低溫凍結作用下砂質泥巖基本力學特性試驗研究

奚家米,楊更社,龐 磊,呂曉濤,劉方路

(西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西西安 710054)

低溫凍結作用下砂質泥巖基本力學特性試驗研究

奚家米,楊更社,龐 磊,呂曉濤,劉方路

(西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西西安 710054)

以砂質泥巖為研究對象,對飽水狀態巖石試件進行不同溫度(-30～20℃)、不同圍壓(6, 8,10 MPa)條件下的單軸壓縮試驗及三軸壓縮試驗,分析了低溫對砂質泥巖基本力學參數的影響規律,探討了抗壓強度和殘余強度隨圍壓的變化。研究結果表明:低溫(0℃以下)對砂質泥巖強度特性和變形特性均有較大的影響,其抗壓強度、黏聚力、內摩擦角、殘余強度和彈性模量隨溫度的降低均有所提高,殘余強度呈衰減增長趨勢,而最大軸向應變值隨著溫度的降低而不斷減小。圍壓對砂質泥巖強度特性的影響非常明顯,抗壓強度、殘余強度均隨圍壓的增加呈線性增加。通過對大量的試驗數據進行分析,得到一系列有意義的擬合曲線及關系表達式。

低溫凍結;凍結巖石;砂質泥巖;力學特性

巖石受環境溫度影響的熱力效應長期以來是巖石熱力學理論與應用研究的熱點問題之一。寒區巖土工程、人工凍結工程使得工程結構圍巖受到周期性低溫效應作用或長期處于低溫凍結狀態,其強度特性與常溫狀態有很大的不同[1]。鑒于此,國內外巖土工程及其相關領域的專家學者就低溫作用下巖體(石)力學特性變化方面已開展了大量的研究。如李云鵬等[1-2]對花崗巖開展了不同凍結溫度下的壓縮試驗,其抗壓強度、變形模量隨溫度降低呈增長趨勢,而泊松比變化相對較小;徐光苗、劉泉聲等[2-4]分別對紅砂巖和頁巖開展了不同凍結溫度和不同含水狀態下的單軸壓縮與三軸壓縮試驗,2種巖石的單軸抗壓強度與彈性模量隨溫度降低而增大,巖石的含水狀態對巖石的凍結強度影響顯著;張慧梅等[5-6]對砂巖和頁巖進行了凍融循環和壓縮試驗,分析了巖石的凍融損傷劣化過程,系統研究了巖石的強度與變形特性等隨凍融循環次數的變化規律;李棟偉等[7]通過高圍壓固結、低溫凍結后再加卸載的試驗方法模擬白堊系凍結軟巖地下工程施工應力狀態的變化過程,提出了凍結軟巖黏彈塑非線性蠕變本構力學模型;劉瑩等[8]對內蒙鄂爾多斯地區白堊系巖層開展了不同凍結溫度下的物理力學性能試驗,分析了單軸抗壓強度與溫度、含水率之間的相互影響關系;周科平等[9]對經歷不同凍融循環次數的風化花崗巖進行了核磁共振和常規單軸壓縮實驗,得到了凍融循環后巖石的孔隙度、孔隙分布和單軸抗壓強度與循環次數的關系;楊更社等[10-14]分別以煤、砂巖為研究對象,開展了常溫和不同凍結溫度下巖石單軸壓縮和三軸壓縮試驗,獲得了不同溫度條件下巖石試件的基本力學參數,并探討了參數值與凍結溫度的關系。

近年來,西部地區掀起礦井建設的熱潮,由于西部地區煤炭資源大多埋藏深,且上覆巨厚富水白堊系軟巖地層,井筒建設多采用凍結法施工。低溫凍結作用下,巖石(體)力學特性參數會發生變化,若采用常溫下巖石(體)的參數或經驗值進行凍結設計,設計結果往往不盡合理。砂質泥巖因其強度低而成為井筒凍結壁的最薄弱巖層之一,往往將其作為富水軟巖井筒凍結設計的關鍵控制層位,因此,開展凍結條件下砂質泥巖的力學特性研究對凍結巖石力學理論研究和工程實際都具有重要意義。當前,關于低溫凍結作用下砂質泥巖力學特性的研究還不夠系統,文獻[15]以砂質泥巖為研究對象,開展了不同溫度、圍壓條件下的壓縮試驗,但僅探討了溫度、圍壓對巖石試件抗壓強度的影響,研究成果不能滿足井筒凍結設計的需要。

