（地质工程专业论文）淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与结构成分的研究.pdf

摘要 人工冻融土是作为应用人工冻土支护技术应用后遗留下来的一种土质，它 相对于原状土的物理力学性质和工程性质有了很大的改变。本文以淮南刘庄煤 矿主井的人工冻融土为研究对象，用x 射线衍射( x d a ) 分析、偏光显微镜、扫 描电镜( s e m ) 以及化学全分析等多种手段对淮南刘庄煤矿人工冻融土进行了矿 物成分分析、微结构研究；著根据冻胀试验，融沉试验以及人工冻融土的蠕变 固结试验，定性地分析人工冻融土的矿物成分对其试验结果的影响。主要研究 成果包括： ( 1 ) 对淮南刘庄煤矿主井的原状土和人工冻融土进行x 射线衍射半定量分 析，以及化学全分析；定量计算不同地层原状士和人工冻融土中各类碎屑矿物 和粘土矿物成分的相对含量，以及不同地层之间的化学成分含量； ( 2 ) 基于对原状土和人工冻融土的微结构分析( 主要是偏光显微镜和扫描 电镜) ，找出其物理、力学性质差异和在微结构中的不同表现，进一步建立它们 之间的相互联系： ( 3 ) 对原状土和人工冻融土进行冻胀试验以及对人工冻融土进行融沉试 验，试图找出它们的冻胀规律和融沉规律，并确定每层土的冻胀量和融沉量； ( 4 ) 对每一层人工冻融土进行固结流变试验，建立了实用的非线性粘弹性 固结蠕变模型，即标准线性模型和b u r g e r s 模型。对所选模型进行数值变换分 析，运用最小二乘法对模型曲线进行回归拟合，得出其蠕变参数： ( 5 ) 结合x 射线衍射，偏光显微镜和扫描电镜对原状土和人工冻融土矿物 进行研究。对人工冻融土流变试验结果、冻胀量和融沉量的观测结果进行对比 分析。 关键词：人工冻融上衍射微结构冻胀蠕变对比分析 4 a b s t r a c t a sal e a v e db e h i n dc 1 a yb ya r t i f i c i a l1 yf r o z e ne a r t hs h o r i n g ，t h e a r t i f i c i a l l yf r o s t t h a w e ds o l l sh a sc h a n g e d1 a r g e l yi np h s i o - m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n de n g i n e e r in gp r o p e r t i e sr e l a t i r et ou n d i s t u r b e ds o l i s ，i n t h i sp a p e r ，t a k i n gt h ea r t i f i c i a lf r o s t t h a w e ds o l i so ft h em a i nw e l l i nt h el i u z h u a n gc o a lm i n eo fh u m n a na ss t u d yo b j e c t s ，s o m em e t h o d sw e r e u s e dt oa n a l y z et h em i n e r a le l e m e n ta n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h em a i nw e l l g r o u n d w o r k ，s u c ha sa n a l y s i so fx d a ，t h em e t h o do fp o l a rm i c r o s c o p ea n d s e ma sw e l la sc h e m i s t r yt o t a la n a l y s i s ：t h ee f f e c to ft h er e s u l to ft e s t o nm i n e r a lc o m p o n e n tw a sa n a l y z e dq u a li t a t i v e l yb yt h et e s to ff r o s t h e a v e ，t h a w i n gs e t t l e m e n ta n dc r e e pc o n s o li d a t e t h ep r i m a r yr e s u l t so f s t u d yc o n c l u d e5p o i l 3 t s ： i t h ea r t i f i c i a l l yf r o s t t h a w e ds o l l sa n du n d i s t u r b e ds o i l so fm a i n w e l ii nl i u z h u a n gc o a m i n eo fh u a i n a nw a ss t u d i e dw i t ht h em e t h