砂岩单面吸水强度软化实验
2012-11-08韩朝龙梦祥民于亨达
周 莉, 韩朝龙, 梦祥民, 于亨达
(黑龙江科技学院 建筑工程学院, 哈尔滨 150027)
砂岩单面吸水强度软化实验
周莉,韩朝龙,梦祥民,于亨达
(黑龙江科技学院 建筑工程学院, 哈尔滨 150027)
为了更附合巷道围岩吸水的实际状态,通过对两组单面吸水后的砂岩试件进行单轴抗压强度实验,研究其随吸水时间变化的强度软化特征。结果表明:两组试件单轴压缩σ-ε曲线线形相似,属于塑性-弹性-塑性变形类型,试件抗压强度随吸水时间呈负指数衰减趋于饱水强度,强度软化系数与吸水时间呈负相关性。试件宏观破坏形式主要为楔劈型张剪破坏和拉伸破坏,而且吸水一端总是首先破坏。砂岩在单面吸水状态下,强度软化机制为黏土矿物遇水膨胀机制与微观力学机制。
砂岩; 单面吸水; 单轴压缩; 强度软化
0 引 言
深部软岩巷道发生塑性大变形,除了与岩体的应力状态、岩石的结构、矿物成分、胶结类型等有关外,还与巷道所处的环境条件,尤其是水环境有关。深部开采处于高地应力环境,巷道围岩由于开挖卸荷而发生应力释放与应力调整,在改变岩体应力状态和强度的同时,也改变了围岩水文地质条件。岩体中原本闭合的结构面张开、滑移,产生大量的裂隙,围岩通过岩壁表面和裂隙吸取大量工程用水和巷道潮湿环境中的水分,促使岩体强度降低,加速围岩变形,巷道破坏失稳。只有对巷道围岩及时采取封堵和支护措施,方可确保巷道安全稳定。于是,围岩强度衰减程度成为把握施工时机的重要依据,学者们对围岩强度随吸水时间的变化规律展开研究。
国内外学者[1-4]在对岩石力学性能随吸水时间变化的研究中,大多采用浸水法制备含水试件进行力学测试研究。事实上,巷道围岩是通过围岩表面吸水,浸水法难以模拟围岩表面吸水状态。为此,笔者采用单面吸水方式使试件吸水,其后再进行强度测试。
1 实验方案及仪器
1.1实验方案
对不同延时单面吸水后的试件进行单轴压缩强度测试,以获得岩石随时间变化的强度衰减规律。实验方案如下:
(1)选取试件。实验选用了结构致密,质地均匀,节理裂隙不发育,无明显层理且表面完整的中砂岩和细砂岩两组试件。为了避免出现实验数据离散性大的问题,制取试件后,先采用CTS-35型非金属超声波检测仪进行声波速度筛选,选用声波速度相近的试件进行实验。中砂岩试件选自鹤岗南山矿8煤底板,共计9块,细砂岩试件选自山东莱州,共计6块。
(2)试件制作。根据GB/T 50266—1999《工程岩体试验方法标准》将试件制备成φ50 mm×100 mm的圆柱体,吸水实验前,先将试件置于烘箱内,在105~110 ℃条件下烘干备用。
(3)吸水实验时间序列设定。每组试件中均预留一个干燥试件,其余试件进行吸水实验。根据文献[5]砂岩吸水特征曲线特点,在两段曲线中均匀取点,中砂岩吸水时间序列设定为6、12、24、96、170、310、460、650 h,细砂岩吸水时间序列设定为9、24、37、54、132 h。每组试件中最长吸水时间(650、132 h)为试件表面全部湿润时间。
(4)强度测试。将每组试件中所预留的干燥试件和达到了规定吸水时间后的试件,进行单轴压缩实验,获得各试件吸水后的强度值。
1.2实验仪器
单面吸水实验在中国矿业大学(北京)深部国家重点实验室研发的深部软岩水理作用测试系统上进行,采用有压吸水测试方法。
单轴压缩实验采用长春新特技术有限公司生产的XTR01型微机控制电液伺服岩石三轴实验仪,实验时采用轴向应变控制,应变速率选择2×10-3mm/s,试件轴向引伸计与径向引伸计安装如图1所示。
图1 三轴实验仪引伸计安装Fig. 1 Extensometer installation for triaxial apparatus
2 实验结果分析
2.1单面吸水实验
按照设定的时间序列对试件进行吸水实验,当某一试件吸水历时达到了设定的时间后,立刻结束吸水实验。图2为两组试件的吸水过程(lnQ-t)曲线,Q为吸水量,t为吸水时间。从图2中可见,每组试件吸水过程曲线特征基本一致,规律性较强, 与文献[5]吸水过程曲线特征相似,即呈减速吸水和等速吸水两个阶段,各试件在规定时间内的最终吸水量见表1。
图2 吸水过程ln Q-t曲线Fig. 2 Soaking curves of ln Q-t表1 砂岩随吸水时间变化的强度特性Table 1 Variation of sandstone strength with soaking time
组别试件编号t/hQ/mLσc/MPaη中砂岩H5-14H3-1H5-13H5-15H6-2H2-7H2-12H3-3H2-10 6.012.024.096.0170.0310.0460.0650.00 0.551.051.382.623.353.256.357.33133.50120.80108.1093.4383.7764.0061.5046.4241.640 0.9040.8090.7000.6270.4790.5280.4830.311细砂岩XH-0XH-2XH-1XH-4XH-3XH-50 9.024.037.054.0132.00 1.703.905.305.8511.00 67.0665.9656.7756.3252.4854.880 0.9840.8470.8400.7830.818
