凍土波速和強(qiáng)度指標(biāo)下的凍土可鉆性分級(jí)試驗(yàn)研究

潘殿琦,吳銀柱,彭 第,黃 非,李冰潔,陳 勇

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130021;2.東煤建筑基礎(chǔ)工程公司,長(zhǎng)春 130026)

凍土可鉆性分級(jí)的目的在于為凍土區(qū)的開挖選擇合理的鉆進(jìn)施工工藝、設(shè)備及參數(shù)和凍土工程的施工與設(shè)計(jì)提供一個(gè)科學(xué)的依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)外很少有凍土可鉆性分級(jí)方面的研究,只有安徽理工學(xué)院馬芹永教授和他的學(xué)生張志紅對(duì)凍結(jié)黏性土進(jìn)行了三級(jí)的分級(jí),通過(guò)測(cè)試-3、-5、-7、-10、-12、-15、-17℃凍結(jié)黏性土的縱波波速、橫波波速、鑿碎比功3個(gè)可鉆性分級(jí)指標(biāo),按溫度對(duì)可鉆性進(jìn)行了分級(jí)。分級(jí)結(jié)果是:-7℃以上為一級(jí);-7～12℃為二級(jí);-12℃以下為三級(jí)。該分級(jí)不合理之處在于:首先,凍土溫度的測(cè)試范圍太小,最低溫度僅為-17℃,而-20℃以下的凍土未考慮,經(jīng)研究,-20℃是凍土可鉆性分級(jí)指標(biāo)最重要溫度,是分級(jí)指標(biāo)的拐點(diǎn)溫度,-20℃以上的凍土可鉆性與-20℃以上有明顯區(qū)別,分級(jí)時(shí),必須給予考慮;其次,凍土可鉆性分級(jí)的重要的強(qiáng)度指標(biāo)未考慮,凍土可鉆性分級(jí)具有局限性。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外在可鉆性分級(jí)方面存在的問(wèn)題,筆者深入地進(jìn)行了凍土波速和強(qiáng)度指標(biāo)下的凍土可鉆性分級(jí)試驗(yàn)研究,旨在為凍土工程設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù),為凍土規(guī)范的修訂及凍土工程技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 凍土可鉆性分級(jí)的原則和依據(jù)

凍土可鉆性的分級(jí)是凍土鉆進(jìn)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),而合理選擇反映可鉆性類別的指標(biāo)又是可鉆性分級(jí)的前提條件。在實(shí)際中,可供選擇的指標(biāo)往往很多,而全面考慮各種影響因素是不現(xiàn)實(shí)的,但分級(jí)指標(biāo)的選取不是任意的,分級(jí)指標(biāo)的選取必須按以下原則進(jìn)行。

(1)可測(cè)性原則:凍土可鉆性必須通過(guò)相應(yīng)的測(cè)試指標(biāo)來(lái)確定,選定的凍土可鉆性的具體指標(biāo)要具有可測(cè)性;

(2)獨(dú)立性原則:同一層次的各測(cè)試指標(biāo)間不應(yīng)同時(shí)作為凍土可鉆性的確定依據(jù),相互間不存在因果關(guān)系;

(3)綜合性原則:選定的指標(biāo)體系應(yīng)能綜合反映可鉆性各方面的特性或特征。

分級(jí)依據(jù)為:以-3～26℃凍土的波速、硬度、強(qiáng)度為分級(jí)的指標(biāo)依據(jù);以能全面反映各種分級(jí)指標(biāo)的數(shù)據(jù)范圍為定量標(biāo)準(zhǔn)依據(jù);以凍土可鉆性四級(jí)為分級(jí)范圍依據(jù)。

2 凍土可鉆性分級(jí)方法

對(duì)不同凍土來(lái)說(shuō),凍土的可鉆性不僅受內(nèi)在影響因素凍土的組構(gòu)、含水量、溫度的影響,而且凍土波速、硬度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度直接影響凍土的可鉆性分級(jí)。但對(duì)同一凍土來(lái)說(shuō),組構(gòu)、含水量和溫度是一定時(shí),可鉆性為常數(shù)值,這與實(shí)際工程一致。因此,判別可鉆性應(yīng)以凍土不同的組構(gòu)、含水量、溫度所對(duì)應(yīng)的波速、強(qiáng)度等為指標(biāo),對(duì)可鉆性進(jìn)行回歸分析基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)分級(jí)。分級(jí)方法為回歸分析分級(jí)法和常規(guī)分級(jí)法,2種分級(jí)方法應(yīng)相互補(bǔ)充,協(xié)調(diào)應(yīng)用。

3 凍土可鉆性分級(jí)

3.1 波速法

(1)縱波波速與可鉆性級(jí)別的回歸分析與級(jí)別確定

據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,得出縱波波速與可鉆性級(jí)別的回歸方程和關(guān)系曲線(圖1)。

