冻结法施工冻融作用对土的工程性质影响研究
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( 3) 静力触探试验结果表明 : 经冻融后 , 触探 的锥尖阻力 ( qc ) 与侧壁摩阻力 ( fs ) 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) 经冻融后 , 土的液限 、塑限与液性指数增 加 , 而塑性指数减小 。这可能是在冻融过程中 , 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 。
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 (2007GDBJ031) 。
查甫生 , 男 , 讲师 , 博士 。
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 增加 。
原状土 31 2115 0124 8141 11000 01038 197 ⑥
冻融土 25 2012 0137 7110 01838 01028 143 原状土 46 2515 0125 6159 11766 01072 211 ⑦ 冻融土 41 2416 0138 5185 11059 01050 156 原状土 36 1917 0121 8140 31242 01089 233 ⑧ 冻融土 28 1913 0131 6104 31355 01090 170 原状土 84 2111 0111 14158 31238 01155 271 ⑨ 冻融土 69 2017 0117 11173 31640 01159 258
析中 , 不能简单地采用原状土或重塑土的指标 , 而应 法施工 , 冻结深 307 m。由于工期需要 , 采用人工快
采用人工冻融土的物理力学性质指标 , 以保证工程与 速解冻 , 解冻深 60 m, 解冻时间 76 d。
建筑物的安全 [ 1 ], [ 4 ] 。
212 地质条件
本文通过对安徽淮南刘庄特大煤矿主井人工冻结
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
查甫生等 : 冻结法施工冻融作用对土的工程性质影响研究
·31·
表 2 土的物理性质指标表
层号 土类 含水量 / % 比重 Gs 干密度 ρd / ( g·cm - 3 ) 孔隙率 / % 饱和度 / % 液限 / % 塑限 / % 塑性指数 液性指数
井筒底层主要由第四系和三迭系组成 , 第四系冲
法施工的人工冻融土与原状土的物理力学性质的比 积层厚 25514 m, 主要成分为粉 、细 、中砂及粉土和
较 , 着重分析人工冻融作用对地基土物理力学性质的 粘性土 [1 ] , 以粘性土为主 , 见表 1。
表 1 原状土土层特性表
土层名称
层厚 /m 层底深度 /m 状态
冻结与融冻过程中的 “水分迁移 ”作用等 , 导致土 211 工程概况
体的微结构 、物理性质与力学特性发生变 化 [1 ]～[3 ] 。
淮南刘庄煤矿主井井塔高 9018 m , 跨度 2319 m ,
因而在人工冻结法施工后的地基强度验算与稳定性分 钢筋混凝土结构 , 总重 31 000 t。主井井筒采用冻结
关键词 冻结法 人工冻融土 物理性质 力学性质
1 引言
影响规律 , 为人工冻融土的研究及人工冻融土地基的
在地下空间和矿山建设中 , 常用人工冻结法进行 稳定性分析提供参考 。
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 2 工程概述
( 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
1813
0119
原状土
2618
2173
⑧
冻融土
2619
2173
1157 1156
4213
100
3610
2014
1516
0141
4219
98
3616
2113
1513
0137
原状土
2310
2173
⑨
冻融土
2315
2174
1168 1167
3816
100
3814
2115
1619
0109
3912
100
3819
·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 。
0156
原状土
3411
2174
⑥
冻融土
3416
2171
1142 1139
4811
100
4210
2219
1911
0159
4816
100
4316
2510
1816
0152
原状土
3010
2174
⑦
冻融土
3012
2173
1151 1150
4419
100
4218
2313
1915
0134
4511
100
4516
2713
213 冻结与解冻 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 212 d。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 76 d。
3 冻融前后试验成果与分析 311 物理性质指标对比
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.
