人工冻融土地基勘察_冻融

　　摘要通过国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿主井井架人工冻融土地基勘察的成功案例,对人工冻融土的冻结工艺和解冻工艺进行说明,对人工冻融土的勘察技术、手段和方法进行讨论,对人工冻融土的性质进行定性的描述和定量测试。
　　关键词人工冻结;人工解冻;人工冻融土
　　中图分类号TD265.33文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0124-02
　　
　　刘庄煤矿是由国投新集能源股份有限公司投资兴建的,设计生产能力为年产煤800万吨。主井井塔高为90.8m,跨度23.9m,钢筋混凝土结构,总重为31000t。该井塔无论是高度还是总重量均可堪称国内煤矿主井第一井塔。主井井筒采用冻结法施工。根据以往勘察经验,冻结圈内人工冻土的自然解冻时间大约需要2年以上,无法满足矿井建设对工期的要求。经多方案比选和论证,决定对冻结圈内人工冻土采用人工解冻,用人工解冻的人工冻融土作为主井井塔的地基土。
　　1人工冻结
　　人工冻结工艺:冻结孔采用主排孔加内排辅助孔:①主排冻结孔,布置圈径18.0m,孔数44个,孔深307m,开孔间距为1.28m;②内排辅助冻结孔,布置圈径14/12.5m,孔数18个,孔深150～230m,开孔间距2.416m;③水文观察孔,一个孔深215m,大管报道层位90～100m,130～140m,小管报道层位205～215m,分别检查第四系上中部水层水文冻结状况;④测温孔,该井井筒设计布置3个测温孔以反映不同方向、深度、不同地层以及冻结壁的发展情况,3个测温孔深度分别为155m、250m、350m。
　　2人工解冻
　　人工解冻工艺:对在解冻范围内的冻结孔进行热盐水循环,吸收冻结孔四周冻结壁的冷量。具体操作方法是:先对地沟槽内的积水和淤泥进行清理,对原冻结孔因进清水而封冻的进行冲孔处理,利用部分原主井冻结孔,在孔内下φ63×6聚乙烯塑料软管,下配加重管作供液管,使原冻结孔恢复循环。在地面设置水箱,对水箱内的盐水进行加热,使水温达到+33℃,再由水泵把热水注到孔内进行循环,直到冻土融化为止。
　　3工程勘察
　　勘察工作的布置:该工程勘察工作的布置在时间共分6次进行,依次为冻结前(1次),冻结时(1次),解冻过程中(2次),完全解冻后(2次);在空间上主要在主井的东、西、南、北四个方向上布置了四个断面,依次从内排冻结圈→冻结圈内→外排冻结圈→冻结圈外。勘察手段:该工程的勘察手段主要采用Φ110mm孔径钻探,现场鉴别描述,采取原状土样,标准贯入试验,室内试验;原位测试包括双桥和单桥静力触探,现场十字板剪切试验。勘察方法:该工程的勘察方法主要采用对比法,时间上的对比,冻结前与冻融后相同地层的对比;空间上的对比,未冻与冻融相同地层的对比。
　　4人工冻融土的性质
　　4.1冻融土性质的定性描述
　　1)层粉质粘土(Q4al+pl)冻融前:灰黄色,硬塑,土质均匀致密,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。冻结时:灰黄色,冻结状态,呈脆性,土体中冰晶体分布不均匀,在网纹状裂隙中和亲水性的灰白色、灰绿色粘土中可以明显看到的冰晶体,土体易沿裂隙断裂。冻融后:灰黄色,软塑～可塑,含铁锰氧化物,夹灰白色、灰绿色粘土,有粘滞感,无韧性,粘在钻杆上的土很难除去。2)层粉土(Q4al+pl)冻融前:黄色,饱和,稍密,颗粒均匀,震动有水析现象,标贯正常,无自行下沉现象。冻结时:黄色,冻结状态,呈脆性,土体中冰晶体分布均匀,可明显见到,岩芯管钻进时,取芯率可达到90%以上。