(1.榆陽中能袁大灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.山東科技大學 礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590；3.山東方舟新材料有限公司，山東 泰安 271026；4.山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274918)

陜北侏羅紀煤田袁大灘煤礦位于陜北黃土高原北端，毛烏素沙漠東南緣。地表被第四系風積沙和風沙灘地覆蓋，以風蝕風積沙漠丘陵地貌為主，該地區(qū)煤田上部較厚的松散層和含水豐富的第四系含水層給井筒施工帶來困難[1-3]。礦井施工前的鉆孔勘探揭露，該處地層由老至新依次為：侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，第四系中更新統(tǒng)離石組，第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組與全新統(tǒng)風積沙。其中，延安組地層巖性以細粒砂巖為主；直羅組地層巖性以中、細粒砂巖為主；安定組地層巖性以泥巖、粉砂巖為主；中更新統(tǒng)離石組巖性以亞砂土、粉土為主；砂層巖性以細沙、中沙和亞沙土為主。由于該處巖層中含水豐富，井筒施工宜采用凍結法，當氨制冷鹽水注入地層后，對巖石和土體產(chǎn)生凍結作用，不同地層的巖土體凍結特性不同。另外，凍結能夠改變原有土和巖石的內(nèi)部結構，對其物理力學特性產(chǎn)生影響[4-6]。目前，對于凍土的研究主要集中在結冰溫度、熱參數(shù)、融沉和凍融循環(huán)引起力學性質(zhì)的變化。結冰溫度是影響凍土中水分遷移、分凝冰生成以及凍脹的重要因素。萬旭升等[7]研究了硫酸鈉溶液和硫酸鈉鹽漬土的凍結溫度，發(fā)現(xiàn)相同濃度硫酸鈉鹽漬土的凍結溫度均低于硫酸鈉溶液。周家作等[8]發(fā)現(xiàn)當含水率低于飽和含水率時，粉質(zhì)黏土、細砂和粉質(zhì)黏土的凍結溫度隨含水率減小而降低。凍土熱參數(shù)對于正確認識凍土的凍融作用，指導凍結施工具有重要意義。李順群等[9-10]為揭示土體凍結過程中導熱系數(shù)的變化規(guī)律，建立基于均質(zhì)球形顆粒的聚合幾何模型和基于傳統(tǒng)混合量熱法凍土比熱容的遞推算法。徐春華等[11]采用穩(wěn)態(tài)比較法，自行研制室內(nèi)凍土導熱系數(shù)測定裝置，開展了溫度、含水量對凍土導熱系數(shù)的影響研究。在凍土形成過程中，當水相態(tài)體積膨脹使土顆粒之間發(fā)生相對位移時即出現(xiàn)土體凍脹。由于冰相的存在，凍結土體的應力-應變關系與融土相比將產(chǎn)生較大變化。賴遠明等[12]分析了凍結砂土的應變軟化現(xiàn)象，提出了非線性莫爾強度準則。李兆宇等[13]歸納出凍結膨脹土的抗壓強度與溫度呈良好的線性關系。陳錦等[14]研究了含鹽量對凍結粉土單軸抗壓強度的影響。

以上多為凍結土體的結冰溫度、凍脹特性及力學性質(zhì)和凍結巖石的力學性質(zhì)及凍融損傷特征方面的研究，而這些巖土體均為未風化巖土體，對于風化巖土體的凍結特性及力學性質(zhì)目前尚未有研究。風化巖土體的孔隙和裂隙更加發(fā)育，導致其凍結特性及力學性質(zhì)發(fā)生改變。所以目前非風化巖土體的研究結論不能作為研究風化巖石的依據(jù)。陜北侏羅紀煤田袁大灘煤礦地層的巖石風化嚴重，進行凍結井筒施工，首先需要研究凍結對該處地層中巖石和土體物理力學參數(shù)的影響。

基于此，根據(jù)陜北侏羅紀煤田袁大灘煤礦鉆孔巖土體取樣，對細砂、黏土、細粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖試件進行了熱參數(shù)、結冰溫度和凍結單軸壓縮方面的試驗研究，分析了風化巖土體的比熱、導熱系數(shù)、結冰溫度和不同凍結溫度下的應力-應變、單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比的變化規(guī)律。

1 試驗設計與試驗方法

1.1 試件制作

選取J1和J2鉆孔的表土和風化巖石進行凍結試驗。取樣時，土層冷凍試件直徑大于100 mm，長度150 mm，采用土坯盒子密閉包裝；巖樣每組15塊，風化巖巖芯直徑80 mm，單塊長度大于100 mm。試驗共選取表土和風化巖石5組：J1鉆孔表土層2組，為細砂和黏土；巖石1組，為細粒砂巖；J2鉆孔巖石2組，分別為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖。細砂深度為52.04～115.85 m，黏土深度為115.85～127.54 m，細粒砂巖深度為136.44～144.00 m，粉砂巖深度為145.50～167.50 m，砂質(zhì)泥巖深度為167.50～173.94 m。取樣巖土體的基本參數(shù)如表1所示，其中孔隙率代表著巖土體風化程度，孔隙率越大，巖土體風化程度越大。細砂的粒度組成如表2所示。對細砂、黏土、細粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖分別編號為D1、D2、D3、D4、D5。