2.2单轴压缩实验
2.2.1单轴压缩应力-应变关系(σ-ε)曲线特征
对两组吸水后试件及每组一块干燥试件进行单轴压缩实验,各试件σ-ε关系曲线见图3,其中,εl为轴向应变,εd为径向应变。由图3可见,每组试件的σ-εl曲线线形大体相似。σ-εl曲线在峰值前均似S形,整条曲线呈现四个阶段,即曲线初始平缓上升阶段(上凹)、线性阶段、非线性阶段(向下凹)和峰后下降阶段。曲线平缓上升阶段,主要受试件内部原有孔隙、裂隙与节理所控制,由于岩石试件中微裂隙或节理面被逐步压实闭合[6],因此,各个曲线此阶段的弯曲曲率与长度均有所不同。中砂岩此段曲线曲率大于细砂岩。
σ-εd整条曲线也分四个阶段,与σ-εl曲线不同的是,初始阶段曲线陡升,εd近似为0,说明此阶段试件体积变小,试件因内部微裂隙与节理面的闭合而产生塑性变形。
在微裂隙、弱节理面都闭合后,σ-εl、σ-εd曲线逐渐变为直线,进入线弹性阶段。试验中由于各试件吸水时间不同,吸水量与湿润厚度随吸水时间增加而增加,试件处于非均匀含水状态。在中砂岩试件中,σ-εl、σ-εd曲线的线性部分长度则随吸水时间的增加呈缩短趋势,吸水时间较短的试件线性部分相对较长,吸水时间较长的试件线性部分相对较短。这一现象在细砂岩中不明显,两组试件的这一区别,笔者认为与其矿物组成对水的敏感性和内部微观结构有关。
图3 单轴压缩应力-应变关系(σ-ε)曲线Fig. 3 σ-ε curves of sandstone under uniaxial compression test
当σ-εl、σ-εd曲线进入到非线性即弹塑性阶段,试件内部裂纹出现不稳定扩展和产生新的裂隙,试件强度降低,曲线呈向下弯曲特征。由于水的作用使此阶段的弯曲曲率有所改变,即随吸水时间的延长而增大。产生这一现象的原因是,水在岩石中所产生的润滑与水楔作用使裂隙在扩展过程中结晶崩坍,造成某些裂隙闭合。
当应力达到峰值,σ-εl、σ-εd曲线转向下降,试件进入应变软化的塑性变形阶段,干燥试件(H5-14和XH-0)显示出了明显的脆性,其他砂岩试件随吸水时间的延长,曲线峰后延性明显增强。
2.2.2单轴压缩强度软化特征
为研究砂岩单轴压缩强度软化特征,进行强度衰减和强度软化系数实验,结果如下。
(1)强度衰减实验
图4为两组试件单轴压缩强度(σc)与吸水时间的关系曲线,可以看出,随吸水时间的增长,试件的单轴压缩强度呈衰减趋势。吸水时间短的试件,压缩强度相对较高;吸水时间长的试件,压缩强度相对较低。中砂岩试件强度值,从干燥件H5-14的133.5 MPa,降低到吸水650 h的试件H2-1的41.64 MPa,下降幅度为68.9%;细砂岩从干燥件XH-0的67.06 MPa,降低到吸水132 h的试件XH-5的54.88 MPa,下降幅度为18.15%,见表1。
采用模糊稳健回归分析方法[7],对每组试件的吸水时间与单轴抗压强度进行拟合分析。选择负指数函数形式作为砂岩单面吸水状态下强度衰减函数:
σt=σas+(σc-σas)×e-ktst,
(1)
式中:σt——随吸水时间变化的单轴压缩强度值,MPa;
σas——试件吸水饱和时单轴压缩强度值,MPa;
σc——干燥试件单轴压缩强度值,MPa;
t——吸水时间,h;
kts——水理作用强度衰减系数。
两组试件σt与t具有较好的相关性,中砂岩拟合相关系数为0.942 6,细砂岩为0.905 2,见图4。
图4 单轴压缩强度随吸水时间衰减趋势Fig. 4 Attenuated relation between single axial compressed strength and soaking time
式(1)的物理意义为:在单面吸水状态下,随吸水时间的延长,砂岩单轴压缩强度呈负指数变化趋近于饱水强度。在测定了岩石干燥和饱水强度的基础上,kts决定岩石强度衰减速率。由于岩石矿物组成和内部微观结构复杂,所以kts差异性较大,关于kts的取值问题有待进一步研究。
(2)强度软化系数实验
岩石的软化性是岩石浸水后强度降低的特性,通常用软化系数表示,即岩石饱和状态下的单轴抗压强度与干燥单轴抗压强度之比。为研究砂岩单面吸水状态下的强度软化特性,将软化系数定义为时间的函数:
η(t)=σt/σc。
(2)
两组试件随吸水时间变化的η实测值见表1。
由图5可见,在单面吸水状态下,砂岩η与t具有负相关性,即η随吸水时间呈递减趋势。中砂岩吸水6~650 h 软化系数从0.904降低到0.311,表明强度下降幅度为9.60%~68.90%;细砂岩吸水9~132 h软化系数从0.984降低到0.818,表明强度下降幅度为1.60%~18.15%。在图5中还可观察到,在短时间吸水后强度下降幅度较大,如:在吸水24 h后,中砂岩η为0.700,细砂岩η为0.847,表明强度分别下降了30.00%和15.30%。这一现象对深井巷道施工具有一定的指导意义,即巷道围岩揭露后应及时进行疏干排水,及时采取封闭措施,防止由于岩体吸水强度骤减而产生底臌、收邦、冒顶等大变形现象。
