潘殿琦,吳銀柱,彭 第,黃 非,李冰潔,陳 勇

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

凍土可鉆性分級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)計提供一個科學(xué)的依據(jù)。目前國內(nèi)外很少有凍土可鉆性分級方面的研究,只有安徽理工學(xué)院馬芹永教授和他的學(xué)生張志紅對凍結(jié)黏性土進(jìn)行了三級的分級,通過測試-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個可鉆性分級指標(biāo),按溫度對可鉆性進(jìn)行了分級。分級結(jié)果是:-7℃以上為一級;-7～12℃為二級;-12℃以下為三級。該分級不合理之處在于:首先,凍土溫度的測試范圍太小,最低溫度僅為-17℃,而-20℃以下的凍土未考慮,經(jīng)研究,-20℃是凍土可鉆性分級指標(biāo)最重要溫度,是分級指標(biāo)的拐點溫度,-20℃以上的凍土可鉆性與-20℃以上有明顯區(qū)別,分級時,必須給予考慮;其次,凍土可鉆性分級的重要的強(qiáng)度指標(biāo)未考慮,凍土可鉆性分級具有局限性。根據(jù)目前國內(nèi)外在可鉆性分級方面存在的問題,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試驗研究,旨在為凍土工程設(shè)計與施工提供科學(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 凍土可鉆性分級的原則和依據(jù)

凍土可鉆性的分級是凍土鉆進(jìn)工藝參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ),而合理選擇反映可鉆性類別的指標(biāo)又是可鉆性分級的前提條件。在實際中,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)實的,但分級指標(biāo)的選取不是任意的,分級指標(biāo)的選取必須按以下原則進(jìn)行。

(1)可測性原則:凍土可鉆性必須通過相應(yīng)的測試指標(biāo)來確定,選定的凍土可鉆性的具體指標(biāo)要具有可測性;

(2)獨(dú)立性原則:同一層次的各測試指標(biāo)間不應(yīng)同時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。

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

2 凍土可鉆性分級方法

對不同凍土來說,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。但對同一凍土來說,組構(gòu)、含水量和溫度是一定時,可鉆性為常數(shù)值,這與實際工程一致。因此,判別可鉆性應(yīng)以凍土不同的組構(gòu)、含水量、溫度所對應(yīng)的波速、強(qiáng)度等為指標(biāo),對可鉆性進(jìn)行回歸分析基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)分級。分級方法為回歸分析分級法和常規(guī)分級法,2種分級方法應(yīng)相互補(bǔ)充,協(xié)調(diào)應(yīng)用。

3 凍土可鉆性分級

3.1 波速法

(1)縱波波速與可鉆性級別的回歸分析與級別確定

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

式中:y——可鉆性級別;

x——溫度;

R——回歸系數(shù),R=0.997 8。

圖1 縱波波速與可鉆性級關(guān)系曲線

根據(jù)曲線可知:含水率在13%～25%且一定時,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,可鉆性變化幅度較小,在-20℃以下時,可鉆性變化幅度較大。-20℃是可鉆性的拐點溫度。溫度在-1～24℃且一定時,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,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)。

凍土可鉆性級別,可按實際需要,據(jù)縱波波速大小和回歸方程得出。

(2)常規(guī)法劃分級別

按常規(guī)法,依據(jù)縱波波速對凍土可鉆性進(jìn)行分

根據(jù)曲線可知:含水率在13%～25%且一定時,溫度在-1～24 ℃區(qū)間,總的趨勢是,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,凍土可鉆性較強(qiáng)。-20℃是可鉆性的拐點溫度。溫度-1～24℃且一定時,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)法劃分級別

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

表1 依據(jù)縱波波速凍土可鉆性分級結(jié)果表

3.2 壓入硬度法

(1)壓入硬度與可鉆性級別的回歸分析與級別確定

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

式中:y——可鉆性級別;

x——溫度;

R——回歸系數(shù),R=0.9586。

圖2 壓入硬度與可鉆性級關(guān)系曲線

表2 依據(jù)壓入硬度凍土可鉆性分級結(jié)果表

3.3 強(qiáng)度法

3.3.1 按抗壓強(qiáng)度分級

(1)抗壓強(qiáng)度法與可鉆性級別的回歸分析與級別確定

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

式中:y——可鉆性級別;

x——溫度;

R——回歸系數(shù),R=0.9699。

圖3 抗壓強(qiáng)度與可鉆性級關(guān)系曲線

根據(jù)曲線可知:含水率在13%～25%一定時,溫度在-1～24℃區(qū)間,總的趨勢是,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,凍土可鉆性較強(qiáng)。-20℃是可鉆性的拐點溫度。溫度在-1～24℃且一定時,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)法劃分級別

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

表3 依據(jù)抗壓強(qiáng)度凍土可鉆性分級結(jié)果表

3.3.2 按抗剪強(qiáng)度分級

(1)抗剪強(qiáng)度與可鉆性級別的回歸分析與級別確定

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

式中:y——可鉆性級別;

x——溫度;

R——回歸系數(shù),R=0.989 7。

圖4 抗剪強(qiáng)度與可鉆性級關(guān)系曲線

根據(jù)曲線可知:含水率在14%～25%且一定時,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℃是可鉆性的拐點溫度。溫度在-1～24℃且一定時,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)法劃分級別

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

表4 依據(jù)抗剪強(qiáng)度凍土可鉆性分級結(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,在實際工程應(yīng)用中,應(yīng)盡可能地采用各種測試方法對凍土可鉆性進(jìn)行測試,對各種指標(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)計與施工。

4 結(jié)語

(1)對于以凍土波速、壓入硬度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度為指標(biāo)分級時,有如下規(guī)律:含水率在13%～25%且一定時,-20℃是可鉆性的拐點溫度;溫度在-1～24℃且一定時,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,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)對于凍土抗剪強(qiáng)度為指標(biāo)分級時,有如下規(guī)律:含水率在 14%～25%且一定時,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)度的拐點溫度;溫度在-1～24℃且一定時,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,可鉆性一級的凍土表現(xiàn)為較強(qiáng)的塑性,適于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法鉆進(jìn);可鉆性二級的凍土為塑性向脆性過渡階段的凍土,塑性及脆性都較弱,但可鉆性二級、溫度為-20℃以下的凍土脆性明顯增強(qiáng),因此,對于可鉆性二級的凍土,可分為2個區(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),其二為脆性較強(qiáng)、塑性較弱的凍土(凍土溫度在-20℃以下時)。前一個區(qū)域的凍土適于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法鉆進(jìn),后一個區(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～四級的凍土表現(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)。

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