因此, 土的孔隙率增加, 而干密度则减小。这说明土体的冻结与融冻过程并非为完全可逆过程, 经一个冻融循环后, 土体的部
各层的人工冻融土与原状土的基本物理性质指标
3合肥工业大学博士学位专项基金项目
查甫生, 男, 讲师, 博士。
(2007G DBJ031) 。
查甫生等:冻结法施工冻融作用对土的工程性质影响研究
表2 土的物理性质指标表
层号②
土类原状土冻融土
④
原状土冻融土原状土
⑥
冻融土原状土冻融土
⑧
原状土冻融土
⑨
原状土冻融土
含水量/%
[***********][***********][1**********]5
・31・
比重G s
[***********][***********][1**********]4
-3
) 孔隙率/%饱和度/%干密度ρd /(g ・c m
液限/%
[***********][***********][1**********]9
塑限/%
[***********][***********][1**********]3
塑性指数
[***********][***********][1**********]6
液性指数
[***********][***********][1**********]7
[***********][***********][1**********]7
[***********][***********][1**********]2
[***********][**************]00
⑦
分变形不能得到恢复。
(3) 土的比重在经冻融后, 有的减小、有的不变, 而有的增大, 没有明显的变化趋势。一般来说, 冻融会对土体中的颗粒排列、孔隙结构等与微结构有关的因素产生重要影响, 因而, (4) 加, , 原状土原有的颗粒较大的团聚体发生解体作用, 导致土颗粒在一定程度上变细, 即土体中细粒含量增加。土的液限与塑性指数受土粒大小的影响十分显著, 土粒越细、细粒含量(粘粒) 越高, 其比表面积越大, 结合含水量也越高, 则液限与塑性指数也越大。说明冻融后, 土的塑性降低, 土体发生软化。
(5) 冻融未对饱和度产生影响。这是由于原状土为饱和土体, 在冻结过程中, 盐水及时填充到因冻胀而增加的裂隙中, 土体始终处于饱和所致。312 力学性质对比
为研究人工冻融对土的力学性质的影响, 分别进行了原状土与冻融土的直剪与压缩试验, 见表3。
表3 土的力学性质指标表
固结快剪
层
号
土类原状土冻融土⑥原状土冻融土⑦原状土冻融土原状土⑧冻融土⑨原状土冻融土
288469
[1**********]7
[1**********]7
[***********][***********]64001159
170271258
c
从表3可以看出:
(1) 直剪试验结果表明:, 土的粘聚, 发生冻, 土的粘聚力, 土的抗剪强度降低;
(2) 压缩试验结果表明:经冻融后, 土的压缩系数明显降低, 压缩模量增大, 土的压缩性变大。这主要是经冻融后, 土的孔隙率增大及土体发生软化等因素共同作用的结果;
(3) 静力触探试验结果表明:经冻融后, 触探的锥尖阻力(q c ) 与侧壁摩阻力(f s ) 减小。进一步证实经冻融后, 土体强度减小发生软化的论断;
(4) 从波速测试结果看出:经冻融后, 土体中波的传播速度变慢, 主要是冻融土的孔隙率比原状土大, 对弹性波的传播阻力较大。
4 结论
(1) 由于低温盐水的补给作用, 导致冻融土的
压缩
a 1-2
E s
静力触探
q c
f s
φ
波速
/(m ・s -1) [***********]233
/kPa
) /MPa-1/MPa/(°[***********]1524161917
[***********]2501380121
④
[1**********]136
[***********][***********][***********][***********][***********]124201089
含水量增加; 土体冻融后, 干密度减小, 孔隙率增大, 冻融变形并非完全可逆。
(2) 冻融后土的比重与饱和度没有发生明显的变化; 而液限、塑限增加, 塑性指数、液性指数减小。
(3) 土体冻融后, 抗剪强度变低, 粘聚力与内摩擦角均减小, 土体发生软化。参考文献:
[1]毛由田, 崔可锐等. 刘庄煤矿特大型主井井塔人工冻融土地基基础综
合研究报告[R ].合肥工业大学资源与环境工程学院, 2006.
[2]齐吉琳, 张建明, 朱元林. 冻融作用对土结构性影响的土力学意义
[J ].岩石力学与工程学报, 2003, 22(增刊2) :2690-2694. [3]齐吉琳, 程国栋, Ver meer, P . A. 冻融作用对土工程性质的影响研究
现状[J ].地球科学进展, 2005, 20(8) :887-894.
[4]张超. 淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与微结构成分关系
的研究[D].合肥:合肥工业大学硕士学位论文, 2007.
收稿日期:2008-06-27