筆者在前人研究的基礎上,結合現有的凍土力學理論,利用西安科技大學教育部重點實驗室MTS-815型電液伺服試驗機,以砂質泥巖為研究對象,開展不同溫度條件下單軸壓縮、三軸壓縮試驗,分析巖石強度特性參數(抗壓強度、黏聚力、內摩擦角和殘余強度)和變形特性參數(彈性模量)與溫度、圍壓之間的關系,并就凍結溫度對相應參數值的影響規律進行了探討。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

砂質泥巖巖樣取自甘肅省新莊煤礦副井井筒,從施工現場取得新鮮完整大巖塊,用水鉆法加工成?50mm×100 mm的圓柱形標準試樣。先剔除外觀有缺陷及視覺上差別明顯的試件,再通過RSM-SY5智能聲波檢測儀測定試件的縱波波速,篩選波速相近的試件作為試驗巖樣。

對巖石試樣進行飽水處理。把選好的巖樣放入抽氣容器中,密封容器,抽取容器中的空氣,先抽氣2 h后再向容器中放入蒸餾水,并繼續抽氣4 h直至無氣泡溢出。然后將巖樣在水中浸泡24 h以上,稱取飽和后的巖樣在空氣中質量及水中質量,以此得到巖樣的飽和含水量和孔隙度。常溫條件下砂質泥巖的天然密度、飽和密度、飽和含水量及孔隙度分別為2.16 g/cm3,2.27 g/cm3,5.71%,12.25%。

1.2 試驗方案

為使得實驗時溫度和圍壓與工程實際基本接近,根據井筒凍結時鹽水溫度(-30℃)、凍結壁平均溫度(-8.84℃)以及砂質泥巖所在層位的壓力(8 MPa左右)。開展不同溫度(20,-5,-10,-20,-30℃)條件下單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗,三軸壓縮試驗中每級溫度對應3個圍壓(6,8,10 MPa)。每級溫度、圍壓下取3塊巖樣進行試驗,取平均值為試驗結果。

1.3 試驗過程

取飽和巖樣,用乳膠套密封好,并逐一編號,放入低溫控溫箱中凍結,凍結速率為1℃/h。凍結48 h后,取出試樣,在壓縮試驗機上開展試驗,記錄荷載-位移曲線信息。單軸、三軸壓縮試驗均采用軸向位移速率控制方式,控制速度為0.002 mm/s。

2 試驗結果及分析

2.1 不同圍壓條件的壓縮試驗結果

由壓縮試驗得到砂質泥巖在不同溫度、圍壓條件下的應力-應變曲線,如圖1所示。

圖1 砂質泥巖在不同溫度、圍壓條件下的應力-應變曲線Fig.1 Sandymudstone stress-strain curves for different temperature and confining pressure

2.2 低溫作用下砂質泥巖的強度特性

(1)砂質泥巖抗壓強度與溫度、圍壓的關系。

圖2 不同圍壓條件下抗壓強度與溫度的關系Fig.2 Relations between peak intensity and temperature for different confining pressure

圖3 不同溫度條件下抗壓強度與圍壓的關系Fig.3 Relations between confining pressure and peak intensity under different temperature

