前期名义固结压力在岩石力学本科实验教学中的应用

刘俊新，刘 鹏，刘育田

（西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010）

前期名义固结压力在岩石力学本科实验教学中的应用

刘俊新，刘 鹏，刘育田

（西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010）

自主研制了一种用于测量泥质岩前期名义固结压力试验装置，得到了其前期名义固结压力，填补了岩石力学实验和教学中的空白。通过试验验证了该装置的适用性和可靠性，便于试验操作，在以往装置的基础上填加了一个侧限压缩室，确保泥质岩侧向完全受限，通过分析获取了前期名义固结压力，并探究了其脆转延特性。该装置将前期名义固结压力应用于岩石力学教学中，丰富了实验教学内容，完善了知识框架体系，是对岩石力学课程内容的拓展补充，适合在实验教学环节中培养学生动手实践能力。

岩石力学；固结试验；单轴应变实验；前期名义固结应力；脆转延

岩石力学是一门理论性、应用性和实践性都很强的工科学科，其实验教学是岩石力学教学体系中的重要组成部分，主要有现场实验和室内物理实验［1］。然而岩石力学课程具有涉及内容较多、经验公式多、实验内容多等特点，在学习过程中需要把理论与实际密切结合起来［2］。随着近年来新工艺和科学技术的发展，该课程克服了传统教材知识面和适应性过窄的弊端，打破了行业界线，逐渐与人们日益关注的环境、生态和能源等热点问题相结合，不断适应社会发展的最新需求，研究内容不断拓展和丰富，体现了岩石力学学科与时俱进的特点。目前在工科高等学校，很多都主要依赖于实验室物理实验［3］，因此完善岩土力学实验室物理实验在目前基础教学中是十分必要的。

作为3种组成地球岩石圈主要岩石之一的沉积岩，地球地表占比有70，所含有的矿产也占全部世界矿产蕴藏量的80以上，对其固结成岩机理和受力特性的研究是不可或缺的。沉积岩在固结成岩过程中，先是由沉积物沉淀，而后经上覆沉积物压缩、脱水固结，再经成岩作用而形成。在研究泥质岩的演化性能及脆延转换过程中，文献［4］将前期名义固结压力引入对黏土岩、泥页岩进行了研究，为定量研究泥质岩盖层封闭性动态演化评价提出了OCR法，并指出前期名义固结压力与OCR法是评定此类岩石盖层的重要指标。而为了确定OCR值，关键就在于如何获取前期名义固结压力［5］。

式中，pc为前期名义固结压力，σ′vo为当前有效固结压力。对泥质岩进一步研究，文献［6］发现其前期名义固结压力不仅受到由于地层的侵蚀（抬升）和沉积作用引起的力学加载与卸载影响，还与成岩、胶结、矿物成分改变和长期的次固结压缩（即蠕变）等地质构造演化作用有关。对于部分成岩作用较弱的黏土岩、泥页岩等，由于在其成岩作用中晚期受到老化、胶结、矿物成分转换与变异等因素的影响，会表现出超固结特性，超固结的出现一般会使岩石表现出硬脆特征，进而可能对其整体结构的密封性造成不利影响［4］，因此前期名义固结压力就成为评判盖层密封性的一个重要指标。岩石盖层作为油气上覆遮挡构造，是油气藏得以形成和保存的重要条件，其密封性能优劣是决定油气藏丰度、储量及保存时间的关键因素［7］。由此可见，作为评定有关岩石盖层重要指标的前期名义固结压力与OCR法的研究和推广意义变得越来越重要，这也是岩石力学理论研究和工程应用不断结合的体现。

