低温冻结作用下砂质泥岩基本力学特性试验研究

奚家米,杨更社,庞 磊,吕晓涛,刘方路

(西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安 710054)

低温冻结作用下砂质泥岩基本力学特性试验研究

奚家米,杨更社,庞 磊,吕晓涛,刘方路

(西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西西安 710054)

以砂质泥岩为研究对象,对饱水状态岩石试件进行不同温度(-30～20℃)、不同围压(6, 8,10 MPa)条件下的单轴压缩试验及三轴压缩试验,分析了低温对砂质泥岩基本力学参数的影响规律,探讨了抗压强度和残余强度随围压的变化。研究结果表明:低温(0℃以下)对砂质泥岩强度特性和变形特性均有较大的影响,其抗压强度、黏聚力、内摩擦角、残余强度和弹性模量随温度的降低均有所提高,残余强度呈衰减增长趋势,而最大轴向应变值随着温度的降低而不断减小。围压对砂质泥岩强度特性的影响非常明显,抗压强度、残余强度均随围压的增加呈线性增加。通过对大量的试验数据进行分析,得到一系列有意义的拟合曲线及关系表达式。

低温冻结;冻结岩石;砂质泥岩;力学特性

岩石受环境温度影响的热力效应长期以来是岩石热力学理论与应用研究的热点问题之一。寒区岩土工程、人工冻结工程使得工程结构围岩受到周期性低温效应作用或长期处于低温冻结状态,其强度特性与常温状态有很大的不同[1]。鉴于此,国内外岩土工程及其相关领域的专家学者就低温作用下岩体(石)力学特性变化方面已开展了大量的研究。如李云鹏等[1-2]对花岗岩开展了不同冻结温度下的压缩试验,其抗压强度、变形模量随温度降低呈增长趋势,而泊松比变化相对较小;徐光苗、刘泉声等[2-4]分别对红砂岩和页岩开展了不同冻结温度和不同含水状态下的单轴压缩与三轴压缩试验,2种岩石的单轴抗压强度与弹性模量随温度降低而增大,岩石的含水状态对岩石的冻结强度影响显著;张慧梅等[5-6]对砂岩和页岩进行了冻融循环和压缩试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的强度与变形特性等随冻融循环次数的变化规律;李栋伟等[7]通过高围压固结、低温冻结后再加卸载的试验方法模拟白垩系冻结软岩地下工程施工应力状态的变化过程,提出了冻结软岩黏弹塑非线性蠕变本构力学模型;刘莹等[8]对内蒙鄂尔多斯地区白垩系岩层开展了不同冻结温度下的物理力学性能试验,分析了单轴抗压强度与温度、含水率之间的相互影响关系;周科平等[9]对经历不同冻融循环次数的风化花岗岩进行了核磁共振和常规单轴压缩实验,得到了冻融循环后岩石的孔隙度、孔隙分布和单轴抗压强度与循环次数的关系;杨更社等[10-14]分别以煤、砂岩为研究对象,开展了常温和不同冻结温度下岩石单轴压缩和三轴压缩试验,获得了不同温度条件下岩石试件的基本力学参数,并探讨了参数值与冻结温度的关系。

近年来,西部地区掀起矿井建设的热潮,由于西部地区煤炭资源大多埋藏深,且上覆巨厚富水白垩系软岩地层,井筒建设多采用冻结法施工。低温冻结作用下,岩石(体)力学特性参数会发生变化,若采用常温下岩石(体)的参数或经验值进行冻结设计,设计结果往往不尽合理。砂质泥岩因其强度低而成为井筒冻结壁的最薄弱岩层之一,往往将其作为富水软岩井筒冻结设计的关键控制层位,因此,开展冻结条件下砂质泥岩的力学特性研究对冻结岩石力学理论研究和工程实际都具有重要意义。当前,关于低温冻结作用下砂质泥岩力学特性的研究还不够系统,文献[15]以砂质泥岩为研究对象,开展了不同温度、围压条件下的压缩试验,但仅探讨了温度、围压对岩石试件抗压强度的影响,研究成果不能满足井筒冻结设计的需要。