根據試驗結果分別繪制了砂質泥巖不同圍壓條件下抗壓強度與溫度的關系曲線以及不同溫度條件下抗壓強度與圍壓的關系曲線,如圖2,3所示。至0℃),抗壓強度變化幅度較小;當溫度降至0℃以下時,抗壓強度隨著溫度的降低顯著提高。例如圍壓為0時,當溫度從20℃降低到-30℃,砂質泥巖抗壓強度從8.47 MPa增加到了20.17 MPa,提高了138.13%。由此可以得出,溫度(特別是負溫)是影響飽和砂質泥巖抗壓強度的一個重要因素。由圖3可以看出,砂質泥巖的抗壓強度隨著圍壓的增加幾乎呈線性增加。在溫度為20℃條件下,圍壓從0增加到10 MPa時,砂質泥巖抗壓強度從8.47 MPa增加到了25.21 MPa,提高了197.64%,在其他溫度條件下時,隨著圍壓的增加,其抗壓強度也有相應的提高。圍壓是影響砂質泥巖抗壓強度的另一個重要因素。相對而言,圍壓對砂質泥巖抗壓強度提高的貢獻值大于凍結溫度。

通過對砂質泥巖在不同圍壓條件下溫度與抗壓強度的關系和在不同溫度條件下圍壓與抗壓強度的關系的擬合,可將其抗壓強度σc按照式(1)表示為圍壓σ3的函數,將抗壓強度σc按照式(2)表示為溫度T的函數:

式中,k,b,m,n,l是與試驗形式有關的參數。

不同溫度狀態下,砂質泥巖抗壓強度隨圍壓變化的擬合曲線相關參數見表1,不同圍壓狀態下,砂質泥巖抗壓強度隨溫度變化的擬合曲線相關參數見表2。圍壓/ MPa m n l相關系數

表1 不同溫度狀態下砂質泥巖抗壓強度隨圍壓變化的擬合曲線相關參數Table 1 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone com pressive strength w ith confining pressureunder different temperature

表2 不同圍壓狀態下砂質泥巖抗壓強度隨溫度變化的擬合曲線相關參數Table 2 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone com pressive strength w ith tem perature for different confining pressu re

式中,m′,b′分別為擬合直線的斜率和在縱坐標軸上的截距。

為直觀反映溫度對砂質泥巖黏聚力和內摩擦角的影響,分別將計算結果繪制散點圖,并進行曲線擬合,如圖4所示。

由表3,圖4可以看出,砂質泥巖在飽和含水狀態下,其黏聚力和內摩擦角均隨溫度的降低而增加,溫度由20℃降低至-30℃時,黏聚力由5.27 MPa增加到16.21 MPa,強度提高了207.59%,內摩擦角由15.26°增加到27.39°,增加了79.49%。相對而言,低溫對飽和砂質泥巖黏聚力的影響程度高于內摩擦角。

(2)砂質泥巖黏聚力、內摩擦角與溫度的關系。

通過試驗結果可以發現,試樣的破壞形式屬于剪切型破壞。根據不同圍壓時砂質泥巖抗壓強度值,以圍壓為橫坐標值,抗壓強度為縱坐標值,繪制不同圍壓下的最大主應力-最小主應力關系曲線,按照莫爾-庫侖強度準則(式(3))來計算砂質泥巖的黏聚力(c)和內摩擦角(φ)值,計算結果見表3。

表3 不同溫度下砂質泥巖的黏聚力和內摩擦角Table 3 Cohesion and internal friction angle of sandy mudstone for differen t tem perature

圖4 砂質泥巖黏聚力、內摩擦角和溫度間的關系Fig.4 Relationship of cohesion,friction angle and temperature of sandymudstone

對計算結果進行曲線擬合,黏聚力和內摩擦角與溫度的關系分別滿足二次和一次多項式:

(3)砂質泥巖殘余強度與溫度、圍壓的關系。

根據試驗結果,可以得到砂質泥巖不同溫度和圍壓條件下的殘余強度,分別繪制了砂質泥巖不同圍壓條件下殘余強度與溫度的關系曲線以及不同溫度條件下殘余強度與圍壓的關系曲線,如圖5所示。

由圖5(a)可以看出,在不同溫度條件下,砂質泥巖的殘余強度隨著圍壓的加大而增加。圍壓由0增加到10 MPa,溫度為20℃時,砂質泥巖的殘余強度由4.75 MPa增加到11.57 MPa,提高了143.57%;在相同的圍壓變化梯度下,溫度為-5,-10,-20,-30℃時,殘余強度分別提高了138.17%,87.68%, 74.77%,70.24%。殘余強度增加幅度呈減小趨勢。