虽然在泥质岩研究中前期名义固结压力的理论和工程作用日益凸显，但其检测方法少有人研究，也缺少准确可靠的实验装置来检测。然而土力学中土体的前期名义固结压力作为影响土的工程性质的重要因素之一，无论是在理论教学还是在实验教学中都有重点介绍，其测定方法也逐步发展成熟，主要有卡萨格兰德（Casagrande）法、波密斯特（Burm ister）法、希默特曼（J.H.Schmertmann）法及日本的三笠氏法等，目前国内各试验规程仍然以卡萨格兰德法为主［8］。卡萨格兰德法即土工试验规范采用的测定土的固结试验方法［9］，主要实验仪器为压缩固结仪，其特点是在曲线上寻找最小曲率半径点，然后在此点上作水平线，切线和两线的角平分线，角平分线与直线段延长线的交点所对应的垂直压力即为前期固结压力。该法直观简单，易于理解，但是对于泥质岩而言，土力学试验设备加载能力有限，不能直接应用于岩石力学实验中。为探求泥质岩前期名义固结压力，并将它应用于实验教学中，参考土力学相关实验原理，这里介绍了一套自主研制的针对泥质岩的完全侧限条件下单轴应变试验装置，其关键技术问题是提供了一种侧限压缩室，能够保证试样环向有足够刚度而使位移受到严格限制，确保了很高的试验精度，进而准确得到前期名义固结应力。通过试验将前期名义固结应力引入岩石力学教学和实验，拓宽了学生的知识面，适应了新时代对教学改革的要求，也有助于岩石力学理论与工程将不断走向成熟。

1 实验仪器和操作方法

1.1 仪器参数

自主研制的完全侧限条件下岩石单轴应变试验装置如图1所示，用于测定泥页岩的前期名义固结应力。该装置的环空柱形侧限压缩室为两块内径为25 mm、壁厚达15 mm、高140 mm的半圆环形不锈钢沿母线对称拼接而成，拼接处用6枚长40 mm、直径10 mm的螺丝钉连接固定，确保环空柱形无间隙且不能发生任何侧向变形。

图1 试验装置整体结构示意图

侧限压缩室外侧中央分别安装4个电阻应变片（前后两面安装，拼接的母线两侧的应变片关于拼接母线呈轴对称），应变片通过导线与电阻应变仪相连，应变仪采用扬州泰司TS3862静态电阻应变仪，与4个高精度的BF350型电阻式应变片连接构成应变记录系统，以此监测环向变形。上端承压板尺寸为上部直径70 mm、厚10 mm，下部直径49.5 mm、厚10 mm的“T”形组合柱体不锈钢；承压底座为上部直径49.5 mm、厚35 mm，下部直径120 mm的倒“T”组合柱体不锈钢。承压板和承压底座用于向岩石试样传递轴向压力，试样放置在承压板下部柱形凸起和承压底座上部柱形凸起之间。图2和图3为侧向受限的岩石单轴应变试验装置示意图及实物图，图2中标注同图1，图4为操作图。

图2 试验装置立体示意图

图3 试验装置实物图

图4 单轴应变试验操作

1.2 操作步骤

1）将环空柱形侧限压缩室放置在承压底座上，在环空柱形侧限压缩室中放入标准柱形岩石试样，再将承压板放置在环空柱形侧限压缩室上方；

2）环空柱形侧限压缩室连同上部承压板和承压底座一起放置在试验机承压平台中心，将应变片与电阻式应变仪连接，开启试验机控制电脑和电阻式应变仪，设置好参数即可开始试验；

当地主要种植水果、蔬菜及少量大田作物，以经济作物为主，常年都有用肥需求，以复合肥为主。受云南物流条件限制，企业要将产品发到市县，需要付出过多的物流成本，加上种植结构分散，更加大了成本。本月看似销售有所上升，但实际上和去年相比呈现微幅下跌。企业逐步开始减少囤积农资，避免货物积压，化肥库存量同比有所下降。