o d so f x d a h a l f q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s a n dc h e m i s t r yt o t a la n a l y s i s ：t h e r e l a t i v e c o n t e n to fc h i p p i n gm i n e r a la n dc l a ym i n e r a lw e r ec a l c u l a t e d q u a n t i f i c a t i o n a l l y ，a sw e l la st h ec o n t e n to fc h e m i ce l e m e n to fd i f f e r e n t s t r a t u m s i i b a s e do nt h ea n a l y s i so i lt h em i n i s t r u c t u r eo fu n d i s t u r b e ds o i l a n df r o s t t h a w e ds o l l ，t h ed i f f e r e n c eo fp h y s i c a lq u a l i t ya n dc h e m i c q u a l i t yw e r ef o u n do nd if f e r e n tm i n i s t r u c t u r ea n dt h er e l a t i o nb e t w e e n t h e m i i i b a s e do nt h ef r o s t h e a v e t e s to nu n d is t u r b e ds o i la n d f r o s t - t h a w e ds o l l ，a n dt h a w in gs e t t l e m e n tt e s t0 1 1f r o s t t h a w e ds o l l ，t h e d i s c i p l i n a r i a no ft h ef r o s th e a v ea n dt h a w i n gs e t t l e m e n tw e r ef o u n d ， w h i c hc a ne n s u r e dt h eq u a n t i t yo ff r o s th e a v ea n dt h a w i n gs e t t l e m e n to f e v e r ys t r a t u m s i v t h en o n l i n e a rv i s c o u s e l a s t i cc o n s 0 1i d a t e c r e e pm o d e ln a m e dt h e s t a n d a r dl i n e a rm o d e la n d b u r g e r sm o d e l w a se s t a b l i s h e db y c o n s o ii d a t e r h e o o g yt e s to ne v e r yf r o s t t h a w e ds o l l t h en u m e r i c a l c o m m u t a t i o na n a l y s i sw a su s e do nt h es e l e c t e dm o d e l ：t h ec u r v eo ft h e m o d e lw a sr e g r e s s e db yt h e1 e a s t - s q u a r ea l g o r i t h mt h e o r y t h u sitc a r l g e tt h ep a r a m e t e ro fc r e e p 5 v c o m b i n in gt h ex d a a n dp o l a rm i c r o s c o p e a sw e l la ss e m ，t h e a r t i f ic i a l l yf r o s t t h a w e d s o l l sa n du n d is t u r b e ds o i lsm i n e r a lw a s s t u d i e dq u a l i t a t i v e l y t h er e s u l t so fr h e o l o g yt e s ta n d t h em e a s u r e m e n t s o ff r o s th e a v ea n dt h a w i n gs e t t l e m e n tw e r ea n a l y z e dc o n t r a s t i v e l y k e y w o r d s ： a r t i f i c