温湿环境下砂岩变角剪切实验

2014-08-01张庆海张颢缤

黑龙江科技大学学报 2014年4期

周莉，陈栋，张庆海，张娜，张颢缤，刘伟

(1．黑龙江科技大学建筑工程学院，哈尔滨150022;2．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083)

岩石吸水后，矿物颗粒成分、粒间胶结成分、胶结方式、孔隙分布和毛管压力效应等均发生变化，造成岩石结构面弱化、强度降低［1－3］。煤矿进入深部开挖后，地温随着采深的增加而升高［4－5］，巷道围岩长期处于高温潮湿环境，所表现出来的力学性能、变性特征又有所不同。在围岩抗剪强度研究方面，国内外学者大多将非标准试件或标准试件用混凝土浇筑后再进行剪切［6－10］，这种实验方法准备工作耗时较长，模具制作、混凝土浇筑和拆模非常麻烦，且不易精确测得岩样对应的含水率。为此，笔者在不必浇筑混凝土的情况下，采用特制变角剪切模具直接进行变角剪切［11］，精确测定试件在温湿环境下吸水后的含水率，为长期温湿环境下的深井巷道围岩抗剪强度测定提供了新方法。

1 实验仪器与方法

1.1 仪器

温湿环境下吸水仪器为已设定温度(30、50、70 ℃)的恒温水浴;变角剪切压力机为YEP －2000型屏显式液压压力实验机，实验过程中控制剪切速率为1 MPa/s。45°、55°、65° 剪切模具为GB/T 23561.2—2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》第11 部分《煤和岩石抗剪强度测定方法》中标准试件所用模具。

1.2 方法

对三组温湿环境下吸水后的山东莱芜红砂岩试件，以及干燥状态和饱和状态下的试件进行变角剪切实验，以获得其抗剪强度随吸水环境的变化规律。方法如下:

(1)试件选取及制作。选取山东莱芜红砂岩岩体，依据GB/T 23561.5—2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》，将试件制作成φ50 mm ×50 mm 的圆柱体，共计60 块，编号SHJ －1～SHJ －60。置入设定温度为107 ℃的烘箱中，烘干24 h。冷却后称重，测量直径D、高度h 等基础数据，并记录。

(2)温湿环境吸水测试。依据GB/T 23561.2—2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》第11 部分《煤和岩石抗剪强度测定方法》，取三个剪切角度，每个角度下作四个标准试件的剪切实验，即一组变角剪切实验不少于12 个试件。故将试件SHJ－13～SHJ－24、SHJ －25～SHJ －36、SHJ －37～SHJ －48 分别置于30、50、70 ℃恒温水浴中吸水，试件处于潮湿环境中，与水面不接触。经温湿计测定，每个水浴内相对湿度均在95%以上。吸水时将所有试件每隔一定时间取出，称重并记录，直至试件达到气液平衡状态。此外，将试件SHJ －1～SHJ －12煮沸饱水6 h，用湿毛巾擦去试件表面水分，称重并记录。吸水测试完成后所有试件立即用保鲜膜密封。

(3)变角剪切强度测试。将所有试件进行变角剪切实验，每组12 个试件均分为三组，分别在45°、55°、65°角度下进行剪切。

2 结果分析

2.1 温湿环境下砂岩吸水特性

依据GB/T 23561.2—2009《煤和岩石物理力学性质测定方法》第11 部分《煤和岩石抗剪强度测定方法》，单个标准试件剪切破坏面上的正应力σ 和切应力τ 计算式分别为:

式中:σ——正应力，MPa;

τ——切应力，MPa;

P——试件断裂破坏荷载，N;

S——剪切面面积，S=D×h，mm2;

α——剪切面与水平面的夹角，(°)。

由于在相同的吸水环境下，每组试件吸水曲线基本相同，故将每组试件平均吸水量换算成平均吸水率。实验所得吸水率及变角剪切强度见表1。

表1 不同温湿环境下软岩吸水后的变角剪切强度Table 1 Variable angle shear strength of sandstone after water absorption under temperature humidity environment

图1 为三组试件平均吸水特征(V－t)曲线。可以看出，温湿环境下吸水的所有试件在吸水初期均呈减速吸水趋势，一定时间后吸水量不再增加，即达到各温湿环境下吸水气液平衡状态;在相对湿度均为95%以上的情况下，砂岩最终吸水量随着吸水温度的升高而增加;30、50、70 ℃吸水组最终吸水量分别为2.48、5.00、7.01 mL 左右;吸水温度越高，砂岩试件达到气液平衡状态时间越短，30、50、70 ℃吸水组试件达到气液平衡状态的时间分别为277、159、89 h。

