单轴压缩测试条件下泥岩的力学特性综述

2020-07-07曹磊

河南科技 2020年14期

曹磊

摘要：本文简要介绍泥岩力学特性指标及其在实际中的研究方法，通过对前人在不同地区、不同条件下对泥岩进行的单轴压缩测试所得到的应力-应变曲线进行对比，总结出典型泥岩应力-应变曲线的总体特征。通过不同形式的泥岩单轴压缩测试对比归纳，总结出泥岩力学特性的主要影响因素，包括矿物组成（成分、含量和结构）、水（含水率和浸水时间）、pH、温度，并对各影响因素及之间的关系进行简单分析。

关键词：泥岩;单轴压缩测试;力学特性;应力-应变曲线;影响因素

中图分类号：TD313文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）14-0135-06

A Review of the Mechanical Properties of Mudstone Under Uniaxial Compression Tests

CAO Lei

（Hebei Geological Workers University，Shijiazhuang Hebei 050081）

Abstract： The mechanical properties of mudstone and its practical research methods was briefly introduced in this paper， and the overall characteristics of typical mudstone stress-strain curves were summarized by comparing the stress-strain curves obtained by the previous uniaxial compression tests on mudstones in different regions and under different conditions. Through the comparison of different forms of mudstone uniaxial compression test， the main influencing factors of mudstone mechanical properties were summarized， including mineral composition （composition， content and structure）， water （water content and immersion time）， pH， temperature， and the influencing factors and the relationship between them were simply analyzed.

Keywords： mudstone;uniaxial compression test;mechanical properties;stress-strain curve;influencing factors

黏土巖类是地球分布面积最广的沉积岩，约占沉积岩总量的60%[1]，而泥岩是黏土岩类的代表性岩石。在我国，泥岩层在沉积岩发育区域中广泛存在，如扬子地台、华北地台、塔里木盆地、松辽盆地、鄂尔多斯盆地等[2-5]。

泥岩常因含有机质呈灰黑色、黑色，或含铁质而呈褐红色、棕红色;结构按粒度分泥质结构、含粉砂泥质结构、粉砂泥质结构、砂泥状结构等;无明显层理，无页理或不明显，常呈块状。泥岩主要由黏土矿物（高岭石、蒙脱石、伊利石等）构成，其次为陆源碎屑矿物（石英、长石、云母等）和少量自生非黏土矿物（方解石、白云石、石英、海绿石、石膏等）。泥岩由弱固结的黏土经过中等程度的成岩作用和后生作用（如压固、脱水、重结晶等）而强固结形成。不同地质年代、不同地区的泥岩组分差别较大。

泥岩层常出现在烃源岩和油气储集层的上盖层或下底板位置，且由于泥岩具有突破压力高、中值半径小、渗透率低、热导率低等特点[6]，如能利用泥岩的特性阻隔烃源岩和油气储集层开采过程中产生的污染物质，形成封闭型隔层，则对地表土壤及地下水体形成保护作用，并减少开采后期的环境恢复治理成本。另外，由于泥岩富含黏土矿物，具有易吸水膨胀等特点，在烃源岩和油气储集层开采过程中，外界施工扰动等会造成储层岩石的弹性形变或塑性形变，使泥岩强度变低，诱发泥岩层软化及崩解现象，对烃源岩和油气储集层的开采造成破坏[7-8]。

综上所述，泥岩的力学特性在烃源岩和油气储集层开采过程中成为必要的研究对象。国内外很多学者对泥岩的力学特性进行了大量的试验研究，系统地分析泥岩的在各种试验条件下的蠕变性、膨胀性、崩解性等，并通过实测数据建立起泥岩特性数学模型[9-13]。篇幅所限，本文仅对前人在单轴压缩测试条件下泥岩的力学特性及影响因素进行综述，并进行简要分析总结。

1 泥岩的力学特性指标及研究方法

岩石的强度指岩石试件在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的最大荷载应力，主要包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。由于泥岩在自然状态下一般承受压应力的作用，受拉应力的情况较少，因此在研究中，以抗压强度和抗剪强度的测试最为常见。