i a l l yf r o s t t h a w e dc l a y ：d i f f r a c t i o n ； m i s c r o s t r u c t u r e ：f r o s th e a v e ：c r e e p ：c o m p a r a t i r ea n a l y s i s 6 图ll 图3 1 图3 2 图3 3 图34 图3 5 图3 6 图3 7 图3 - 8 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 6 图4 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 一1 0 图4 11 图4 1 2 图4 一1 3 图41 4 图4 一1 5 图4 - 1 6 图5 - 1 图5 2 图5 - 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 插图清单 刘庄煤矿交通位置示意图一一一 粘粒含量随地层的变化一一一 k ：o 含量随地层的变化一 n a 。0 含量随地层的变化一 m g o 含量随地层的变化 c a o 含量随地层的变化一一一一 s i0 2 含量随地层的变化一一一一一 f e 。0 。含量随地层的变化一一一 f e o 含量随地层的变化 层粉质粘土原状土的中观结构特征照片 一一i 一一1 4 一1 4 1 4 1 4 一1 5 一1 5 一一1 5 层粉质粘土冻融后的中观结构照片一一一一一1 8 层粉土原状土的中观结构照片一一一一1 8 层粉土人工冻融士的中观结构照片一一一 层粘土原状土的中观结构照片 层粘土人工冻融土的中观结构照片 一1 9 1 9 层粉质粘土冻融前后的微结构一一一一2 1 层粉土冻融前后的微结构一 层粉质粘土冻融前后的微结构一一一一 层粉土冻融前后的微结构一一一 层粉质粘士冻融酊后的微结构一一 层粉质粘土冻融前后的微结构一 层粉质粘土冻融前后的微结构一一 层粘土冻融前后的微结构一一一 o 层粉质粘土冻融前后的微结构一一 。层粘土冻融前后的微结构 w d t 1 0 0 微机控制冻土试验视一一一一一一一2 8 粉土，粉质粘土，粘土的冻胀曲线一一一一一2 9 人工冻融土的拟合曲线一一一一一一一一3 1 原状土的冻胀拟合曲线一一一一一一3 2 层粉质粘土的融沉曲线一一一一一3 4 人工冻融土的融沉拟台曲线一一一一一一3 6 原状土和人工冻融土冻胀率对比图一一一一一3 7 3 4 5 5 6 7 2 2 2 2 2 2 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 图5 8 图5 - 9 图5 一l o 图5 l l 图5 1 2 图6 1 图6 2 图6 3 图6 - 4 图6 - 5 图6 - 6 图6 7 图6 8 图6 - 9 图6 一1 0 图6 - 1 1 图7 1 图7 2 图7 3 图7 - 4 图7 - 5 图7 - 6 图7 7 图7 8 图7 9 图7 - 1 0 图7 1 l 图7 1 2 图7 一1 3 图7 - 1 4 图7 一1 5 图7 一1 6 图7 一1 7 图7 一1 8 人工冻融土载荷冻胀率关系图一 原状土载荷冻胀率关系图一一 载荷对应的融沉量- 一_ 一一一 原状土冻胀率和冻融土融沉绿对比图一一一一3 9 冻融土冻胀率和融沉率对比图一一一一3 9 虎克弹簧体一一一一 牛顿粘滞体一一一一一一- - - i 一一4 l 圣维南摩擦体一一一一一4 l 几种基本的流变模型元件图一一一一一_ m - - 4 2 固结流变试验图一- - - 一 分级加载( 加应变) 下得到的蠕变曲线一一4 3 人工冻融土的试验蠕变曲线一一 4 5 层人工冻融粉质粘土的五级荷载最小二乘法拟合一一一一4 9 人工冻融土的拟合曲线圈一一一 参数e 1 的最小二乘法回归一 5 8 刘庄煤矿主井人工冻融土的沉降曲线一一一一一一5 9 伊利石含量随土层的变化 蒙脱石含量随土层的变化一一 绿泥石含量随土层的变化一一一一一_ - - 一6 2 高岭石含量随土层的变化一一 铁的氧化随土层的变化一一一一一一一6 2 碳酸钙含量随土层的变化一一一一一6 2 原状土碱金属对比图一一一一_ _ _ 一6 3 冻融土碱金属对比图一一一一一6 3 s i 观a ：o 、和s i o z r 0 。 