摘要
人工地层冻结法是富含水深厚冲积层立井施工的首选工法。如何安全穿越深厚冲积层，尤其是深部黏土层是其中的关键。然而，在两淮地区立井井筒施工中在钙质黏土层与其他土层交界面上频繁发生断管事故。现场调研发现:钙质黏土层冻结滞后，强度低，立井掘进至此处时由于径向卸载，钙质黏土层流变变形大而在交界面上产生强大互错力而断管。针对钙质黏土层“难”冻结和“低”强度特性，有必要对其进行冻结和强度特性进行深入研究。为此，本文从钙质黏土宏观分布状况、微观物.化性质、室内试验研究、模型试验研究、理论分析等多手段相结合对其展开宏观分布规律.微观。宏观的再认识。论文主要完成了以下研究工作: (1)运用统计学理论分析两淮矿区钻孔数据资料表明:钙质黏土层在两淮矿区分布广泛，其中阜东矿区钙质黏土厚度最大值为46.1m，平均值为24.86m，埋深基本在400m左右;而潘谢矿区最大为55.85m，平均为25.7m，埋深在250～400m范围内;钙质黏土层顶底板走势基本与基岩面一致。 (2)实验研究了钙质黏土的基本物理特性，如颗粒级配、比表面积、阳离子吸附含量、热物理学参数测定、矿物成分分析及其内部微观结构特性等。由于钙质黏土中Ca2+含量较高，游离Ca2+与土体胶体颗粒表面Na+、K+发生离子交换，使土颗粒表面电荷增多，颗粒间吸附力增大，颗粒表面吸附力也增大，对水的吸附能更大，从而使钙质黏土“难”冻结。并在此基础上研究了钙质黏土在连续降温状态下冻土内未冻水含量变化规律，其冻结特征曲线大致分为三个阶段——相变后自由水迅速冻结段、薄膜水缓慢冻结段和未冻水含量基本稳定段。 (3)基于Gouy-Chaprmn扩散双电层模型建立了z-z型对称电解质和2z-z/z-2z型非对称电解质下未冻水含量变化理论统一解。通过试验结果与未冻水含量经验公式、扩散双电层未冻水含量理论解交叉比较发现:理论解析解综合考虑了黏土内所含矿物成分、易溶盐、微观结构等参数对其冻结特性的影响机制，具有良好的适用性，构架了冻土微观物理量与宏观物理力学性能的桥梁。 (4)不同含水率或含盐量下钙质黏土单轴声发射曲线规律显示，温度较高时声发射信号量较多，如-5℃、-10℃时，随着温度的降低，信号量逐渐减少。由于温度较高时，虽然大部分水已冻结，冰晶含量高，但结合能低，在加载作用下容易发生胶结键断裂，细小裂纹在冻土体内大量滋生，信号量大;在-15℃与-20℃时信号量显著减少，未冻水含量己很少，且与土颗粒之间形成强结合水膜。温度越低其强度越高，且试样的破坏面角度为45°，在该面上形成连续剪切裂纹并发育贯通破坏。 (5)开展多因素影响下冻结黏土正交真三轴试验，结果表明:强度影响因素主次顺序围压σ3、含水率ω、温度T、Bishop参数b值、含盐率Ψ;不考虑交互作用时，围压和含水率对强度的影响始终是显著的，只有当显著性水平Ω＞0.05时温度影响才具有显著性，含盐率和b值对强度的影响不显著，且各因素显著性影响排序与极差法和层次分析法结果保持一致;考虑交互作用时交互因素对强度均有不同程度的影响，当Ω＞0.01时，交互因素温度和含水率A×B对强度的影响便是显著的，甚至超过温度，可见研究冻土强度高低时，需要综合考虑各因素及其之间的交互影响作用，从而更准确表征冻土的力学行为。 (6)以两淮矿区某矿立井冻结法施工为背景，设计并开展钙质黏土冻结温度场模型试验，温度场表征参数与工程现场比较发现:冻结温度场试验交圈(-1.3℃)时间为2.5h，相当于实际工程127.6天;钙质黏土层冻结壁前期(5～16h)发育速率为17.9mm/h，后期(16～70h)发育速率为1.96mm/h，经相似比反演其实际发展速度分别为0.0123m/d和0.0014m/d，较一般砂质粘土层前期的0.0515m/d和后期的0.02m/d，冻结壁厚度发展速率明显减缓，进一步表明其“难”冻结特性。
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