原状土
2413
2174
②
冻融土
2512
2173
1164 1162
4010
100
3814
2019
1715
0119
4018
100
3910
2219
1611
0114
原状土
2618
2173
④
冻融土
2716
2172
1157 1156
4214
100
3219
1912
1317
0155
4218
100
3313
2012
1311
④层粉质粘土
115
917
可塑 - 硬塑
灰黄色 , 局 部棕红色
干强度高 , 韧性中等
⑤层粉土
310
1217
黄色
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
⑥层粉质粘土
410
1617
可塑
灰黄色
含铁锰氧化物 , 土质较密实 , 局部夹薄层粉土
⑦层粉质粘土
210
1817
2213
1616
0107
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 , 而不改变土颗粒本身状况 。 因而 , 冻融对土的比重的影响很小 。试验中冻融前后 土的比重无序的变化可能是由试验误差造成 。
颜色
土层描述
①层杂填土
215
215
松散
灰黑色
以煤矸石和建筑垃圾为主 , 为冻结结
硬塑
灰黄色
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
③层粉土
117
812
黄色
稍密 , 颗粒均匀 , 震动有水析现象 , 标贯正常 , 无自行下沉现象
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
可塑 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
⑧层粉质粘土
810
2617
可塑
灰黄色
含铁锰氧化物 , 局部夹薄层粉土或粉砂
⑨层粉质粘土
1215
3812 硬塑 - 坚硬 灰绿色
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
( 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
[ 3 ] 齐吉琳 , 程国栋 , V erm eer, 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
层土 号类
固结快剪
压缩
静力触探
c / kPa
φ
a1 - 2
Es
/ ( °) /M Pa - 1 /M Pa
qc
fs
波速 / (m ·s - 1)
原状土 70 1914 0118 10109 11570 01087 236 ④
冻融土 64 1911 0132 5191 11080 01066 172
从表 3可以看出 : ( 1) 直剪试验结果表明 : 经冻融后 , 土的粘聚
4 结论 (1) 由于低温盐水的补给作用 , 导致冻融土的
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 。
力和内摩擦角减小 。这是土体在冻结过程中 , 发生冻 胀作用 , 融冻后又发生融沉作用 , 导致土颗粒间的胶 结变弱 , 土体团聚体解体或变小 。因此 , 土的粘聚力 与内摩擦角均减小 , 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 ;
( 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) 经冻融后 , 土的液限 、塑限与液性指数增 加 , 而塑性指数减小 。这可能是在冻融过程中 , 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 。
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 (2007GDBJ031) 。
查甫生 , 男 , 讲师 , 博士 。
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 增加 。
原状土 31 2115 0124 8141 11000 01038 197 ⑥
冻融土 25 2012 0137 7110 01838 01028 143 原状土 46 2515 0125 6159 11766 01072 211 ⑦ 冻融土 41 2416 0138 5185 11059 01050 156 原状土 36 1917 0121 8140 31242 01089 233 ⑧ 冻融土 28 1913 0131 6104 31355 01090 170 原状土 84 2111 0111 14158 31238 01155 271 ⑨ 冻融土 69 2017 0117 11173 31640 01159 258
析中 , 不能简单地采用原状土或重塑土的指标 , 而应 法施工 , 冻结深 307 m。由于工期需要 , 采用人工快
采用人工冻融土的物理力学性质指标 , 以保证工程与 速解冻 , 解冻深 60 m, 解冻时间 76 d。
建筑物的安全 [ 1 ], [ 4 ] 。
212 地质条件
本文通过对安徽淮南刘庄特大煤矿主井人工冻结
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
查甫生等 : 冻结法施工冻融作用对土的工程性质影响研究
·31·
表 2 土的物理性质指标表
层号 土类 含水量 / % 比重 Gs 干密度 ρd / ( g·cm - 3 ) 孔隙率 / % 饱和度 / % 液限 / % 塑限 / % 塑性指数 液性指数
井筒底层主要由第四系和三迭系组成 , 第四系冲
法施工的人工冻融土与原状土的物理力学性质的比 积层厚 25514 m, 主要成分为粉 、细 、中砂及粉土和