一一一一6 4 冻融土钠含量对冻胀率的影响一一一一6 5 原状土钠含量对冻胀率的影响一一一一一一6 5 冻融土高岭石含量对应的冻胀率一一一一一一6 6 原状土高岭石含量对应的冻胀率一一一一一6 6 层粉质粘土原状土样的电镜扫描一一一6 6 层粉质粘土原状土样的电镜扫描一一一一一6 7 层粉质粘土人工冻融土样的电镜扫描一一一一6 7 层粘土人工冻融土样的电镜图样一一一7 7 层粉质粘土人工冻融土电镜图样一一一一一6 8 1 2 骝 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 图7 1 9 图7 2 0 图7 2 1 图7 2 2 图7 2 3 图7 2 4 人工冻融土铁的氧化对凝聚力的影n ( , j - 原状土铁的氧化对凝聚力的影响 冻融土中粘粒含量对应的蠕变量 层粉质粘土人工冻融土电镜图样一 层粉质粘土人工冻融土电镜图样 层粉质粘土人工冻融土电镜图样 1 3 6 8 6 9 6 9 7 0 一一一7 0 表2 一l 表2 - 2 表2 3 表3 一l 表3 - 2 表3 - 3 表3 - 4 表5 1 表5 - 2 表5 3 表5 - 4 表5 - 5 表5 - 6 表5 7 表5 - 8 表6 1 表6 2 表6 3 表6 4 表6 - 5 表6 6 表6 7 表7 一l 表7 2 表格清单 土层特性表一一一一一一5 人工冻融土冻融前后物理性质变化量统计表一一6 人工冻融土的力学性质及其变化量一一一一一一8 刘庄煤矿原状土的x 射线衍射分析成果表一一一一l l 刘庄煤矿人工冻融土的x 射线衍射分析成果表一一一一一1 2 淮南刘庄煤矿原状化学成分全分析成果表一一一1 3 淮南刘庄煤矿人工冻融土化学成分全分析成果表一一一一1 3 各层土对应冻融前后冻胀率一一一一一2 9 人工冻融土冻胀曲线拟合参数表一一一一1 - - 一3 3 原状土冻胀曲线拟合参数表一 各层土对应的融沉率 融沉曲线拟合曲线参数表一一一一一一一3 6 加荷载的人工冻融土对应的冻胀率一一一一一一3 7 加荷载的原状土对应的冻胀率一一一3 8 加荷载的人工冻融土对应的融沉率一一一一3 8 层冻融粉质粘土的应力应变历时表一一一一一4 4 人工冻融土的流变参数表一一一一一一5 】 钻孔灌注桩设计参数一一一一一一一5 7 各层土白重应力下对应的蠕变参数一一一一一一5 8 各层土在附加应力作用下所受的压力对应的蠕变参数一一一5 8 融沉率和冻胀率的对应关系图一一一一5 9 主井井塔沉降结果曲线表一一一一一6 0 各金属阳离子所对应的离子半径一一一一一一一6 5 土中n a + a r 的关系表一一- _ _ 一一一一6 5 1 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金蟹王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的刷志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 - n ， 学位论文作者签名：均她签字日期：2 0 0 6 年1 2 月1 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权金胆王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 码她 签字日期：w 。年1 2 月侈n 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 3 导师签名 签字日期：刀口辟f v 月 电话： 邮编： 幻 弘 致谢 本文的研究工作是在导师崔可锐教授悉心指导下完成的。导师敏锐的思维 和洞察力给我以深刻的启迪：导师渊博的知识，严谨求实的治学风范，孜孜不倦 的工作精神和高度的责任心以及对科学的奉献精神，给学生以很大影响，将使 我受益终生：恩师的谆谆教导以及在生活诸多方面的关心与帮助，特此谨表衷心 的感谢。 感谢合肥工业大学岩土公司在整个论文研究过程中给予的帮助。 感谢在读研究生胡清华、官政亭、薛博在我做论文期间对我的帮助。 特别感谢我的父母，多年来，是他们为我倾注了一切，在生活和学习上默 默地给予我最大的奉献和支持，才使我得以完成学业，愿本文能给他们带来一 丝欣慰。 感谢许多给了我无私帮助和支持的人们1 7 2 0 0 6 1 2 作者马文生j ：合肥 合肥工业大学硕士学位论文 淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与结构成分的研究 第一章绪论 1 1 工程概述 人工冻融土一般是在人为作用下在o 。c 以下冻结，然后在自然或人为因素的 作用下而使之消融，并改变了土的物理力学性质的一种土质；它是在地下空间 和矿山建设中为方便基坑支护使土冻结、然后消融后遗留下来的一类土，也就 是说它是人工冻土应用后的产物。 本文所做课题为国投新集能源股份有限公司刘庄特大型矿井，设计生产能 力为年产煤炭8 0 0 万吨，主井井塔高为9 0 米，跨度为2 4 米，钢筋混凝土结构， 总重量为3 1 0 0 0 吨，采用一3 3 盐水冻结。冻结深度为6 0 0 米，解冻深度为6 0 米，主井井塔基础采用钻孔灌注桩，设计桩径为1 0 0 0 毫米，桩长为4 5 米，单 桩竖向承载力特征值为4 0 0 0 k n 一4 3 0 0 k n ，总桩数为8 6 根；而这6 0 米的解冻土为 本文研究重点。 刘庄矿井位于安徽省阜阳市颖上县刘庄村如图l 一1 ，场地原为农田，现己 平整表层堆矸石填，本场地属淮北冲、洪积平原地貌，场地地形平坦，地面标 高2 6 7 0 米左右，场地地貌单一，第四系土层覆盖厚度大。 