圖5 砂質泥巖殘余強度與圍壓和溫度的關系Fig.5 Relationship of sandy mudstone residual strength, confining pressure and different temperature

通過對試驗結果進行擬合發現,殘余強度與圍壓的關系呈現出一種線性增大的趨勢,可用式(6)進行表達。

其中,σr為殘余強度值。各種溫度狀態下擬合曲線的相關參數見表4。

表4 不同溫度狀態下砂質泥巖殘余強度隨圍壓變化的擬合曲線相關參數Table 4 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone residual strength with confining pressure urder different tem peratu re

由圖5(b)可以看出,在不同圍壓條件下,砂質泥巖的殘余強度隨著溫度的降低呈現出增大的趨勢。溫度在正溫區間內(20℃降至0℃),殘余強度變化幅度較小;當溫度降至0℃以下時,殘余強度隨著溫度的降低顯著提高。溫度由20℃降低到-30℃,圍壓為0℃時,砂質泥巖的殘余強度由4.75 MPa增加到14.88 MPa,提高了207.58%;在相同的溫度變化梯度下,圍壓為6,8,10 MPa時,殘余強度分別提高了306.48%,324.35%,174.94%。以圍壓為0為例,溫度由20℃降低到-5℃時,其值由4.75 MPa增加到6.13 MPa,提高了29.05%;溫度由-5℃降低到-10℃時,其值提高了49.59%;溫度由-10℃降低到-20℃時,其值提高了42.2%;溫度由-20℃降低到-30℃時,其值提高了14.11%。由此可以得出,圍壓一定時,砂質泥巖的殘余強度隨溫度的降低呈衰減增長趨勢,即增長比率逐漸減小。

在不同圍壓條件下,溫度對其殘余強度的影響具體可以通過式(7)進行表達。

其中,α,β為與試驗形式有關的參數。各種圍壓狀態下擬合曲線的相關參數見表5。

表5 不同圍壓狀態下砂質泥巖殘余強度隨溫度變化的擬合曲線相關參數Table 5 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone residual strength w ith tem perature for different confining pressure

試驗結果表明,飽和狀態下砂質泥巖的抗壓強度、內摩擦角、黏聚力和殘余強度均隨溫度的降低而有不同程度的提高(主要發生在溫度降至0℃以后),其主要原因是:溫度降至0℃后,飽和試件中裂隙水和孔隙水凝結成冰(水凝結成冰的比例隨凍結溫度的降低而逐漸增大),充填了巖石試件內部裂隙和孔隙,同時,也提高了巖石試件內部微裂紋的黏結作用,以上是導致飽和砂質泥巖強度大幅度提高的主要原因。另外,溫度的降低也會導致巖石顆粒體積產生收縮,顆粒之間排列更加緊密,從而使得巖石試件強度略有提高。另外,圍壓也是砂質泥巖抗壓強度和殘余強度提高的重要因素。

2.3 凍結砂質泥巖變形特性試驗

(1)砂質泥巖彈性模量與溫度的關系。

選取瞬時抗壓強度的50%與其所對應的應變ε50的比值作為試樣的彈性模量值。根據應力-應變曲線可得砂質泥巖不同溫度條件下的彈性模量,彈性模量與溫度的關系如圖6所示。

圖6 砂質泥巖彈性模量與溫度的關系Fig.6 Relationship between the elasticmodulus and temperature of sandy mudstone

由圖6可以看出,砂質泥巖彈性模量隨溫度的降低有增加的趨勢。溫度在正溫區間內(20℃降至0℃),彈性模量幾乎無變化;當溫度降至0℃以下時,殘余強度隨著溫度的降低顯著提高。溫度由20℃降低到-30℃、圍壓為0時,砂質泥巖的彈性模量由0.89 GPa增加到2.31 GPa,提高了159.55%;在相同的溫度變化梯度下,圍壓為6,8,10 MPa時,彈性模量分別提高了320%,347.72%,234.56%。經擬合,彈性模量與溫度的關系可用式(8)來表達。