笔者在前人研究的基础上,结合现有的冻土力学理论,利用西安科技大学教育部重点实验室MTS-815型电液伺服试验机,以砂质泥岩为研究对象,开展不同温度条件下单轴压缩、三轴压缩试验,分析岩石强度特性参数(抗压强度、黏聚力、内摩擦角和残余强度)和变形特性参数(弹性模量)与温度、围压之间的关系,并就冻结温度对相应参数值的影响规律进行了探讨。

1 试验方法

1.1 试样制备

砂质泥岩岩样取自甘肃省新庄煤矿副井井筒,从施工现场取得新鲜完整大岩块,用水钻法加工成ϕ50mm×100 mm的圆柱形标准试样。先剔除外观有缺陷及视觉上差别明显的试件,再通过RSM-SY5智能声波检测仪测定试件的纵波波速,筛选波速相近的试件作为试验岩样。

对岩石试样进行饱水处理。把选好的岩样放入抽气容器中,密封容器,抽取容器中的空气,先抽气2 h后再向容器中放入蒸馏水,并继续抽气4 h直至无气泡溢出。然后将岩样在水中浸泡24 h以上,称取饱和后的岩样在空气中质量及水中质量,以此得到岩样的饱和含水量和孔隙度。常温条件下砂质泥岩的天然密度、饱和密度、饱和含水量及孔隙度分别为2.16 g/cm3,2.27 g/cm3,5.71%,12.25%。

1.2 试验方案

为使得实验时温度和围压与工程实际基本接近,根据井筒冻结时盐水温度(-30℃)、冻结壁平均温度(-8.84℃)以及砂质泥岩所在层位的压力(8 MPa左右)。开展不同温度(20,-5,-10,-20,-30℃)条件下单轴压缩试验和三轴压缩试验,三轴压缩试验中每级温度对应3个围压(6,8,10 MPa)。每级温度、围压下取3块岩样进行试验,取平均值为试验结果。

1.3 试验过程

取饱和岩样,用乳胶套密封好,并逐一编号,放入低温控温箱中冻结,冻结速率为1℃/h。冻结48 h后,取出试样,在压缩试验机上开展试验,记录荷载-位移曲线信息。单轴、三轴压缩试验均采用轴向位移速率控制方式,控制速度为0.002 mm/s。

2 试验结果及分析

2.1 不同围压条件的压缩试验结果

由压缩试验得到砂质泥岩在不同温度、围压条件下的应力-应变曲线,如图1所示。

图1 砂质泥岩在不同温度、围压条件下的应力-应变曲线Fig.1 Sandymudstone stress-strain curves for different temperature and confining pressure

2.2 低温作用下砂质泥岩的强度特性

(1)砂质泥岩抗压强度与温度、围压的关系。

图2 不同围压条件下抗压强度与温度的关系Fig.2 Relations between peak intensity and temperature for different confining pressure

图3 不同温度条件下抗压强度与围压的关系Fig.3 Relations between confining pressure and peak intensity under different temperature

根据试验结果分别绘制了砂质泥岩不同围压条件下抗压强度与温度的关系曲线以及不同温度条件下抗压强度与围压的关系曲线,如图2,3所示。至0℃),抗压强度变化幅度较小;当温度降至0℃以下时,抗压强度随着温度的降低显著提高。例如围压为0时,当温度从20℃降低到-30℃,砂质泥岩抗压强度从8.47 MPa增加到了20.17 MPa,提高了138.13%。由此可以得出,温度(特别是负温)是影响饱和砂质泥岩抗压强度的一个重要因素。由图3可以看出,砂质泥岩的抗压强度随着围压的增加几乎呈线性增加。在温度为20℃条件下,围压从0增加到10 MPa时,砂质泥岩抗压强度从8.47 MPa增加到了25.21 MPa,提高了197.64%,在其他温度条件下时,随着围压的增加,其抗压强度也有相应的提高。围压是影响砂质泥岩抗压强度的另一个重要因素。相对而言,围压对砂质泥岩抗压强度提高的贡献值大于冻结温度。

通过对砂质泥岩在不同围压条件下温度与抗压强度的关系和在不同温度条件下围压与抗压强度的关系的拟合,可将其抗压强度σc按照式(1)表示为围压σ3的函数,将抗压强度σc按照式(2)表示为温度T的函数:

式中,k,b,m,n,l是与试验形式有关的参数。

不同温度状态下,砂质泥岩抗压强度随围压变化的拟合曲线相关参数见表1,不同围压状态下,砂质泥岩抗压强度随温度变化的拟合曲线相关参数见表2。围压/ MPa m n l相关系数