作者：马丈生 指孚老师：崔可锐教授 图卜i 刘庄煤矿交通位置示意图 l 省界，2 铁路，3 城镇，4 刘庄煤矿 合肥x - 业大学硕士学位论叉 淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与结构成分的研究 1 2 人工冻融土的简介 因为人工冻融土是人工冻土应用的后续，所以对其研究必须提及人工冻土 的应用。 1 2 1 人工冻土的应用的现状 地层人工冻结技术最早于1 8 6 2 年在英国应用，此后德国，比利时，美国， 法国，奥地利，荷兰，前苏联，瑞典和日本等相继应用了冻结法。冻结法最初 应用最多的领域是矿山工程，但在其它工程领域起步也较早。1 8 8 6 年瑞典在一 个长2 4 米的人行隧道施工中使用了冻结法，1 9 0 6 年法国就把冻结法应用于横穿 河底的地铁工程中，前苏联在2 0 世纪7 0 年代，使用冻结法构筑了7 0 个地铁斜 井隧道，日本自1 9 6 2 年起己在地铁，隧道，污水道等实施了3 4 0 个冻结工程。 我国于1 9 5 5 年在开滦煤矿林西风井首次使用冻结法，至今己利用冻结法建 立井4 5 0 多个，总延米达7 0 0 0 0 米，其中冻结深度最大达4 3 5 米，冻结表土层 最厚3 7 4 5 米。2 0 世纪6 0 年代术，在北京地铁开挖施工中，用垂直孔冻结法， 形成长9 0 米的护坡加固带，其冻深达2 6 米，开挖深度2 0 2 2 米，1 9 7 7 年北 京地铁复八线，此后上海地铁2 号线，南京地铁线接着应用。 1 - 2 2 人工冻结法存在的问题 任何施工方法在发挥其积极作用的同时，也会对周围环境产生一定的负面 效应，冻结法也不例外。冻结的目的是要形成冻土帷幕作为隔水和承载围护结 构，由于在冻结过程中会引起土体的冻胀，以及以后土体的融沉和蠕变。 1 2 3 冻结法研究的理论现状 对人工冻融土的研究，目前大多局限于研究大致可以分为：对人工冻融土 的物理性质、水理性质的研究和对土力学性质的影响两个方面来分析，尽管它们 是相互联系的。 从宏观方面考虑，我国从2 0 世纪5 0 年代丌始陆续系统地对冻土的强度与 变形特性进行了试验研究，并提出相应的实验数学力学模型，对工程上常用的力 学性质指标以及特殊的流变性也进了长期系统的实验研究；其中以吴紫汪、马 巍、朱元林、何平等人为代表；洪升( 1 9 9 5 ) 等对冻土的断裂特性进行了较系统 的实验研究，俞祁浩等还对冻土的抗冲击强度进行了实验：但这些研究都没有涉 及到人工冻融土。 为了进一步了解人工冻融土的破坏机理与蠕变机制，需要从结构角度出发， 一瞥人工冻融土在外力作用下的一些结构变化特点，以图窥视冻土在荷载作用 下的微观变化；本世纪初首次提出采用电子显微镜、计算机图象处理系统，使微 观结构研究达到了定量化的程度，并且取得一定成绩；从2 0 世纪6 0 年代以柬， 主要借助于高倍光学显微镜，维亚洛夫、m i a o t i a n d e e t a 、马巍等进行了冻土 单轴蠕变过程微结构变化的观测，利用c t 技术观测分析了冻土三轴压缩蠕变过 程中结构的变化情况，苗天德( 1 9 9 5 ) 等人根据冻土蠕变过程中微结构变化结果， 作者：马文生2 指导老师：崔可锐教授 合肥工业大学硕士学位论文 淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与结构成分的研究 提出了冻土蠕变的微结构损伤理论及相应的损伤演化方程。 1 3 本文研究的内容和意义 对人工冻融土的研究，多数研究者通常是从宏观的工程性质和常规的土工 试验得出人工冻融土的一些物理力学性质指标去探索人工冻融土的特殊工程性 质，极少从微观的角度对人工冻融土的冻胀、融沉本质进行深入的研究探索。 随着科学技术的发展，各种精密仪器的更新换代使得我们能够进入人工冻融土 的微观世界，探索其中本质成为可能。但是这些研究都把宏观的研究和微观的 研究割裂开来去研究；就人工冻融土本身而言有萁共同的特征也有自身的特殊 性，不同深度的土层由于前期地质作用和成因不同，沉积环境不同而表现出相 异的特性，但这些都是由于微观结构、内部成分引起的；所以本文的研究是试 图把两者结合起来。 通过土的冻胀和融沉的应用研究，着重考虑土的冻胀量和融沉量，并求得 理论上的融沉和冻胀率；对人工冻融土进行蠕变试验，确定蠕变参数，从而为 计算人工冻融土的沉降提供了可能。这样通过宏观的研究土层应力一应变关系， 结合微观的定量和定性研究，找出其中的规律。 具体研究内容为： ( 1 ) 通过对原状土和人工冻融土的常规试验和抗剪、抗压试验，分析了人 工冻融土相对于原状土的变化量，为后面的微结构分析和成分分析提供了基本 依据。 ( 2 ) 对人工冻融土和原状土做x 一衍射分析，化学成分研究来分析矿物的 成分变化及其原因分析。 ( 3 ) 对人工冻融土和原状土做显微镜分析和电镜扫描，找出人工冻融土相 对于原状土的微结构变化的原因，并对此进行分析。 ( 4 ) 对人工冻融和原状土进行冻胀，融沉试验；得到每层土的冻胀量和 融沉量。 ( 5 ) 用单轴固结仪做人工冻融土的蠕变试验，从而确定人工冻融土随时间 蠕变变形，从而确定地层的沉降。 作者：马文生3 指导老师：崔可锐教授 合肥工业大学硕士学位论文 淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与结构成分的研究 第二章人工冻融土的工程特性和物理力学性质 2 1 人工冻融土的形成机理 人工冻融土是随着人工冻土学和人工冻结施工技术的发展和应用而逐步被 人们所认识到的，它在应用时、可以不改变周围的环境，利用土体本身组成，将 不利因素的水变为聚力大、强度高、压缩性低和隔水性好的冻土体；由于土体 在冻结时的析冰作用和融化时冰的融沉，改变了土体原来的物理力学性质。但这 在覆盖于刘庄煤矿煤层上面的第四系、第三系地层的旌工是很有效的。 土在冻结过程中，土中水分向冻结面转移( 这种现象叫“水分迁移”) ，产 生聚球作用使土粒分离产生冻胀，从而破坏了土的原有结构。土在融冻时，由 于其中水分在自重压力和附加压力作用下逐渐排出重新固结，这就是孑l 隙水压 力消散土的强度逐步得到恢复的过程。但不同的土其冻胀率和融冻后的强度恢 复速率是不一样的。粘性土虽然具有足够大的表面能，但由于其渗透性很差， 水分迁移阻力很大。因而其冻胀率较小。而像粉土、精细砂等粒径稍粗的土， 既有足够大的表面能，渗透性又好，水分迁移阻力小。一般均为含水层，因而 大量水分发生迁移，引起较大冻胀。而对于那些颗粒更粗的中粗砂，由于表面 能小，冻结时水分基本不发生迁移，仅产生少量冻胀。融冻时冻胀率最大的粉 土、精细砂强度降低很多。但随着时间的椎移，由于其渗透性好，孔隙水压力 消散得快，因而其强度恢复也很快。而粘性土由于其渗透性差，强度恢复很慢。 2 2 人工冻融土的工程特性 刘庄煤矿主井场地属于淮北冲洪积平原地貌，场地地形平坦，地面标高 2 6 7 0 米左右，场地地貌单一，第四系土层覆盖厚度大。 该场地各个土层以粘性土为主，根据勘察所揭示的资料，现将场地地层按 自上而下的顺序分述如下表2 1 。 2 3 物理性质研究 本章主要研究了淮南刘庄煤矿主井地层原状土与人工冻融土的密度、干密 度、含水量、饱和度、孔隙比、塑限、液限、塑性指数、液性指数、渗透系数 等物理指标的差异。现场取回土样时，为减小空气对试样的影响，使土样与原 状土发生变化，待取出土样后，便推出取土器，用保鲜密封袋包裹好，密封保 存，防止水分向土样迁移，再制作试件进行试验。土样试验方法，遵照土工试 验规范。本次试验主要做了：密度、干密度、含水量、饱和度、孔隙比、塑限、 液限、塑性指数、液性指数等参数的测定，含水量测定采用烘干法、密度试验 采用环刀法、比重试验采用比重瓶法、界限含水量采用液塑限联合测定法、压 缩试验采用w g 一1 b 三联中、低压固结仪，抗剪强度为直剪试验、渗透为变水 头渗透试验，每层土的具体物理性质指标见下表2 2 。 作者：马支生4 指导老师：崔可锐教授 掣群霉p堪釜一帮咖霉叫耐回如警 虹 啦 薰 聪 ! h 一 差 誉 虹 蛙 托 耥 - 二 林 鍪 奇 皿- 辅噬 薹 瞅 求 叁聪 蛏 嵌 毽 划 粒 融 囊黼正 耕妊 矧 蓁 崮 h +窿叁 念 $ 鹾 窭 m 球弛； 蜷 躐 唑 最 梢 誉 楗 泄 忙 酶 嚣 球 珉 豁皿 赛 * 精e ( 镫 水 念 氅淞 怔 哩蝴 刊豁 妥导 幅 -正鑫 嚣 犍 忙划 摧 林球 踏 蓁；| 垂 导 需 罪 - 襁n艘 摧 刁 垡 霹 冰 霜 世 彝 箍 扣巨 垡 刊擎 疽 林 8越 鹾 -1 l 晕 稍 - 曩 暖h 霎 _ h 嚣 霎霎 豁裂 h _ 船芒 基 醛-廿环蜓 辑r 椭?姆辜龉雾 会 稍 扭 塔峰i蜓 辍 警娶器球涎 缸 钿 钿 _ h 盏 - h 啮 h 蛆 蚓 蠼 坦 箍 姐蛆 窿 莲 辗 糨 - ?驱? 如锄坦蝴湖脚 ? 脚 蛆般锄辐刘 田： 眺 韫 嚆 蛆】 姐 蟋蒜 椒 掘糕糕懋= i | 砸=拭 髫剐瞽 鼎刿鹫崮 型? ? 怕翱测烈剥剽剽烈剥 篓 型旨日f i日基日 耳 刮嚣嚣瑟犀毒 幕 嚣*嚣 犀 到 蚓赠酒 蝴蚓蚓鲁艘蚓艘 隧 裂 世 啦 世 叫 刊年 一+ 斗 拯爨舞舞舞霎 嚣 世 蜓 蜓 峰蜓蜒 钾 娶+窭+窦弈 窭 “$+ 瞍 噬 鑫 蹬集 蹦 蹬蹬杂噬翼 蝴 。 悄趟浆嵝刊 一山懈 妖窜譬奄餐军事皂r蜒塑，嘤hq龆事，h硝曾球州奄蜡避苌定婴 耐帛革扑书罾特爿“星如 合肥工业大学硕士学位论文 淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与结构成分的研究 表2 2 人工冻融土冻融前后物理性质变化量统计表 土的类重度干重 层 别及 y 度yd 塑性液性 号 变化量含水比重 ( k n m ( k n m 孔隙饱和液限 塑限 指数指数 ( ) 量w g ；3 ) 比e 0 度s 。 