表1 取樣巖土體基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of sampling rock and soil

表2 細砂的粒度組成Tab.2 Granulometric composition of fine sand

對于巖樣，直接將取樣的細粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖分別加工成Φ50 mm×100 mm的圓柱體；對于土樣，根據(jù)《土工試驗規(guī)程(SL 237—1999)》對重塑試樣制備的要求，將取樣細砂和黏土分別制成Φ50 mm×100 mm的圓柱體。為了減少“端部效應”，將試樣端部削平或磨平，試驗前在試樣與加壓板之間加入潤滑劑，以充分減少加壓板與試樣斷面之間的摩擦力。

1.2 試驗方案與試驗設備

1)比熱及導熱測試試驗

為了計算巖土的熱容量，進行了巖土的比熱測定，采用BRR比熱容測試儀測定，測量范圍為0.1～5 J/(kg·℃)，精度為2%。導熱系數(shù)測試采用日本產(chǎn)QTM-PD2型導熱系數(shù)儀。QTM-PD2型導熱系數(shù)儀的測量方式為熱線法(熱絲法)，測量范圍為0.023～12 W/(m·K)，準確度大于95%，溫度為-10～200 ℃，測量時間約60 s。分別對常溫(20 ℃)和凍結(-10 ℃)條件下的導熱系數(shù)進行了測定。

2)凍結溫度試驗

按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2011)，試驗在低溫瓶與零溫瓶中進行，低溫瓶溫度-7.6 ℃，零溫瓶溫度為0±0.1 ℃，試驗杯由黃銅制成，直徑3.5 cm、高5.0 cm，帶有杯蓋。通過凍結溫度試驗裝置測出5種巖土體試件結冰時的溫度。

常州紡院計算機網(wǎng)絡技術專業(yè)留學生來源眾多，并且毫無漢語基礎或者漢語基礎薄弱，在職業(yè)技能課的學習時就會面臨語言難關。因此，英語和漢語相結合的雙語教學，在職業(yè)技能課的學習中更有必要。

3)單軸壓縮試驗

共進行5組不同巖土樣的試驗，每組試驗分別選取同種巖土試件3個，分別編號為1～3，如第1組試件編號分別為D1-1、D1-2、D1-3。按試驗規(guī)范要求將帶有編號的飽和水狀態(tài)下的各組試件進行不同溫度下的養(yǎng)護，養(yǎng)護時間為24 h，確保試件內(nèi)外溫度一致。然后，對5種巖土樣分別進行4個溫度水平(常溫、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃)的單軸抗壓試驗。試驗按照煤炭部行業(yè)標準《人工凍土物理力學性能試驗(MT/T 593.4—2011)》具體規(guī)程進行。通過WDT-100凍土試驗機對養(yǎng)護后的試件進行單軸加載，為避免偏心加載，試樣軸線與試驗機加載軸線基本重合。WDT-100凍土試驗機最大豎向加載能力為100 kN，變形最小讀數(shù)值為0.001 mm，試驗力分辨率為1/±300 000，試驗荷載和試驗數(shù)據(jù)全部由計算機程序控制和采集。力控速率調(diào)節(jié)范圍0.005%～5% kN/s，變形速率調(diào)節(jié)范圍0.005%～5% kN/s，位移速率調(diào)節(jié)范圍0.005～200 mm/min，試驗機功率為1.5 kW，高低溫控制箱功率為7.0 kW。

通過單軸抗壓試驗測試出每個試件的單軸抗壓強度，再根據(jù)試件的應力、應變值計算出每個試件的彈性模量和泊松比，試驗中將每組3個試件的測試平均值作為最終所求值。

2 凍結巖土體特征試驗結果與分析

2.1 巖土體比熱

巖土體的比熱反應凍結過程中巖土體需要制冷能量的多少，通過試驗獲得巖土體試樣的比熱和容積比熱如圖1所示。

圖1 巖土體試樣的比熱和容積比熱Fig.1 Specific and volume specific heat of rock and soil samples

由圖1可知，細砂、黏土、細粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖的比熱分別為0.997、1.346、1.001、0.986和0.987 J/(g·K)，細砂、黏土、細粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖的容積比熱分別為1 785、2 705、2 262、2 445和2 290 kJ/(m3·K)。對于巖土體試件比熱值，除黏土的比熱相對較大，細砂、細粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖的比熱值差別不大；而對于巖土體試件的容積比熱，5種試件的比熱值各不相同，由高到低依次為：黏土、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖、細砂，黏土的比熱和容積比熱在5種試樣中均是最大的。所以，黏土凍結達到相同的溫度，需要更大的能量。