冻融后:黄色,饱和,松散,颗粒均匀,震动有水析现象,进行标准贯入试验时,放好穿心锤自行下沉30～50cm。3)层粉质粘土(Q4al+pl)冻融前:灰黄色,局部棕红色,可塑～硬塑,夹砂姜,干强度高,韧性中等。冻结时:灰黄色,局部棕红色,呈脆性,土体中冰晶体分布不均匀,在土体的裂隙和不均匀处可明显见到冰晶体,在土层的裂隙,土体易沿裂隙断裂。冻融后:灰黄色,局部棕红色,软塑,无韧性,取样时压入50～60cm才能取到。4)层粉土(Q4al+pl)冻融前:黄色,饱和,稍密～中密,颗粒均匀,震动有水析现象,主要成分石英,含白云母片。冻融后:黄色,饱和,松散～稍密,颗粒均匀,震动有水析现象,标贯时自行下沉不明显。5)层粉质粘土(Q4al+pl)冻融前:灰黄色,可塑,含铁锰氧化物,土质较密实,局部夹薄层粉土,夹砂姜。冻融后:灰黄色,软塑,无韧性,静压取样时压入50～60cm才能取到。6)层粘土(Q3al+pl)冻融前:灰绿色,硬塑～坚硬,土质均匀致密,含铁锰氧化物,夹白色砂姜、灰白色粘土,砂姜粒径2～5cm,韧性很强,干强度大。冻融后:灰绿色,可塑～硬塑,土质均匀致密,韧性很强,干强度大,此层土冻融前后变化不是很明显,肉眼很难区别。7)层粉质粘土(Q3al+pl)冻融前:灰黄色,硬塑～坚硬,含铁锰氧化物、砂姜,局部夹薄层粉土或粉砂,韧性强,干强度大。冻融后:灰黄色,可塑,韧性强,干强度大,此层土冻融前后变化不是很明显,肉眼很难区别。8)粘土(Q3al+pl)冻融前:灰黄色～黄色,硬塑～坚硬,含铁锰氧化物、砂姜,夹灰白色粘土,韧性强,干强度大。冻融后:灰黄色～黄色,可塑～硬塑,韧性强,干强度大,此层土冻融前后变化不是很明显,肉眼很难区别。
　　4.2冻融土性质的定量测试(见表1)
　　5结束语
　　1)冻结过程中有水分迁移现象,即地下水向冻结面迁移,这会导致冻融后土的含水量增大。2)由于水分迁移的作用使融土含水量增大,对于排水不畅的粘性冻融土层会导致其孔隙水压力的上升,使有效应力减小,导致土层力学强度降低。对于排水通畅的粉(砂)冻融土层,冻融过程使颗粒重新排列,导致土层力学强度降低,而不是由于孔隙水压力上升引起。3)冻融过程对土层的影响与土层本身的渗透性、地下水、颗粒组成、固结状态、所受应力情况等有直接关系。一般对于同种土层当渗透性强、地下水补给好、颗粒粗、固结状态差、所受应力小时,冻融过程对该土层的影响大,反之则影响小。4)融土的固结与土层排水条件和应力状态有关,相同应力状态下排水好固结快,相同排水条件下应力大固结快。但一般是粉(砂)土的固结快于粘土。5)由于冻融过程对土的影响是多方面的,建议对冻融土勘察时采用多种方法互相对比,重视现场鉴别,多取土多试验、特别是要多采取原位测试,由于该过程与时间相关,不能只进行一次勘察,应根据实际情况进行多次勘察,并对比成果资料。6)冻融过程对土层强度影响的一般趋势见图1。
　　图1强度变化趋势示意图
　　根据上图可知,相同力学强度的粉(砂)类土的冻结及解冻过程所需时间均比粘性土长,冻结时及融化时强度高于粘性土,且融化后固结速度快于粘性土,但恢复到冻结前的强度尚需较长的时间。
　　参考文献
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　　[3]常士骠,张苏民等.工程地质手册(第三版),中国建筑工业出版社,1992,12.
　　[4]高大钊,刘金励等.建筑桩基技术规范(JGJ94-1994).中国建筑出版社,1995,9.
　　
　　作者简介
　　王志江,煤炭工业合肥设计研究院,工程师(国家注册岩土工程师)。
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