3）试验机控制电脑自动记录试验荷载与变形曲线，试验完成后，取出环空柱形侧限压缩室，卸下螺丝钉，取出试样。

4）仿照步骤1）～步骤3）放入新的岩石试样进行侧限条件下的单轴应变试验，直至完成所有试件的测试工作。

1.3 基本原理

依照上述试验过程操作，利用电阻应变仪测试记录侧限压缩室外壁的环向应变［10］：

式中，a、b、E1、v1分别为厚壁圆筒内径、外径和套筒材料的杨氏模量及泊松比，值分别为23.5 mm、33.5 mm、2.061011Pa和0.28。

式中，kd为应变片的动态灵敏度系数，Rg为应变片电阻，Rc为应变仪的标定电阻，ΔUc为标定电压值，ΔUg为记录脉冲波形采样值。

按照厚壁圆筒（《弹性理论》，铁摩辛柯，古地尔著）弹性理论［10］，可求取圆筒内壁处的压力［11］：

2 实验应用与结果分析

2.1 实验应用

为验证完全侧限条件下泥质岩单轴应变试验装置的可靠性和准确性，本文采用系统的试验进行了验证。本次试验样品来自鄂西—渝东地区的刚开挖的泥质岩新揭露的露头，涉及次一级地层为遂宁组（野外编号1140）、小河坝组（野外编号1141）；泥质岩岩性涵盖红色泥岩、泥页岩（如图5所示）。所用试样采用现场钻取的直径为49 mm的长柱，并选取从同一位置所取的岩心进行加工。先利用钢锯切出长度102mm左右的试样，然后利用专用夹具配合细砂纸打磨成符合试验规程的标准试样（其尺寸为47 mm×100 mm），并迅速采用牛皮纸和胶带进行包装和蜡封。针对这两种泥质岩试样每组4块共计8块开展了完全侧限条件下单轴应变试验，得到了前期名义固结压力，并分析了脆转延性质。

图5 岩样图片

2.2 试验结果及分析

通过对试样开展单轴压缩试验，利用Addis法确定泥质岩前期名义固结压力，即单轴应变试验曲线上斜率K0发生转折的点所对应的纵坐标值为前期名义固结压力［12］。对试样试验结果整理分析得到单轴应变试验典型曲线（如图6和图7所示），可以看出曲线大致分成4段：1）压密阶段，由于外力较小，泥岩内部存在天然错位和孔隙等因素的影响，此阶段只是孔隙、裂缝的空间被部分压缩；2）弹性阶段，由于压力不断增大，泥岩与套筒逐渐紧密压缩；3）弹塑性阶段，曲线为发生偏转，超过前期名义固结压力；4）塑性流动阶段，对曲线拟合得到，第二与第三阶段两直线段交点所对应的轴向应力值即为该泥岩的前期名义固结压力值pc，第三和第四阶段两直线段交点所对应的轴向应力值即为该泥岩发生塑性流动而不能承担剪应力的压力值σv，max，由于在本次试验中只研究发生前期名义固结压力，所以该阶段我们暂不做处理。对比试验结果还可以初步得到以下结论：针对试样坚硬程度而言，岩石越坚硬，岩性越强，前期名义固结压力pc值较大；反之，pc值则较小。由此说明岩石的岩性与前期名义固结压力存在一定关联。

图6 单轴应变试验典型曲线

图7 部分试样典型前期名义固结压力曲线图

从岩石力学的角度而言，岩石的脆性一方面受到其本身性质影响；另一方面受制于所处的应力条件［13］。当围压超过某数值（转换压力）后，岩石便从脆性转换为延性，且随着围压的升高延性更加明显。从上述单轴应变试验结果看出，随着围压的增大，试样发生了生脆转延现象，故前期名义固结压力可视为岩石发生脆转延性的起始点，超过该点之后，岩石的变形呈现延性状态，承担剪切能力也随之减弱。

3 结束语

在土力学实验基础上，自主研制了一种针对泥质岩的完整侧向受限单轴应变试验装置，该装置提供了一种侧限压缩室，对泥质岩进行侧限条件下的单轴压缩试验，通过试验实例分析确定了其前期名义固结应力－应变曲线中第二与第三阶段两直线段交点所对应的轴向应力值，同时初步得到前期名义固结压力为岩石发生脆转延性的起始点这一结论。对于土木工程、地质工程专业的学生而言，该装置易于操作、便于学习，结合的知识点丰富，新引入的岩石前期名义固结应力不仅是对以往教学内容的补充，还适用于实验教学，能全面提高学生的理论知识学习和动手实践能力，与实际工程联系紧密。