图1 温湿环境下砂岩吸水特征(V－t)曲线Fig．1 Hydrophilic characteristic V－t curves of sandstone under temperature humidity environment

2.2 温湿环境下砂岩变角剪切强度软化特征

2.2.1 砂岩变角剪切强度拟合函数

用每组12 个试件的正应力和切应力值绘制τ－σ曲线，对其进行线性回归拟合，得到五组变角剪切强度曲线方程，见表2。每组变角剪切试件相对应的强度曲线见图2。

表2 温湿环境下变角剪切强度拟合函数Table 2 Fitted attenuating relation between single axial compressed strength

图2 温湿环境下山东红砂岩抗剪强度拟合曲线Fig．2 Temperature humidity environment of Shandong red sandstone shear strength

由图2 以及表2 中五组变角剪切强度拟合方程可以发现，所选砂岩变角剪切强度指标对水非常敏感，试件从干燥状态到饱和态时凝聚力从18.387 kPa降到11.708 kPa，降幅为36.2%;而在30 ℃湿度环境下吸水平衡后其凝聚力下降到12.590 kPa，降幅达到了31.5%;随着试件吸水率的增加，砂岩的凝聚力降低，内摩擦角增大。30、50、70 ℃湿度吸水状态、饱和状态试件的平均吸水率分别为1.06%、2.12%、2.94%、3.55%;相对应的砂岩凝聚力为12.590、12.512、11.849、11.708 kPa，降幅分别为31.5%、32.0%、35.6%、36.2%;相对应的砂岩内摩擦角为36.09°、36.17°、36.20°、36.50°，增幅分别为10.8%、11.0%、11.1%、12.0%;含水量对砂岩试件凝聚力的影响远大于对内摩擦角的影响。

2.2．2 砂岩抗剪强度指标与含水率的关系

温湿环境下砂岩试件抗剪强度指标与含水率关系曲线如图3 所示。分析五组试件凝聚力和内摩擦角随含水率增加时的变化规律可知，随着吸水率的增加，试件凝聚力呈负指数衰减趋势，趋于试件饱水时凝聚力;试件内摩擦角呈负指数趋势，上升至试件饱水时内摩擦角。

图3 山东红砂岩抗剪强度与含水率关系曲线Fig．3 Relation of Shandong red sandstone shear strength with variation of water content

试件凝聚力和内摩擦角随吸水率变化的关系式为

式中:cw——试件随吸水率变化的凝聚力，kPa;

c0——干燥状态下试件的凝聚力，kPa;

a1、b1——拟合参数。

式中:φw——试件随吸水率变化的内摩擦角，(°);

φ0——干燥状态下试件的内摩擦角，(°);

a2、b2——拟合参数。

将式(1)和式(2)代入摩尔－库伦准则得到

式中:τw——试件随吸水率变化的抗剪强度，kPa;

σw——试件随吸水率变化的正应力强度，kPa。

式(3)为温湿环境下实验所取砂岩变角剪切强度随吸水率变化时的关系函数，对长期在温湿环境下的巷道围岩的稳定性计算以及安全监测均有重要意义。

采用SigmaPlot 软件，分别按照式(1)、(2)对试件凝聚力和内摩擦角随吸水率变化的关系曲线进行拟合，变角剪切实验得出的各参数见表3。

表3 变角剪切指标拟合参数Table 3 Fitted parameters of variable angle shear index

2.2.3 砂岩变角剪切宏观破坏特征

实验根据吸水条件不同共分为三组，每组又分为三个剪切角度。观察所有试件破坏形态发现，试件吸水率的变化对砂岩的破坏形态影响不大，剪切角度的不同才是引起其破坏形态发生显著差异的主要因素，故此次实验试件破坏形态主要分为45°、55°、65°三种剪切角度，见图4。图4a为试件在45°剪切角度下的典型破坏形态。在受剪过程中试件剪切面上所受的正应力和切应力相同。砂岩首先出现密压阶段，试件中微裂隙和微孔隙在正应力的作用下被压密闭合，然后在正应力和切应力的共同作用下发生压剪破坏，上下端面类似于被“掀开”，破坏较小，但其内部几乎完全粉碎，呈现出“一碰就碎”的状态。图4b 为试件在55°剪切角度下的典型破坏形态。在受剪过程中试件剪切面上所受的正应力小于切应力，切力作用大于压力作用，整体被分为两半，剪切面清晰，内部有少量受正应力作用产生的粉碎颗粒。图4c为试件在65°剪切角度下的典型破坏形态。在受剪过程中试件剪切面上所受的切应力远大于正应力，呈完全脆性破坏形态。