图5 吸水时间与软化系数关系Fig. 5 Relationship between soaking time andsoftening coefficient
2.2.3单轴压缩变形宏观破坏形式
岩石压缩破坏形式复杂多变,通过对试件破坏形式的观察,最终归纳为楔劈型张剪破坏和拉伸破坏两种。在实验过程中观察到,随着荷载的增加,试件中陆续出现的微裂纹,不断积累、扩展,汇集成楔形体的两个侧面,试件发生楔劈型张剪破坏,见图6a。当试件中产生多条纵向条状微裂纹,经不断积累、扩展形成纵向劈裂面,且绝大多数劈裂面都是始于试件的一端而终止于另一端,从而形成拉伸破坏,见图6b。
图6 典型破坏形式Fig. 6 Typical failure for speciments
就整个试件而言,由于采用单面吸水方式使试件吸水,试件并未达到完全饱水状态,吸水后试件含水状态也不是均匀的,靠近吸水面处的截面吸水率相对较高,远离吸水面处的截面吸水率相对较低,甚至仍然为干燥状态。从破坏后的试件观察到,单轴压缩实验过程中,无论试件吸水端朝上还是朝下,裂纹总是较早出现在吸水端,而且靠近吸水面一端裂纹相对较多,试件总是从吸水端首先破坏,破坏面处吸水端矿物颗粒碎屑较多,粒缘裂隙发育,破坏面微结构松散。
2.3砂岩单面吸水强度软化机制
国内外学者[8-11]对水岩作用强度软化机制的研究表明:岩石的软化机制主要为黏土矿物遇水膨胀与崩解机制、微观力学与化学动力学机制、离子交换作用与矿物溶解和矿物生成机制等。在各种机制的综合作用下,岩石力学性质下降。在特定条件下,各种机制将不同程度存在。在砂岩单面吸水强度软化实验中,笔者认为,黏土矿物吸水膨胀与微观力学机制占主导地位。主要原因,一是吸水时间较短,而且实验用水为蒸馏水。二是砂岩主要矿物组成为晶体矿物和黏土矿物,除少量易溶性晶体矿物外(如方解石),晶体矿物水敏性远落后于黏土矿物。膨胀性是黏土矿物亲水性的重要表现,如具有分子内膨胀特性的蒙脱石水敏性极强,一般情况下,完全浸泡在水中的钙蒙脱石晶层间可进入3到4个水分子层的水,钠蒙脱石中水分子可不受限制地进入到晶层间,致使层间距增加而产生体积膨胀。即使是具有外膨胀性的高岭石,也因层状薄片间及颗粒边缘吸附水的存在而产生膨胀。黏土矿物膨胀使岩石内部产生不均匀应力,降低了晶体颗粒间的黏结力,在外力的作用下,岩石将因晶体颗粒产生滑移而破坏。三是试件在单面吸水状态下,试件的湿润厚度随吸水时间而增加。吸水时间越长,试件的湿润厚度越厚,亦即试件中将有更多的黏土矿物因吸水而产生膨胀,致使强度降低幅度越来越大。
两种砂岩粉晶X-射线衍射分析结果见表2。中砂岩中黏土矿物质量分数为24.5%,主要黏土矿物为伊/蒙混层,相对含量为100%,混层比为15%,混层中的蒙脱石为膨胀性强的钠蒙脱石[12],因此强度下降幅度相对较大;细砂岩中黏土矿物含量较低,为11.8%,主要黏土矿物为绿/蒙混层,即蒙脱石向绿泥石转换的中间矿物,相对含量为73%,混层比为55%,混层中绿泥石属中等膨胀性黏土矿物,蒙脱石为膨胀性相对较弱的钙蒙脱石[13],因此,强度下降幅度相对较小。
表2矿物X-射线衍射分析结果
Table2X-raydiffractionresultsformineral%
注:I/S为伊利石/蒙脱石混层;I为伊利石;K为高岭石;C/S为绿泥石/蒙脱石混层。
3 结 论
(1)砂岩试件单面吸水后,两组试件单轴压缩σ-ε曲线线形相似,属于塑性-弹性-塑性变形类型,σ-εd曲线在第一塑性变形阶段呈陡升状,εd值近似于0,说明此时试件体积变小。
(2)单轴抗压强度随吸水时间呈负指数衰减趋于饱水强度,强度衰减速率取决于强度衰减系数。
(3)强度软化系数与吸水时间呈负相关性,而且经短时间吸水后,软化系数降低明显。
(4)单轴压缩宏观破坏形式主要有楔劈型张剪破坏和拉伸破坏。
(5)砂岩单面吸水强度软化机制为黏土矿物遇水膨胀机制与微观力学机制。
[1]熊德国, 赵忠明, 苏承东, 等. 饱水对煤系地层岩石力学性质影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(5): 998-1006.
[2]藤宏伟, 任松, 姜德义, 等. 共和隧道页岩饱水软化试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(Z1): 2657-2662.[3]郭富利, 张项立, 苏洁, 等. 地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(11): 2324-2332.
[4]HEGGHEIM T, MADLAND M V, RISNES R, et al. A chemical induced enhanced weakening of chalk by seawater[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2004, 46(3): 171-184.
