大埋深粘土三轴高压卸载变形与强度特征

摘　要　以取自山东巨野矿区埋深近430～600m的深部粘土样为例,分析测试了土的常规物理力学性质参数。考虑该埋深土的天然应力水平及其在煤矿建井开挖中的卸载应力变化,在三轴伺服仪上,进行三向等压分别达11MPa、12MPa、14 MPa 下的卸除围压、保持轴压的三轴高压卸载试验,分析了深部粘土三轴高压卸载变形和强度特点,得到了相关力学参数。成果丰富了土的高压卸载力学性研究,并为巨野矿区煤矿立井建设提供了工程地质基础参数。
关键词　巨野矿区　深部粘土　高压　三轴卸载　变形　强度
1 　引　言
我国东部煤田大都为深厚的松散土层覆盖,土层厚度一般200～300m;而即将开发建矿的山东巨野矿区,土层厚达400～700m ,是我国将建的穿过松散层最厚的煤矿区。多年的生产实践表明,在华东厚表土覆盖矿区进行煤炭资源开采,有三大与土体有关的岩土工程难题还未能很好解决。一是深厚土体采动变形(常导致开采沉降系数大于1) ;二是厚表土立井地压、变形计算及立井安全施工;三是矿井投产后立井非直接采动破裂机理与防治[1～2 ] 。土层埋深越大,这些问题越严重和突出。巨野矿区大型煤矿井筒(一般开挖直径为8～10m) 穿过约700m 厚的土层,可谓一世界性岩土工程难题。由于煤矿立井和地下煤层开挖对岩土体的影响是一个卸载变形和破坏过程,因此开展深部土高压卸载变形和强度特性研究十分重要。
土是一种组成结构复杂的地质介质,其力学性受到其自身组成、加载方式、受荷时间等多种因素影响。迄今为止,国内外对土的力学性质研究,大部分是针对加载方式进行的;对于卸载条件下土的力学性研究,虽然也取得了一些成果和进展,但相对前者而言则显得微不足道。况且目前国内外关于土的卸载试验研究,大都是在低应力水平下进行的[3～9 ] ,只能为一般建筑物深基坑等近地表开挖工程提供工程地质基础参数和理论分析。类似本项目对取自埋深近600m 的粘土样,在三轴伺服仪上进行最大围压为11. 0 ～14. 0MPa 的三轴卸载试验,分析其变形和强度特征,已有的研究工作还很少。
2 　土样性质及试验方法
2. 1 　土样性质
试验共用5 组土样,皆取自山东巨野矿区第一个筹建矿井- 龙固矿副井井筒检查孔。按原状样取土(但由于取样卸载对土样造成不可避免的扰动) 、封装、运送要求进行。土样为上第三系粘土。室内常规土工试样测得的基本物理力学指标见表1 ,指标表明,该土样为高压固结硬粘土样。

轴向应力不变,卸围压时,轴向偏应力- 轴向应变曲线呈类似三轴加载的“弹塑性型”。
　　②在高围压下卸载时,变形模量大小是随围压大小而变化的,在卸载初期阶段(围压减少1～2MPa时) ,变形模量从约700～1100 MPa (明显较一般浅部土大得多) ,快速下降到约300 MPa ;尔后,随着围压降低,变形模量也在逐渐减少,直至土样破坏时减少到约50 MPa 。说明土样经历了从高压密实结构状态卸载到一较松散结构状态。
　　③巨野深部粘土样高压卸载既有体缩变形也有体涨变形,这一特点与土自身结构和卸载应力水平大小有关。
　　④初步得到了巨野深部粘土样高压卸载抗剪强度力学参数为:粘聚力2. 1194 MPa ,内摩擦角19. 49°。

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