式中:y——可鉆性級(jí)別;

x——溫度;

R——回歸系數(shù),R=0.997 8。

圖1 縱波波速與可鉆性級(jí)關(guān)系曲線

根據(jù)曲線可知:含水率在13%～25%且一定時(shí),溫度在-1～24℃區(qū)間,凍土的縱波波速隨溫度的降低而增大,凍土可鉆性隨溫度的降低而降低。在-20℃以上時(shí),可鉆性變化幅度較小,在-20℃以下時(shí),可鉆性變化幅度較大。-20℃是可鉆性的拐點(diǎn)溫度。溫度在-1～24℃且一定時(shí),含水率在13%～19%區(qū)間,凍土的縱波波速隨含水率的增大而增大,凍土可鉆性隨含水率的增大而降低。溫度在-1～24℃且一定時(shí),含水率在20%～25%區(qū)間,凍土的縱波波速隨含水率的增大而降低,凍土可鉆性隨含水率的增大而增強(qiáng)。

凍土可鉆性級(jí)別,可按實(shí)際需要,據(jù)縱波波速大小和回歸方程得出。

(2)常規(guī)法劃分級(jí)別

按常規(guī)法,依據(jù)縱波波速對(duì)凍土可鉆性進(jìn)行分

根據(jù)曲線可知:含水率在13%～25%且一定時(shí),溫度在-1～24 ℃區(qū)間,總的趨勢(shì)是,壓入硬度隨溫度的降低而增大,凍土可鉆性隨溫度的降低而降低。在-20℃時(shí),凍土可鉆性較強(qiáng)。-20℃是可鉆性的拐點(diǎn)溫度。溫度-1～24℃且一定時(shí),含水率在13%～19%區(qū)間,壓入硬度隨含水率的增大而增大,凍土可鉆性隨含水率的增大而降低。含水率在20%～25%區(qū)間,壓入硬度隨含水率的增大而降低,凍土可鉆性隨含水率的增大而增強(qiáng)。

凍土可鉆性級(jí)別可據(jù)壓入硬度大小和回歸方程得出。

(2)常規(guī)法劃分級(jí)別

按常規(guī)法,依據(jù)壓入硬度對(duì)凍土可鉆性進(jìn)行分級(jí),如表2所示。級(jí),如表1所示。

表1 依據(jù)縱波波速凍土可鉆性分級(jí)結(jié)果表

3.2 壓入硬度法

(1)壓入硬度與可鉆性級(jí)別的回歸分析與級(jí)別確定

據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,得出壓入硬度與可鉆性級(jí)別的回歸方程和關(guān)系曲線(圖2)。

式中:y——可鉆性級(jí)別;

x——溫度;

R——回歸系數(shù),R=0.9586。

圖2 壓入硬度與可鉆性級(jí)關(guān)系曲線

表2 依據(jù)壓入硬度凍土可鉆性分級(jí)結(jié)果表

3.3 強(qiáng)度法

3.3.1 按抗壓強(qiáng)度分級(jí)

(1)抗壓強(qiáng)度法與可鉆性級(jí)別的回歸分析與級(jí)別確定

據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,得出抗壓強(qiáng)度與可鉆性級(jí)別的回歸方程和關(guān)系曲線(圖3)。

式中:y——可鉆性級(jí)別;

x——溫度;

R——回歸系數(shù),R=0.9699。

圖3 抗壓強(qiáng)度與可鉆性級(jí)關(guān)系曲線

根據(jù)曲線可知:含水率在13%～25%一定時(shí),溫度在-1～24℃區(qū)間,總的趨勢(shì)是,抗壓強(qiáng)度隨溫度的降低而增大,凍土可鉆性隨溫度的降低而降低。在-20℃時(shí),凍土可鉆性較強(qiáng)。-20℃是可鉆性的拐點(diǎn)溫度。溫度在-1～24℃且一定時(shí),含水率在13%～19%區(qū)間,抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而增大,凍土可鉆性隨含水率的增大而降低。含水率在20%～25%區(qū)間抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而降低,凍土可鉆性隨含水率的增大而增強(qiáng)。

凍土可鉆性級(jí)別可據(jù)抗壓強(qiáng)度大小和回歸方程得出。

(2)常規(guī)法劃分級(jí)別

按常規(guī)法,依據(jù)抗壓強(qiáng)度對(duì)凍土可鉆性進(jìn)行分級(jí),如表3所示。

表3 依據(jù)抗壓強(qiáng)度凍土可鉆性分級(jí)結(jié)果表

3.3.2 按抗剪強(qiáng)度分級(jí)

(1)抗剪強(qiáng)度與可鉆性級(jí)別的回歸分析與級(jí)別確定

據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立數(shù)學(xué)模型,得出抗剪強(qiáng)度與可鉆性級(jí)別的回歸方程和關(guān)系曲線(圖4)。