[5]周莉, 何满潮, 李京阳, 等. 砂岩吸水特性试验[J]. 解放军理工大学学报: 自然科学版, 2009, 10(6): 580-585.
[6]高延法, 张庆松. 矿山岩体力学[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2000: 1-21.
[7]周莉. 岩土抗剪强度参数模糊稳健回归分析[J]. 黑龙江科技学院学报, 2007, 17(2): 90-93.
[8]周翠英, 谭祥韶, 邓毅梅, 等. 特殊软岩软化的微观机制研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(3): 394-400.
[9]刘长武, 陆士良. 泥岩遇水崩解软化机理的研究[J]. 岩土力学, 2000, 21(1): 28-31.
[10]杨春和, 冒海军, 王学潮, 等. 板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究[J]. 岩土力学, 2006, 27(12): 2090-2098.
[11]周翠英, 邓毅梅, 谭祥韶, 等. 饱水软岩力学性质软化的试验研究与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(1): 33-38.
[12]周莉, 何满潮. 南山矿深部高应力软岩矿物学特征研究[J]. 金属矿山, 2008(6): 73-76.
[13]周莉. 深井软岩水理特性试验研究[D]. 北京: 中国矿业大学, 2008.
(编辑徐岩)
Softening experiment on single-side absorption strength for sandstone
ZHOULi,HANChaolong,MENGXiangmin,YUHengda
(College of Civil Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)
Aimed at a greater conformity with the actual state of roadway surrounding rock water uptake, this paper introduces uniaxial compressive strength test of the two groups of sandstone specimens, which absorb water only on single side to obtain the softening characteristic varying with absorption time. The result shows that the two groups of speciments have the much similarσ-εcompressed curve, classified into plastical-elastical-plastical deformatoin type. The compressive strength for both specimens tend to the saturable strength with negative exponentially proportional to the absorption time, softening coefficient of compressive strength shows negative correlation to the absorption time. The mainly macroscopic crack for the specimens occur in the form of wedge-splitting and tensile failure, and the first cracking is always at absorbing side. It follows that the strength softening mechanism for the single-side absorpting sandstone could be described as absorption expansion mechanism and micromechanics mechanism.
sandstone; absorbting on one side; uniaxial compressive; strength softening
1671-0118(2012)03-0320-05
2012-05-02
黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12511480)
周莉(1958-),女,黑龙江省宝清人,教授,博士,研究方向:岩土工程,E-mail:mengte5891@163.com。
TU458.3
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