在测试中，一般将试件制作成圆柱体，在室内通过在压力机上进行加压试验而测得。岩石的抗压强度包括单轴抗压强度和三轴抗压强度。单轴抗压强度指岩石试件在单轴压缩荷载作用下被破坏时所承受的最大压应力;三轴抗压强度指岩石试件在三轴压缩载荷作用下被破坏所承受的最大压应力。其中，单轴压缩测试可分为天然单轴抗压强度测试、饱和单轴抗压强度测试、风干单轴抗压强度测试等;三轴压缩测试分为真三轴压缩测试和常规三轴压缩测试。单轴压缩测试和常规三轴压缩测试较为常见[14]。

本文仅对泥岩单轴压缩测试结果进行分析，总结其应力-应变曲线变化特征，并探究各条件（如岩石成分、含水率、温度等）发生变化时对泥岩抗压强度的影响，总结泥岩力学特性的主要影响因素。

2 典型的泥岩应力-应变曲线特征

岩石的应力-应变曲线，表征了岩石受外应力后从开始变形，逐渐破坏，到最终失去承载能力的整个过程。本文所述单轴压缩测试，是指仅在轴向逐级连续加载应力-应变关系，即连续递增荷载施加于岩样上，以得到岩样的应力-应变关系、弹性模量、泊松比等力学参数。

肖尊群等[15]选取巴东组典型微风化红色粉砂质泥岩试样进行室内单轴压缩测试，得到泥岩应力-应变曲线，如图1所示。其结论认为，巴东组饱和粉砂质泥岩具有典型的软岩力学特征：最初为微裂隙闭合阶段，该阶段孔隙率减小，应变变化明显;随后为弹性变形阶段，峰值前应力-应变并非完全呈线性关系;之后进入塑性变形阶段和塑性剪切破坏阶段，而且塑性变形阶段不明显。

郭瑞等[16]选取宁夏神华宁煤现场砂质泥岩试样，黄志全等[17]选取宁夏固原地区饮水工程中的白垩系泥岩试样，付宏渊等[18]选取湖南长沙市岳麓山中泥盆统棋梓桥组强风化粉砂质泥岩边坡的粉砂质泥岩试样，分别进行泥岩单轴压缩测试，得到应力-应变曲线，如图2、图3和图4所示。

通过以上应力-应变曲线对比分析，虽各泥岩试样所取地区不同，岩石成分、赋存条件、风化程度等因素存在差别，曲线峰值、弹性模量、泊松比等参数有差异，但曲线总体起伏趋势相似，可认为泥岩应力-应变曲线具有典型变化特征。

典型泥岩应力-应变曲线可划分为4个阶段：第1阶段为裂隙压密阶段，此阶段在应力变化较小的条件下，应变变化较大，可认为表现为塑性;第2阶段为弹性变形阶段，此阶段曲线为直线或近似直线，表现为弹性或近似弹性，由此阶段曲线斜率可得到泥岩弹性模量;第3阶段为塑性变形阶段，此阶段不同泥岩试样表现出不同特征，曲线斜率或逐渐增大（见图2、图3）或逐渐减小（见图1、图4），但最终都达到曲线峰值;第4阶段为破坏阶段，此阶段曲线明显下降，表明泥岩的内部结构完全被破坏，抗压强度没降为零，说明还有一定的残余强度。综上所述，泥岩应力-应变曲线符合塑-弹-塑性岩石的特征。

3 影响泥岩力学特性变化的主要因素

虽不同地区单轴压缩测试条件下的泥岩应力-应变曲线总体特征相似，但各力学特性参数和具体表现仍有不同。以下对影响泥岩力学特性变化的主要因素进行分析，以阐明泥岩应力-应变曲线发生变化的原因。

3.1 岩石成分及结构

根据泥岩中矿物组分及含量不同，可分为含粉砂泥岩、粉砂质泥岩、钙质泥岩、硅质泥岩、铁质泥岩、炭质泥岩、锰质泥岩等常见类型。马万祥等[19]对枣泉煤矿东翼采区和西翼采区测点进行煤岩体原位泥岩单轴压缩测试，结果表明，泥岩类型不同，抗压强度相差较大。孟召平等[20]对淮南新集井田含煤岩系主采煤层顶底板泥岩进行单轴压缩强度测试（见图5），发现在泥岩中，隨着SiO2含量的增大，泥岩的力学特性总体呈增大趋势;在相同SiO2含量的情况下，SiO2在泥岩中的赋存状态对岩石力学性质有着重要的影响。上官力等[21]对粉砂质泥岩进行测试，也发现试样的天然单轴压缩强度、饱和单轴压缩强度随着石英含量的增大而增大，随着黏土含量的增大而减小。