2.2 巖土體導熱系數(shù)

表3為巖土體在常溫和低溫狀態(tài)下的導熱系數(shù)，由表3可知，常溫狀態(tài)進行的試驗中，試件的表面溫度為6 ℃，5種試樣的導熱系數(shù)由高至低依次為：砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細粒砂巖、細砂、黏土，其中，砂質(zhì)泥巖的導熱系數(shù)最大，表示其導熱性能最好，預示其凍結過程中可以最快達到恒溫；黏土的導熱系數(shù)最小，表示其導熱性能最差，預示其凍結過程中會最慢達到恒溫。

表3 巖土體在常溫和低溫狀態(tài)下的導熱系數(shù)Tab.3 Thermal conductivity of rock and soil under normal and low temperature

常溫狀態(tài)下，細砂的導熱系數(shù)比黏土大0.73%，細粒砂巖的導熱系數(shù)比細砂大15.95%，粉砂巖的導熱系數(shù)比細粒砂巖大2.16%，砂質(zhì)泥巖的導熱系數(shù)比粉砂巖大3.96%。在低溫狀態(tài)下，5種試樣的導熱系數(shù)排序與常溫狀態(tài)下的導致系數(shù)相同，細砂的導熱系數(shù)比黏土大1.5%，細粒砂巖的導熱系數(shù)比細砂大5.27%，粉砂巖的導熱系數(shù)比細粒砂巖大1.35%，砂質(zhì)泥巖的導熱系數(shù)比粉砂巖大0.54%。說明外界溫度對風化巖土體的導熱系數(shù)有一定的影響，低溫狀態(tài)5種巖土體之間的導熱系數(shù)的差距更小。兩種溫度狀態(tài)下，風化巖體的導熱系數(shù)均明顯大于風化土體，這是由于巖體與土體之間分子結構的差別導致的。

表4 巖土體試樣的結冰溫度試驗結果Tab.4 Results of freezing temperature test of rock and soil samples

2.3 結冰溫度試驗

結冰溫度反映試件凍結的難易程度，通過試驗獲得試件結冰溫度如表4所示。由表4可知，表土地層的結冰溫度介于-1.0～-1.5 ℃，巖石地層結冰溫度相對較低，介于-2.5～-3.0 ℃，砂質(zhì)泥巖的結冰溫度最低。隨著取樣深度逐漸增加，不同試件結冰溫度呈逐漸降低的趨勢。在井壁施工計算凍結壁的有效厚度時應考慮結冰溫度的影響，隨著深度的增加，應逐漸加大凍結強度。

3 凍結巖土體單軸壓縮試驗結果與分析

3.1 單軸抗壓應力-應變曲線

由試驗得出不同溫度下5種試件的應力-軸應變曲線，如圖2所示。風化巖土體裂隙極其發(fā)育。由圖2可知，不同溫度下，試件的應力-應變曲線變化較大，曲線的峰值和峰值點對應的應變值均有變化。起始階段試件裂隙的壓密過程，隨著溫度的降低，試件壓密階段整體逐漸變短，說明-5 ℃時水成冰體積膨脹而充填裂隙相對不足或?qū)α严侗诘膲毫ο鄬^小，隨溫度降低，冰的體積逐漸變大，使裂隙體積逐漸變小，冰對裂隙壁的壓力逐漸變大。為詳細分析凍結溫度對各試件的影響，對各試件的單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比進行詳細分析。

圖2 不同溫度各試件應力-軸應變曲線Fig.2 Stress axial strain curves of specimens at different freezing temperatures

圖3 凍結巖土單軸抗壓強度隨溫度變化Fig.3 Variation of uniaxial compressive strength of frozen rock soil with temperature

3.2 單軸抗壓強度分析

以最大軸向應力作為凍結巖石單軸抗壓強度，其隨溫度的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，細砂、黏土、細粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖的抗壓強度隨著溫度的降低均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，但溫度對不同風化巖石單軸抗壓強度的影響幅度不同。溫度使細砂、黏土和粉砂巖抗壓強度的提高相對較大，使細粒砂巖和砂質(zhì)泥巖抗壓強度的提高相對較小。溫度為-15 ℃時粉砂巖、細粒砂巖和砂質(zhì)泥巖的抗壓強度比常溫狀態(tài)下分別提高84.05%、9.08%和18.45%。細粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖由于風化及自身的結構，其抗壓強度相對較低。凍結條件下，風化巖石裂隙內(nèi)的水逐漸變成冰，體積膨脹充填了巖石裂隙，對裂隙壁產(chǎn)生擠壓，使冰、巖顆粒之間的膠結作用增強，所以試件抗壓強度升高。