泥页岩前期名义固结压力的研究与油气藏能源等热点问题相结合，使得教材的内容和思想与现实工程实际发展同步，是岩石力学教材知识面和适应性不断拓展的结果，也是教学改革的必然要求，同时还拓宽了学生毕业后的就业渠道和竞争能力，适应了新形势下国家对人才的培养要求。现阶段前期名义固结压力还有一定的局限性，为完善其理论，后期将对成岩作用更强的岩石进行研究论证这一理论知识的实用性。

［1］杨文东，张艳美，俞然刚，等.复杂地质建模前处理方法在岩石力学数值实验教学中的应用［J］.实验管理与技术，2014，31（9），179－183.

［2］马建兴，马强.岩石力学实验课的教学改革研究［J］.实验室科学.2011，14（02）：32－35.

［3］王述红，唐春安，朱万成，等.数值试验在岩石力学实验教学中的应用［J］.实验管理与技术，2003，20（6），140－143.

［4］NYGARD R，GUTIERREZ M，BRATLI R K，et al．Brittle－ductile transition，shear failure and leakage in shales and argillaceous rocks［J］.Marine and Petroleum Geology，2006（23）：201－212.

［5］GUTIERREZ M，NYGARD R，HOEG K，et al．Normalized undrained shear strength of clay shales［J］．Engineering Geology，2008，99（1／2）：31－99.

［6］BJ RLYKKE K，H EG K.Effects of burial diagenesis on stresses，compaction and fluid flow in sedimentary basins［J］．Marine and Petroleum Technology，14（3）：2191－2199.

［7］何光玉，张卫华.盖层研究现状及发展趋势［J］.世界地质，1997，16（2）：28－33.

［8］王冠英.不同地区海积软土前期固结压力与结构强度的关系及其成因分析［D］.吉林：吉林大学，2004.

［9］CASAGRANDE A.The determination of the pre－consoli dation load and its practical significance［C］／／Proceedings of the First International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.［S.l.］：［s.n.］，1936.

［10］施绍裘，王礼立.材料在准一维应变下被动围压的SHPB试验方法［J］.试验力学，2000，15（4）：377－384.

［11］李祥龙，刘殿书，冯明德，等.钢质套筒被动围压下混凝土材料的冲击动态力学性能［J］.爆炸与冲击，2009，29（5）：463－467.

［12］ADDIS M A.Mechanisms for sediment compaction re sponsible for oil field subsidence［D］.London：Universi ty of London，1987.

［13］周辉，孟凡震，张传庆等.基于应力－应变曲线的岩石脆性特征定量评价方法［J］.岩石力学与工程学报，2014，33（6）：1114－1122.

Application of Apparent Preconsolidation Stress in the Undergraduate Experiment Teaching of Rock M echanics

LIU Junxin，LIU Peng，LIU Yutian
（School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang621010，China）

A preliminarymethod formeasuring the initial consolidation pressure ofmudstone is self－developed，and obtained its initial consolidation pressure data，which fills the gaps in the experimentand teaching of rockmechanics.The applicability and reliabil ity of this device are verified by experiments.It is convenient for the testoperation.Based on the previous device，we filled with a later al compression chamber to ensure that themudstone is completely limited side by side.Through the experimental analysis，we got the apparent preconsolidation stress of the shale and explored the brittle transition properties.The application of the initial consolidation pressure in the rock mechanics teaching，enrich the experimental teaching content，improve the knowledge framework system，which is the expansion of rock mechanics curriculum content.It is very suitable for the students to practice in the experiment teaching.

rock mechanics；consolidation test；uniaxial strain test；apparent preconsolidation stress；brittle to fragile

TU45

A

10.3969／j．issn．1672－4550.2017.03.019

2015－10－29；修改日期：2016－01－05

2013年土建类高等教育教学改革项目土木工程专业卓越计划专项——《面向西部区域特色的土木工程卓越计划人才培养模式研究》（2013010）。

刘俊新（1976－），男，博士，主要从事岩土工程与防护工程研究。