综上所述，泥岩的力学特性受泥岩的矿物成分及含量的影响。一般情况下，地下赋存状态基本相同的泥岩，由于矿物组分及含量不同，对泥岩的抗压强度有较大影响。例如，石英（SiO2）硬度较大，其含量愈高，岩石的强度愈高。

另外，泥岩在成岩作用阶段的压实作用亦对力学特性产生明显影响。这与泥岩颗粒间的连接以及内部的微裂隙有关。压实作用强的岩石，由于发生失水作用和颗粒定向排列作用，颗粒结合紧密，内聚力强，导致胶结和致密程度增加，泥岩的强度增高[20]。

3.2 水

3.2.1 含水率。邹晨阳等[22]的试验样品取自江西省不同地区二叠纪至三叠纪泥岩，岩性包括泥板岩、泥页岩等，该研究测试不同含水率泥岩的单轴抗压强度，如图6所示。结果显示，随着含水率增加，泥岩的单轴抗压强度及峰值应力均呈现急剧降低的趋势。通过数据拟合，含水率与泥岩的单轴压缩强度之间近似服从指数关系;与泥岩的弹性模量之间近似服从线性关系。上官力等[21]、杨建林等[23]试验也得到相似结果。

马福荣等[24]试验泥岩试样取自南宁盆地中部，将天然状态与饱和状态下泥岩试件对比，证明试件在长期浸泡下受水作用，强度大大降低。李应涛等[25]试验表明，与自然风干的岩石相比，完全干燥的岩石强度有所增加，饱和状态的岩石强度则减低。

（a）泥板岩

（b）泥页岩

3.2.2 浸水时间。车平等[26]试验选取安徽巢湖凤凰山地区坟头组中段海相粉砂质泥岩层采石场采出的新鲜岩石，对不同浸水时间岩样进行单轴抗压强度测定。结果表明，随浸水时间增加，泥岩含水率呈递增趋势，单轴抗压强度则有明显下降，衰减趋势逐渐变缓。原岩石表面无肉眼可见的裂隙，随着浸水时间的增加，裂隙数目增加并贯通。杨晓杰等[27]也认为，单轴抗压强度和浸水时间存在一定的对应关系。

何叶[28]选取三叠系中统百逢组泥岩试样进行干湿循环处理，随后进行单轴压缩测试。测试结果表明，干湿循环对泥岩强度指标影响明显，循环一次后单轴压缩强度折减率达到了36.6%，随着循环次数的增加，各项强度指标都呈较平稳的下降趋势，折减规律基本符合指数分布。

以上结果均表明，随着含水率及浸水时间的增加，泥岩的单轴抗压强度和弹性模量明显降低。对其变化进行分析，降低程度受岩石本身物质组成、结构、构造等因素的影响。

泥岩主要由蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石等强亲水性矿物组成，遇水后矿物发生膨胀和软化现象。例如，蒙脱石易分解为斑脱土，弱化岩石固体骨架的强度;在饱和状态下，水吸附于裂隙表面，起到一定的润滑作用，降低试件的摩擦系数[17];泥岩浸水-失水过程引起黏土颗粒体积的急剧膨胀-收缩，宏观上总体积大于原干燥泥岩的体积，泥岩内部产生次生孔隙或微裂隙等损伤，破坏了泥岩内部结构，降低其结构连接[23];如果浸水过程中泥岩发育出贯通裂隙，则导致抗压强度进一步降低[26]。

此外，当水浸润泥岩的方向垂直层理面时，由于良好的隔水性，水分不易进入泥岩内部;当水浸润泥岩的方向平行层理面组时，水分易顺层理方向进入泥岩内部，导致含水率上升[29]。

综上所述，水对泥岩的单轴压缩强度、弹性模量等力学特性具有显著影响作用。黏土矿物含量、泥岩结构及构造的变化是根本原因，含水率、浸水时间等因素作用明显：含水率越高、浸水时间越长，泥岩抗压强度越低，应力-应变曲线变缓，弹性模量降低。