其中,E為彈性模量。各參數擬合數值見表6。

表6 不同圍壓狀態下砂質泥巖彈性模量隨溫度變化的擬合曲線相關參數Table 6 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone elastic modulus w ith tem perature for different confining pressure

(2)砂質泥巖最大軸向應變與溫度的關系。

為了解溫度對砂質泥巖的最大軸向應變的影響,繪制了不同圍壓下砂質泥巖的最大軸向應變與溫度關系圖,如圖7所示。

圖7 砂質泥巖最大軸向應變與溫度的關系Fig.7 Relationship between maximum axial strain and temperature of sandy mudstone

由圖7可以看出,不同圍壓條件下,砂質泥巖的最大軸向應變值均隨著溫度的降低而不斷減小。以圍壓10 MPa為例,溫度由20℃降低到-30℃時,最大軸向應變由1.365%降低到1.112%。根據擬合曲線,砂質泥巖最大軸向應變與溫度基本上呈線性遞減。由此可以說明,在相同圍壓下溫度的降低使試樣逐漸向脆性轉化。

3 結 論

(1)溫度對砂質泥巖強度特性有所影響,總體表現為強度基本參數值均隨溫度的降低而有不同程度的增大,尤其在低溫(0℃以下)作用下,其抗壓強度、黏聚力、內摩擦角和殘余強度有大幅度的提高,殘余強度隨溫度的降低呈衰減增長趨勢。其主要原因是,低溫作用下巖石中水凝結成冰,充填了內部裂隙和孔隙,提高了巖石試件內部微裂紋的黏結作用,同時,巖石顆粒之間排列更加緊密,導致砂質泥巖強度大幅度提高。

(2)砂質泥巖的抗壓強度、殘余強度隨圍壓的增加呈線性增加。相對而言,圍壓對砂質泥巖抗壓強度的影響大于溫度。

(3)砂質泥巖的變形特性參數也受溫度的變化而改變。低溫(0℃以下)作用下,彈性模量隨著溫度的降低顯著增長,而最大軸向應變值隨著溫度的降低而不斷減小。溫度的降低使砂質泥巖逐漸向脆性轉化。

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Experim ental study on basic mechanical behaviors of sandy mudstone under low freezing tem perature

XI Jia-mi,YANG Geng-she,PANG Lei,LüXiao-tao,LIU Fang-lu

(School ofArchitecture and Civil Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

In order to get the basic mechanical properties of sandymudstone for the investigation,water-saturation rock samples were tested by uniaxial and triaxial compressive tests under different temperatures(-30-20℃)and different conditions of confining pressure(6,8,10 MPa).The effect of low temperature on the basic mechanical parameters of sandymudstone was analyzed,and compressive strength and residual strength were discussed along with the change of the confining pressure test.The results show as follows:low temperature(below 0℃)has great influence on strength properties and deformation characteristics of sandymudstone,and compressive strength,cohesion,internal friction angle,residual strength and elastic modulus increase with the decrease of temperature;residual strength has an attenuation increasing trend,and themaximum axial strain decreaseswith the decrease of temperature.Confining pressure has great influence on strength characteristics of sandy mudstone,and compressive strength and residual strength increase linearly with the increase of confining pressure.By analyzing a lot of experimental data,getting a series of fitting curves and their relational expressions.

low freezing temperature;frozen rock;sandy mudstone;mechanical properties

TD313;TU45

A

0253-9993(2014)07-1262-07

奚家米,楊更社,龐 磊,等.低溫凍結作用下砂質泥巖基本力學特性試驗研究[J].煤炭學報,2014,39(7):1262-1268.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0533

Xi Jiami,Yang Gengshe,Pang Lei,et al.Experimental study on basicmechanical behaviors of sandymudstone under low freezing temperature[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1262-1268.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0533

2014-04-21 責任編輯:王婉潔

國家自然科學基金資助項目(41272340);陜西省自然科學基金資助項目(2011JM5002)

奚家米(1974—),男,安徽蕪湖人,副教授。Tel:029-85587312,E-mail:xijm@xust.edu.cn