w - w d ipi l 露 原状土 2 4 32 7 42 0 21 6 20 ，0 6 43 9 42 1 91 7 50 1 3 质 冻融十 2 5 22 7 32 01 5 9o 6 7 i1 0 03 72 0 91 6 10 3 粘- l 变化量 3 7 0 4- 0 3 6 50 9 9一1 8 5 29 4 8 4 6 0 9 1- 4 5 6 6_ 81 3 0 8 原状土 2 6 82 7 32 021 5 9o 6 8l o o3 2 91 9 2t 3 7o 5 5 粉 质 粘 冻融土2 6 62 7 21 9 61 5 4 0 7 4 9 8 3 3 31 9 31 3 9o 7 土 变化量 - 0 7 4 60 3 6 62 9 73 1 4 58 8 2 4 21 2 1 6 o 5 2 11 4 62 7 2 7 原状土 3 4 12 7 41 9 31 4 40 8 6 61 0 04 22 2 91 9 10 6 粉 质 粘 冻融土 2 4 62 7 l2 0 21 6 20 ，6 4 41 0 02 7 61 71 0 60 7 l t 变化量 一2 7 8 6一1 0 9 54 6 61 2 52 5 6 403 4 2 92 5 7 64 4 51 8 3 3 原状土3 0 2 7 41 9 61 5 10 ，7 8 5l o o4 2 82 3 31 9 50 4 5 粉 质 粘 冻融土3 0 22 7 3 1 9 41 4 90 8 0 59 93 5 62 0 _ 31 5 3o 7 土 变化量0 6 6 70 3 6 5 1 0 2 1 3 2 5 2 5 4 8- l1 6 8 21 2 8 8- 2 1 5 45 5 5 6 原状十2 6 8 2 7 32 0 11 5 90 6 8 4】0 03 62 0 41 5 60 3 5 粉 质 粘 冻融土2 6 9 2 7 31 9 81 5 7o 7 1 49 93 6 62 0 71 5 90 4 士 变化最 o 3 7 301 4 9 3- 1 2 5 84 ，3 8 611 6 6 71 4 7 11 9 2 31 4 2 9 原状土 2 32 7 32 0 51 6 70 6 0 81 0 03 8 42 1 41 7 20 0 6 粘 土 冻融土2 3 52 7 4 2 0 4 1 6 5 0 6 2 91 0 04 2 92 3 31 9 6o 0 2 变化量 2 1 7 40 3 6 6，0 4 8 8i 1 9 83 4 5 4 o1 1 7 28 8 7 9 1 3 ，9 5 6 6 6 7 原状土 2 62 7 31 9 81 5 6o 7 2 l 1 0 03 5 92 0 41 5 5o 4 4 粉 质 粘 冻融土 2 5 82 7 32 01 5 90 6 8 81 0 03 7 12 0 91 6 ，2 0 3 4 变化量 0 7 6 901 0 11 9 2 34 5 7 703 3 4 32 4 5 l4 5 1 62 2 7 3 o原状土2 4 42 7 32 0 21 6 30 6 41 0 03 4 82 01 4 80 3 3 粘 土 冻融土 2 3 82 7 42 0 41 6 5o 6 3 11 0 03 9 72 21 7 7o 1 变化量 2 4 5 90 3 6 60 9 91 2 2 7一1 4 0 6 01 4 0 81 01 9 5 96 9 7 作者：马文生 指导老师：崔可锐教授 6 合肥工业大学硕士学位论文 淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与结构成分的研究 因为刘庄煤矿人工冻融土是在补水的开放系统下进行的，即冻融过程是土 颗粒密度场、水分场、应力场重新排列的过程。干容重较大的土体反复冻融作 用下将会变得松散，密度降低；而对于干容重较小的土体，冻融过程是土体密 实过程；且在冻结过程中未冻区水分被抽吸，集聚至冻结面，或更确切地说是 集聚在冻结边缘区的冰透镜体侧，且冻结成冰透镜体，使土颗粒间隙分开， 并被冰所充填，融化后有相当部分水便留了下来；此时人工冻融土中任何水 量的微小变化，都将导致人工冻融士力学性质非常明显、甚至是很剧烈的改变， 问题就在于这一部分水集中于极窄小缝隙，毛细管和矿物颗粒接触点处，因而 其数量的任何变化就剧烈地影响到矿物颗粒间的粘聚力。 2 4 力学性质的研究 土的力学性质是一重要的工程性质，土体的稳定性、承载力等问题均取决 于土的强度和变形。为了研究人工冻融土的力学性质，在收集资料的基础上， 作者进行了几十组的直剪试验、不排水不固结剪切试验和天然压缩试验，表2 - 3 列出了淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土的力学性质指数。 2 5 原状土和人工冻融土物理力学性质的比较及差异原因分析： ( 1 ) 土冻融后，密度，干密度及塑性指数略有降低：孔隙比，液性指数略有 增大，而其它物理指标基本一致。 ( 2 ) 人工冻融土较原状土压缩指数增大，压缩模量减小；土在冻融过程中破 坏了其结构，人工冻融土粘聚力较原状土减小，内摩擦角也略有减小，但数值 很小。 ( 3 ) 人工冻融土的孔隙体积增大、强度降低、含水量都较原状土有所增大， 压缩性增大，这些都是土体发生融沉的主要原因。 