3.3 pH

杨振峰等[30]选用粉砂质泥岩，在不同浓度、不同pH的KCl、HN03、H2S04、自来水等溶液中浸泡，结果发现，试件单轴抗压强度均呈现不同程度的下降。试验表明，静水浸泡条件下，经水-岩化学作用后，试件中的金属离子析出，造岩矿物被溶解，试件抗压强度降低，但沉淀结晶作用对岩样的力学性质有利;水-岩作用后期，强烈的沉淀结晶作用将导致试件出现裂纹，抗压强度进一步下降。

3.4 温度

奚家米等[31]砂质泥岩试件取自甘肃省新庄煤矿副井，进行不同温度条件下的泥岩单轴压缩测试。结果表明，砂质泥岩的抗压强度随着温度的降低有增加的趋势：正温区间内，抗压强度变化幅度较小;温度降至0 oC以下时，抗压强度随着温度的降低显著提高。残余强度增加幅度呈衰减趋势，砂质泥岩弹性模量随温度的降低有增加的趋势。刘巍等[32]、刘路路等[33]均得到相似结论。

付宏渊等[18]对粉砂质泥岩进行变温循环和温、湿度共同作用测试。结果表明，单轴抗压强度和弹性模量均较初始值降低，且降幅随着变温循环次数的增加而增大，单轴压缩强度和弹性模量随变温循环次数的变化关系呈指数关系;温、湿度共同作用于粉砂质泥岩时具有增效作用，在相同条件下，温、湿度共同作用引起粉砂质泥岩单轴压缩强度和弹性模量降幅大于温、湿度单独作用时的降幅之和，且温差变化幅度越大，温、湿度共同互作用引起的粉砂质泥岩力学性能的降幅越大。经不同变水温循环的粉砂质泥岩单轴力学指标如图7所示。

以上结果表明，温度（特别是负温）是影响泥岩抗压强度的一个重要因素。仅温度变化条件下，在一定范围内，弹性模量随着温度的降低显著增长。这是由于泥岩冻结条件下，裂隙和孔隙内的水逐渐变成冰，体积膨胀，充填泥岩内部裂隙和孔隙，对裂隙壁和骨架产生挤压，提高了试件内部微裂纹的黏结作用和岩颗粒之间的胶结作用，冰、岩石颗粒之间排列更加紧密，使试件抗压强度升高;当温度变化频繁或温、湿度共同影响泥岩时，泥岩的抗压强度及弹性模量均较初始条件降低，这是由于泥岩在多因素影响下出现明显的结构损伤，使泥岩逐渐向脆性转化。

4 结论

典型泥岩应力-应变曲线可划分为裂隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段、破坏阶段四个阶段，其应力-应变曲线符合塑-弹-塑性岩石的特征。泥岩组成（成分、含量和結构）、水（含水率和浸水时间）、pH、温度等因素均对泥岩力学特性有明显影响。泥岩中矿物成分和含量对其力学特性有直接影响，石英（SiO2）等硬度较大的矿物成分及含量影响较大。压实作用可改变泥岩结构，从而改变泥岩抗压强度。水是影响泥岩力学特性发生变化的主要因素。含水率越大，浸水时间越长，泥岩抗压强度越低。泥岩中的蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物遇水后，发生膨胀作用和润滑作用，弱化了岩石固体骨架的强度，内部产生了微孔隙、微裂缝等微观损伤，降低泥岩的内聚力;水的持续作用可使岩石产生贯通裂隙，进一步降低泥岩的力学特性。

溶液pH不同，泥岩的单轴压缩强度呈现不同程度的下降。泥岩中的矿物溶解，产生沉淀，改变泥岩的内部结构。温度（特别是负温）是影响泥岩抗压强度的另一个主要因素。泥岩的抗压强度随着温度的降低有增加趋势。低温作用下，岩石中水凝结成冰，充填了内部裂隙和孔隙，加强了岩石试件内部微裂纹的黏结作用;变温循环则可使泥岩产生内部结构损伤，抗压强度下降。各因素可对泥岩产生相互影响和综合影响。泥岩中黏土矿物的成分、含量，影响含水率及浸水时间，使泥岩的力学特性发生变化;通过水-岩作用，可改变泥岩的成分、含量、结构，从而改变泥岩的力学特性。温度、含水率等可共同影响泥岩内部结构，进而影响泥岩的应力-应变曲线和弹性模量。

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