表1 不同温度状态下砂质泥岩抗压强度随围压变化的拟合曲线相关参数Table 1 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone com pressive strength w ith confining pressureunder different temperature

表2 不同围压状态下砂质泥岩抗压强度随温度变化的拟合曲线相关参数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′分别为拟合直线的斜率和在纵坐标轴上的截距。

为直观反映温度对砂质泥岩黏聚力和内摩擦角的影响,分别将计算结果绘制散点图,并进行曲线拟合,如图4所示。

由表3,图4可以看出,砂质泥岩在饱和含水状态下,其黏聚力和内摩擦角均随温度的降低而增加,温度由20℃降低至-30℃时,黏聚力由5.27 MPa增加到16.21 MPa,强度提高了207.59%,内摩擦角由15.26°增加到27.39°,增加了79.49%。相对而言,低温对饱和砂质泥岩黏聚力的影响程度高于内摩擦角。

(2)砂质泥岩黏聚力、内摩擦角与温度的关系。

通过试验结果可以发现,试样的破坏形式属于剪切型破坏。根据不同围压时砂质泥岩抗压强度值,以围压为横坐标值,抗压强度为纵坐标值,绘制不同围压下的最大主应力-最小主应力关系曲线,按照莫尔-库仑强度准则(式(3))来计算砂质泥岩的黏聚力(c)和内摩擦角(φ)值,计算结果见表3。

表3 不同温度下砂质泥岩的黏聚力和内摩擦角Table 3 Cohesion and internal friction angle of sandy mudstone for differen t tem perature

图4 砂质泥岩黏聚力、内摩擦角和温度间的关系Fig.4 Relationship of cohesion,friction angle and temperature of sandymudstone

对计算结果进行曲线拟合,黏聚力和内摩擦角与温度的关系分别满足二次和一次多项式:

(3)砂质泥岩残余强度与温度、围压的关系。

根据试验结果,可以得到砂质泥岩不同温度和围压条件下的残余强度,分别绘制了砂质泥岩不同围压条件下残余强度与温度的关系曲线以及不同温度条件下残余强度与围压的关系曲线,如图5所示。

由图5(a)可以看出,在不同温度条件下,砂质泥岩的残余强度随着围压的加大而增加。围压由0增加到10 MPa,温度为20℃时,砂质泥岩的残余强度由4.75 MPa增加到11.57 MPa,提高了143.57%;在相同的围压变化梯度下,温度为-5,-10,-20,-30℃时,残余强度分别提高了138.17%,87.68%, 74.77%,70.24%。残余强度增加幅度呈减小趋势。

图5 砂质泥岩残余强度与围压和温度的关系Fig.5 Relationship of sandy mudstone residual strength, confining pressure and different temperature

通过对试验结果进行拟合发现,残余强度与围压的关系呈现出一种线性增大的趋势,可用式(6)进行表达。

其中,σr为残余强度值。各种温度状态下拟合曲线的相关参数见表4。

表4 不同温度状态下砂质泥岩残余强度随围压变化的拟合曲线相关参数Table 4 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone residual strength with confining pressure urder different tem peratu re

由图5(b)可以看出,在不同围压条件下,砂质泥岩的残余强度随着温度的降低呈现出增大的趋势。温度在正温区间内(20℃降至0℃),残余强度变化幅度较小;当温度降至0℃以下时,残余强度随着温度的降低显著提高。温度由20℃降低到-30℃,围压为0℃时,砂质泥岩的残余强度由4.75 MPa增加到14.88 MPa,提高了207.58%;在相同的温度变化梯度下,围压为6,8,10 MPa时,残余强度分别提高了306.48%,324.35%,174.94%。以围压为0为例,温度由20℃降低到-5℃时,其值由4.75 MPa增加到6.13 MPa,提高了29.05%;温度由-5℃降低到-10℃时,其值提高了49.59%;温度由-10℃降低到-20℃时,其值提高了42.2%;温度由-20℃降低到-30℃时,其值提高了14.11%。由此可以得出,围压一定时,砂质泥岩的残余强度随温度的降低呈衰减增长趋势,即增长比率逐渐减小。