较 , 着重分析人工冻融作用对地基土物理力学性质的 粘性土 [1 ] , 以粘性土为主 , 见表 1。
表 1 原状土土层特性表
土层名称
层厚 /m 层底深度 /m 状态
冻结与融冻过程中的 “水分迁移 ”作用等 , 导致土 211 工程概况
体的微结构 、物理性质与力学特性发生变 化 [1 ]～[3 ] 。
淮南刘庄煤矿主井井塔高 9018 m , 跨度 2319 m ,
因而在人工冻结法施工后的地基强度验算与稳定性分 钢筋混凝土结构 , 总重 31 000 t。主井井筒采用冻结
关键词 冻结法 人工冻融土 物理性质 力学性质
1 引言
影响规律 , 为人工冻融土的研究及人工冻融土地基的
在地下空间和矿山建设中 , 常用人工冻结法进行 稳定性分析提供参考 。
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 2 工程概述
( 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
1813
0119
原状土
2618
2173
⑧
冻融土
2619
2173
1157 1156
4213
100
3610
2014
1516
0141
4219
98
3616
2113
1513
0137
原状土
2310
2173
⑨
冻融土
2315
2174
1168 1167
3816
100
3814
2115
1619
0109
3912
100
3819
·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 。
0156
原状土
3411
2174
⑥
冻融土
3416
2171
1142 1139
4811
100
4210
2219
1911
0159
4816
100
4316
2510
1816
0152
原状土
3010
2174
⑦
冻融土
3012
2173
1151 1150
4419
100
4218
2313
1915
0134
4511
100
4516
2713
213 冻结与解冻 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 212 d。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 76 d。
3 冻融前后试验成果与分析 311 物理性质指标对比
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.
原状土
2413
2174
②
冻融土
2512
2173
1164 1162
4010
100
3814
2019
1715
0119
4018
100
3910
2219
1611
0114
原状土
2618
2173
④
冻融土
2716
2172
1157 1156
4214
100
3219
1912
1317
0155
4218
100
3313
2012
1311
④层粉质粘土
115
917
可塑 - 硬塑
灰黄色 , 局 部棕红色
干强度高 , 韧性中等
⑤层粉土
310
1217
黄色
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
⑥层粉质粘土
410
1617
可塑
灰黄色
含铁锰氧化物 , 土质较密实 , 局部夹薄层粉土
⑦层粉质粘土
210
1817
2213
1616
0107
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 , 而不改变土颗粒本身状况 。 因而 , 冻融对土的比重的影响很小 。试验中冻融前后 土的比重无序的变化可能是由试验误差造成 。
颜色
土层描述
①层杂填土
215
215
松散
灰黑色
以煤矸石和建筑垃圾为主 , 为冻结结
硬塑
灰黄色
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
③层粉土
117
812
黄色
稍密 , 颗粒均匀 , 震动有水析现象 , 标贯正常 , 无自行下沉现象
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
可塑 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
⑧层粉质粘土
810
2617
可塑
灰黄色
含铁锰氧化物 , 局部夹薄层粉土或粉砂
⑨层粉质粘土
1215
3812 硬塑 - 坚硬 灰绿色
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
( 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
[ 3 ] 齐吉琳 , 程国栋 , V erm eer, 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
层土 号类
固结快剪
压缩
静力触探
c / kPa
φ
a1 - 2
Es
/ ( °) /M Pa - 1 /M Pa
qc
fs
波速 / (m ·s - 1)
原状土 70 1914 0118 10109 11570 01087 236 ④
冻融土 64 1911 0132 5191 11080 01066 172
从表 3可以看出 : ( 1) 直剪试验结果表明 : 经冻融后 , 土的粘聚
4 结论 (1) 由于低温盐水的补给作用 , 导致冻融土的
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 。
力和内摩擦角减小 。这是土体在冻结过程中 , 发生冻 胀作用 , 融冻后又发生融沉作用 , 导致土颗粒间的胶 结变弱 , 土体团聚体解体或变小 。因此 , 土的粘聚力 与内摩擦角均减小 , 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 ;