式中:y——可鉆性級(jí)別;

x——溫度;

R——回歸系數(shù),R=0.989 7。

圖4 抗剪強(qiáng)度與可鉆性級(jí)關(guān)系曲線

根據(jù)曲線可知:含水率在14%～25%且一定時(shí),溫度在0～14℃區(qū)間,溫度越低,抗剪強(qiáng)度越低,可鉆性越好,-14℃以下,溫度越低,抗剪強(qiáng)度越高,可鉆性越差。-14℃是可鉆性的拐點(diǎn)溫度。溫度在-1～24℃且一定時(shí),含水率在14%～25%區(qū)間,凍土抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而降低,凍土可鉆性隨含水率增大而增強(qiáng)。

凍土可鉆性級(jí)別可據(jù)抗剪強(qiáng)度大小和回歸方程得出。

(2)常規(guī)法劃分級(jí)別

按常規(guī)法,依據(jù)抗剪強(qiáng)度對(duì)凍土可鉆性進(jìn)行分級(jí),如表4所示。

表4 依據(jù)抗剪強(qiáng)度凍土可鉆性分級(jí)結(jié)果表

任一單一可鉆性指標(biāo)都不能全面地反映凍土的可鉆性。因此,在實(shí)際工程應(yīng)用中,應(yīng)盡可能地采用各種測(cè)試方法對(duì)凍土可鉆性進(jìn)行測(cè)試,對(duì)各種指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,選取最佳優(yōu)的凍土可鉆性指標(biāo),以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)與施工。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于以凍土波速、壓入硬度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度為指標(biāo)分級(jí)時(shí),有如下規(guī)律:含水率在13%～25%且一定時(shí),-20℃是可鉆性的拐點(diǎn)溫度;溫度在-1～24℃且一定時(shí),含水率在13～19%區(qū)間,凍土可鉆性隨含水率的增大而降低。溫度在-1～24℃且一定時(shí),含水率在20%～25%區(qū)間,凍土可鉆性隨含水率的增大而增強(qiáng)。

(2)對(duì)于凍土抗剪強(qiáng)度為指標(biāo)分級(jí)時(shí),有如下規(guī)律:含水率在 14%～25%且一定時(shí),溫度在 0～14℃區(qū)間,溫度越低,可鉆性越好,-14℃以下,溫度越低,可鉆性越差。-14℃是抗剪強(qiáng)度的拐點(diǎn)溫度;溫度在-1～24℃且一定時(shí),含水率在14%～25%區(qū)間,凍土抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而降低,凍土可鉆性隨含水率增大而增強(qiáng)。

(3)凍土可鉆性可分為四級(jí),可鉆性一級(jí)的凍土表現(xiàn)為較強(qiáng)的塑性,適于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法鉆進(jìn);可鉆性二級(jí)的凍土為塑性向脆性過(guò)渡階段的凍土,塑性及脆性都較弱,但可鉆性二級(jí)、溫度為-20℃以下的凍土脆性明顯增強(qiáng),因此,對(duì)于可鉆性二級(jí)的凍土,可分為2個(gè)區(qū)域。其一為塑性較強(qiáng)、脆性較弱的凍土(凍土溫度在-20℃以上時(shí)),其二為脆性較強(qiáng)、塑性較弱的凍土(凍土溫度在-20℃以下時(shí))。前一個(gè)區(qū)域的凍土適于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法鉆進(jìn),后一個(gè)區(qū)域的凍土適于沖擊方法或沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法鉆進(jìn);可鉆性三級(jí)～四級(jí)的凍土表現(xiàn)為較強(qiáng)的脆性,適于沖擊方法或沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)。

[1]朱元林,吳紫,馬巍,等.中國(guó)凍土力學(xué)研究最新進(jìn)展及今后研究方向[A].程國(guó)棟.第五屆全國(guó)冰川凍土學(xué)大會(huì)論文集〔下)[C].蘭州:甘肅文化出版社 ,2001:28.

[2]張志紅.凍土可鉆性的試驗(yàn)研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,7(3):8-9.

[3]何平,程國(guó)棟.非飽和凍土的強(qiáng)度分析[J].冰川凍土,2002,7(2):32.

[4]M cllor M.M echanics of cutting and boring part,Dynamics and Energetics of Transverse Rotation Mechanics,CRREL[J].Special Report,1987,4(2):78-11.

[5]Zelenin ,A N ,Cutting of Soils ,etc .Ex cav atio n r esistance of a rtificially frozen soils 3rd Intsymp o n g round freezing[ J] .Hanove r New Hampshire ,U .S .A ,1987 ,3(1):35-39.

[6]潘殿琦.人工凍土縱波波速與溫度和含水率關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2006,36(4):591.

[7]徐學(xué)祖,王家澄,張立新.凍土物理學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2001:3,34.