从上述的物理力学性质和化学成分指标可知，淮南刘庄矿井的人工冻融土 含水量高，孔隙比大，压缩性高，强度低。见表( 2 - 2 、2 - 3 ) 。 作者：马文生 7 指导老师：崔可锐教授 合肥工业大学硕士学位论文 淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与结构成分的研究 表2 3 人工冻融土的力学性质及其变化量 层号类型及变剪切q 剪切u u压缩天然 化帚( )c ( k p a ) 口( 度)c ( k p a )中( 度)a ( m p a l ) e s ( m p a ) 原状十 7 0 9 43 59 6 o 】81 0 ，0 9 粉质 冻融土 6 91 0 13 44 90 3 25 9 l 粘土 变化鼋 1 4 2 8 67 4 4 6 8 2 8 5 7 1 - 4 8 9 5 87 7 7 7 8- 4 1 4 2 7 原状土 3 12 1 52 8330 ，2 48 4 1 粉质冻融土 2 52 8 23 1 90 3 7 7 1 粘土 变化量1 9 3 5 53 1 】6 38 9 2 8 6 4 2 4 2 45 4 1 6 71 5 5 7 7 原状土 4 51 7 62 74 20 3 26 1 9 粉质冻融土 5 3 0 1 7 1 1 6o 2 5l o ，1 2 粘土 变化量 8 8 。8 8 97 1 0 2 37 4 0 7 41 7 6 1 9- 2 i 8 7 56 3 4 9 原状土 62 5 54 94 1o 2 56 5 9 粉质冻融土 4 162 3 4 3 o 3 85 8 5 粘土 变化量 5 8 3 3 37 6 4 7 i5 3 0 6 l4 8 7 8 15 21 1 2 2 9 粉原状土 3 61 9 74 47 1o 2 l8 ，4 质冻融土4 81 2 32 448o 3 l6 ，0 4 粘土 变化量 3 3 3 3 33 7 5 6 44 5 4 5 5 - 3 2 3 9 44 7 6 1 9 2 8 0 9 5 原状土 8 4 2 1 1 5 8 9 8 0 1 i1 4 5 8 粘土 冻融土 6 91 0 76 l6 。4o 。1 71 1 。7 3 变化量1 7 8 5 74 9 2 8 95 1 7 2 43 4 6 9 45 4 5 4 51 9 5 4 7 粉原状土3 66 90 2 28 6 3 质 冻融土 3 99 63 63 8o 2 87 4 6 粘土 变化量 0 4 4 9 2 82 7 2 7 31 3 5 5 7 原状土 3 41 2 2o 1 91 0 ，0 9 粘士 冻融土 6 81 4 54 39 ，8o 1 51 1 7 1 变化量 2 6 4 7 1 1 9 6 7 2 - 2 1 0 5 31 6 0 5 6 作者：马文生 指导老师：崔可锐教授 8 合肥工业大学硕士学位论文 淮南刘庄煤矿主井地基人工冻融土工程性质与结构成分的研究 第三章x 射线衍射和化学成分的研究 3 1x 射线衍射的研究 3 1 1 研究目的： x 射线衍射分析是鉴定土中矿物应用最广泛的方法，利用x 射线研究矿物 在土中百分含量包括蒙脱石、伊利石、高岭石；包括石英、长石、方解石；单 盐类矿物如n a c l 、k c l 。 粘土中最常见的矿物主要是指蒙脱石、伊利石和离岭石这三神沉积型的矿 物：高岭石在野外观察时要比伊利石大，但其晶胞体积比伊利石小，这主要是 由于高岭石破碎后形成聚合体的原因，通常吸附水；蒙脱石是一种晶胞由两层 s i 一0 四面体和一层a i 一0 八面体组成的2 ：1 层型膨胀性硅酸盐，属二八面体， 层间含有松弛连接的阳离子、水层或极性有机分子层，n a + 、k + 、c a ”、m g ”、h + 等是常见的层间阳离子；伊利石是一种非膨胀性粘土矿物，四面体中大约有一 半的s r 被a 1 3 置换，而被k + 补偿，与其它粘土矿物相比，它具有较高的k 。o 含 量。 3 1 2x 射线衍射试验原理： x 射线衍射的基本原理即b r a g g 定律式的核心公式：2 d s i n 0 = n ( 1 ) 式中，d 为产生衍射的晶体中平行的原子堆积层的间距；0 为产生衍射峰值时x 射线入射角：n 为一大于零的整数；五为入射x 射线的波长，比如粘土矿物鉴定 中常用的铜源x 射线，波跃为1 5 4a ，由于其波长与大部分土中矿物的晶格或 晶层间距匹配，在土的矿物分析中应用最广。由式( 1 ) ，可以从x 射线的波长 和产生衍射峰值时入射角0 求得矿物晶体内部原子层的间距，从而根据层问间 距特征判断矿物种类。然而矿物晶体内部原子层排列是空间的，具有多个层面， 而且层面上的原子堆积密集程度不同，衍射强度就不同。所以在实际使用中， 变化x 射线的入射角对试样进行扫描，得到的是多个2 倍入射角( 2 0 ) 与对应 的衍射强度数据，应用相对强度的概念，将所有表示衍射强度的数据除于当中 的最大值，得到以百分比表示的相对强度，转换成图形后就得到2 0 ( d 值) 相对衍射强度的衍射图谱，根据图谱的衔射峰相对强