在不同围压条件下,温度对其残余强度的影响具体可以通过式(7)进行表达。

其中,α,β为与试验形式有关的参数。各种围压状态下拟合曲线的相关参数见表5。

表5 不同围压状态下砂质泥岩残余强度随温度变化的拟合曲线相关参数Table 5 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone residual strength w ith tem perature for different confining pressure

试验结果表明,饱和状态下砂质泥岩的抗压强度、内摩擦角、黏聚力和残余强度均随温度的降低而有不同程度的提高(主要发生在温度降至0℃以后),其主要原因是:温度降至0℃后,饱和试件中裂隙水和孔隙水凝结成冰(水凝结成冰的比例随冻结温度的降低而逐渐增大),充填了岩石试件内部裂隙和孔隙,同时,也提高了岩石试件内部微裂纹的黏结作用,以上是导致饱和砂质泥岩强度大幅度提高的主要原因。另外,温度的降低也会导致岩石颗粒体积产生收缩,颗粒之间排列更加紧密,从而使得岩石试件强度略有提高。另外,围压也是砂质泥岩抗压强度和残余强度提高的重要因素。

2.3 冻结砂质泥岩变形特性试验

(1)砂质泥岩弹性模量与温度的关系。

选取瞬时抗压强度的50%与其所对应的应变ε50的比值作为试样的弹性模量值。根据应力-应变曲线可得砂质泥岩不同温度条件下的弹性模量,弹性模量与温度的关系如图6所示。

图6 砂质泥岩弹性模量与温度的关系Fig.6 Relationship between the elasticmodulus and temperature of sandy mudstone

由图6可以看出,砂质泥岩弹性模量随温度的降低有增加的趋势。温度在正温区间内(20℃降至0℃),弹性模量几乎无变化;当温度降至0℃以下时,残余强度随着温度的降低显著提高。温度由20℃降低到-30℃、围压为0时,砂质泥岩的弹性模量由0.89 GPa增加到2.31 GPa,提高了159.55%;在相同的温度变化梯度下,围压为6,8,10 MPa时,弹性模量分别提高了320%,347.72%,234.56%。经拟合,弹性模量与温度的关系可用式(8)来表达。

其中,E为弹性模量。各参数拟合数值见表6。

表6 不同围压状态下砂质泥岩弹性模量随温度变化的拟合曲线相关参数Table 6 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone elastic modulus w ith tem perature for different confining pressure

(2)砂质泥岩最大轴向应变与温度的关系。

为了解温度对砂质泥岩的最大轴向应变的影响,绘制了不同围压下砂质泥岩的最大轴向应变与温度关系图,如图7所示。

图7 砂质泥岩最大轴向应变与温度的关系Fig.7 Relationship between maximum axial strain and temperature of sandy mudstone

由图7可以看出,不同围压条件下,砂质泥岩的最大轴向应变值均随着温度的降低而不断减小。以围压10 MPa为例,温度由20℃降低到-30℃时,最大轴向应变由1.365%降低到1.112%。根据拟合曲线,砂质泥岩最大轴向应变与温度基本上呈线性递减。由此可以说明,在相同围压下温度的降低使试样逐渐向脆性转化。

3 结 论

(1)温度对砂质泥岩强度特性有所影响,总体表现为强度基本参数值均随温度的降低而有不同程度的增大,尤其在低温(0℃以下)作用下,其抗压强度、黏聚力、内摩擦角和残余强度有大幅度的提高,残余强度随温度的降低呈衰减增长趋势。其主要原因是,低温作用下岩石中水凝结成冰,充填了内部裂隙和孔隙,提高了岩石试件内部微裂纹的黏结作用,同时,岩石颗粒之间排列更加紧密,导致砂质泥岩强度大幅度提高。

(2)砂质泥岩的抗压强度、残余强度随围压的增加呈线性增加。相对而言,围压对砂质泥岩抗压强度的影响大于温度。

(3)砂质泥岩的变形特性参数也受温度的变化而改变。低温(0℃以下)作用下,弹性模量随着温度的降低显著增长,而最大轴向应变值随着温度的降低而不断减小。温度的降低使砂质泥岩逐渐向脆性转化。

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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,杨更社,庞 磊,等.低温冻结作用下砂质泥岩基本力学特性试验研究[J].煤炭学报,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 责任编辑:王婉洁

国家自然科学基金资助项目(41272340);陕西省自然科学基金资助项目(2011JM5002)

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