溫度為-5 ℃時細粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖的抗壓強度比常溫狀態(tài)下提高幅度不大。其原因是細粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖的凍結溫度為-2.5～-3 ℃，-5 ℃剛超過臨界凍結溫度，凍結力度相對較弱。而細砂和黏土的凍結溫度為-1.0～-1.5 ℃，-5 ℃超過臨界凍結溫度相對較大，且常溫狀態(tài)下細砂和黏土抗壓強度幾乎為0，所以溫度為-5 ℃時，細砂和黏土的抗壓強度比常溫狀態(tài)下提高較大。黏土、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖在溫度-5～-10 ℃和-10～-15 ℃階段抗壓強度的增長幅度不相同。巖石單軸抗壓強度的增長率不同的原因是這三種巖石的內(nèi)部結構不同，含水量及凍結后冰充填巖體裂隙對巖石結構的影響程度不同。

圖4 凍結巖土彈性模量隨溫度變化Fig.4 Variation of elastic modulus of frozen rock soil with temperature

3.3 彈性模量分析

通過單軸抗壓強度試驗，獲得各試樣在不同溫度條件下的彈性模量，凍結巖土體彈性模量隨溫度變化曲線如圖4所示。由圖4可知，細砂和黏土的彈性模量較小，凍結條件下介于32.29～118.33 MPa；細粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖的彈性模量相對較大，介于255.13～581.36 MPa，隨溫度降低5種試件的彈性模量均不斷升高。彈性模量體現(xiàn)了物體彈性變形階段變形的難易程度，彈性模量越大，變形越困難。凍結后飽水狀態(tài)試件裂隙及層理中的水變成冰，冰和巖土體之間的分子、離子鍵合強度得到增強，進而提高了試件裂隙的膠結力，試件變形更加困難。溫度對細砂、黏土、細粒砂巖和砂質(zhì)泥巖的提高相對較大，對粉砂巖彈性模量的提高相對較小。不同溫度階段試件的彈性模量變化幅度不同。與溫度對抗壓強度的影響相似，溫度為-5 ℃時細粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖的彈性模量相比常溫狀態(tài)時提高不大。

3.4 泊松比分析

試件泊松比為凍結巖石在單軸抗壓過程中，橫向應變與縱向應變在彈性范圍內(nèi)的比值。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析與計算，得出不同溫度狀態(tài)下試樣的泊松比，具體結果如表5。

表5 同溫度下試件的泊松比Tab.5 Poisson’s ratio of samples at different temperatures

由表5可知，隨著溫度降低5種試件的泊松比均呈逐漸降低的趨勢，但低溫凍結對試件泊松比的整體影響較小。其中細砂、黏土、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖受溫度降低的影響相對較大一些，細粒砂巖受溫度降低的影響最小。試件泊松比的減小反映試件橫向變形的彈性效果變差，在縱向壓縮過程中，產(chǎn)生相同縱向變形量導致橫向擴展的變形量減小，這其實與試件內(nèi)部裂隙結構的填充和膠結能力的提高有關，試件內(nèi)部的膠結束縛了橫向變形的發(fā)展。由于試件彈性模量的提高，產(chǎn)生相同的縱向壓縮變形量需要的縱向壓力變大，而此過程中試件的橫向變形量減小，即凍結后試件抗壓強度和彈性模量的增大及泊松比的減小均是巖土體內(nèi)部冰充填裂隙導致膠結力提高的結果。

4 結論

1)黏土的比熱相對較大，細砂、細粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖的比熱值差別不大；5種試件的容積比熱各不相同，由高到低依次為：黏土、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖、細砂。外界溫度對風化巖土體的導熱系數(shù)有一定的影響，低溫狀態(tài)5種巖土體之間的導熱系數(shù)的差距更小，風化巖體的導熱系數(shù)明顯大于風化土體。風化表土的結冰溫度介于-1.0～-1.5 ℃，風化巖層的結冰溫度相對較低，介于-2.5～-3.0 ℃。

2)溫度對試件應力-應變曲線的峰值點及其對應的應變值均有較大影響；細砂、黏土、細粒砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)泥巖的單軸抗壓強度和彈性模量均隨著溫度的降低均呈逐漸升高的趨勢；溫度使細砂、黏土和粉砂巖抗壓強度的增強幅度相對較大，使細砂、黏土、細粒砂巖和砂質(zhì)泥巖彈性模量的增強幅度相對較大。

3)低溫凍結對試件泊松比的影響整體較小，但隨溫度的降低，試樣的泊松比均逐漸減小，且試件泊松比的減小程度基本呈逐漸加快的趨勢。另外，凍結后試件抗壓強度和彈性模量的增大及泊松比的減小均是巖土體內(nèi)部冰充填裂隙導致膠結力提高的結果。