水—热环境对泥岩的力学特性影响试验研究

2021-09-14涂福豪郭庆梅樊军伟

南华大学学报（自然科学版） 2021年4期

彭成,李鑫,涂福豪,郭庆梅,樊军伟

(南华大学土木工程学院,湖南衡阳 421001)

0 引言

在我国基建发展的历程中，岩石作为天然建筑材料一直被大量用于各种工程。自然环境中的岩石受制于其自身环境的影响，承受各种物理、化学及生物风化作用。泥岩具遇水软化的特点，工程中如巷道支护、隧道开挖以及边坡等如遇泥岩环境，临空面往往容易受环境湿度影响而造成泥岩强度衰减，引起岩体变形甚至失稳破坏，因此研究含水状态对于泥岩的劣化效果、机制具有重要的指导意义。郭瑞等[1]通过单轴抗压强度试验，分析了含水量和干密度对砂质泥岩单轴抗压强度的影响；姚强岭等[2]通过岩石直剪试验，探讨了含水率对砂质泥岩直剪变形破坏规律、强度损伤及声发射特征的影响；魏晓刚[3]认为含水量与浸泡时间会增大泥岩的蠕变应变与蠕变挤压力；柳万里等[4]通过对泥岩进行天然与饱和状态下的单轴压缩试验，认为泥岩饱水后其力学特性会出现特征强度降低、脆性变形减弱、塑性变形增强的变化，并且饱水后岩石吸能与释能性质减弱、耗能性质增强；冯西洲[5]通过对泥岩进行饱水试验，提出浸水会促使泥岩内部微裂隙产生扩张，随浸水时间的增加甚至会使其部分微裂隙贯通，泥岩单轴抗压强度与弹性模量也随浸水时间增加呈指数形式降低；杨秀荣等[6]通过试验与数值模拟结合的方式，揭示了软岩含水率增大时其初始蠕变值与稳态蠕变值均有所增大。

近年来，大型低温液化天然气(liquefied natural gas，LNG)地下储存已成为未来发展方向，LNG是通过将天然气降温至约-163 ℃来实现天然气液化以大幅降低其体积以便于储存，因此储存地区部分围岩将长期处于低温环境中，受影响的岩石必然产生力学性质上的变化。迄今为止，国内外已有诸多学者对岩石在低温下的力学性质变化问题进行了深入研究，Y.J.Song等[7]对红砂岩样品进行了多级装卸单轴蠕变试验，获得了不同温度下的蠕变曲线(20 ℃～-20 ℃)，结果表明温度降低会降低所有应力水平下岩石的瞬时变形和蠕变变形，同时还会成指数地减弱了岩石的总蠕变和粘塑性应变；L.Jiang等[8]通过单轴试验，提出低温能使砂岩的纵波波速、弹性模量、抗压强度与致密性显著增加，并且结合细观损伤本构模型模拟了岩体的损伤演化；杨阳等[9]用SHPB(split Hopkinson pressure bar)试验和分形方法研究饱水冻结红砂岩的动态力学性能，结果表明负温会显著影响红砂岩的动态力学性能和分形特性；种玉配等[10]对不同温度(20 ℃～-20 ℃)的饱水粗粒砂岩进行了单轴压缩试验，结果表明饱水粗粒砂岩的弹性模量和单轴抗压强度随温度降低而增大，泊松比则随之减小；杨更社等[11]通过对白垩系饱和砂岩在不同温度(20 ℃～-20 ℃)与不同围压(0、2、4和6 MPa)条件下进行三轴压缩试验，认为负温冻结与围压能显著增强饱和砂岩的强度与内摩擦角；魏尧等[12]对饱水砂岩在-10 ℃条件不同围压下进行了蠕变实验，结果表明低温会促进饱水砂岩蠕变过程的发展，围压能降低其稳态蠕变速率；宋勇军[13]通过单轴蠕变实验，证明低温能显著降低饱水砂岩的瞬时应变与蠕变应变，增加其蠕变时间、强度及弹性模量。

但是，在低温环境下，不同含水条件泥岩的单轴抗压强度还未见研究成果。基于此，本文将以温度与含水率为本征变量，进行泥岩单轴压缩试验，研究低温对不同含水条件泥岩的强度与弹性模量的影响及变化规律，为地下LNG储库的工程建设提出合理的力学参数。

1 泥岩含水率与低温单轴试验设计

本次实验主要目的是为研究泥岩在含水率和低温影响下力学性质的变化规律，试验设计流程如图1所示。

图1 试验设计流程图Fig.1 Flowchart of experimental design

1.1 试样制备

试验样本取自四川省宜宾市某处，为土黄色粉砂质泥岩，现场取得无明显裂纹大岩块后制成直径50 mm高100 mm圆柱体。对加工后的试样进行筛选，首先剔除表面可见明显裂纹的个别岩样；再用游标卡尺测其高径，直径测量方法为分三次测岩样上部、中部、底部直径后取平均值，岩样高度同样取其三处不同纵向切面高度平均值，剔除其中差异较大岩样；最后用精度为0.1 g的电子天平测定岩样质量，剔除质量差异较大者。最后选取岩样直径为48.5～49.1 mm，高度为99.8～100.6 mm，质量为366.2～384.8 g，孔隙度为26.3%～28.8%。

1.2 试验方法

取3个岩样为一组，因考虑泥岩受不同含水条件的影响，对4组岩样进行烘干制造干燥泥岩试样，另取4组采用自由浸水法制作饱和样本，具体操作为：称得天然状态试件质量后，将岩样置于水槽中，每隔2 h依次注水使水面高度达到岩样高度的1/4、1/2、3/4，后注水完全浸没使岩样自由吸水48 h，取出试件并沾去表面水分并称得其质量。烘干试验即将试件置于烘箱中在105～110 ℃温度下24 h，取出待其冷却后称取其质量。后计算得到其饱和状态含水率为16.477%，天然状态下含水率为14.266%。将4组岩样分别记为T1、T2、T3、T4，如表1所示依次对应养护温度为10 ℃、-20 ℃、-35 ℃、-50 ℃四种养护环境。将T1组密封后置于10℃环境养护72 h，T2组置于FDS-500型微机全自动砼慢速冻融试验设备中以-20 ℃冷冻72 h，T3、T4组置于FORMA超低温冰箱以-35 ℃与-50 ℃的环境冷冻72 h。

表1 岩样分组Table 1 Sample group

单轴压缩试验用微机控制电液伺服万能试验机WAW-EY600C进行，加载方式为位移控制，加载速率为0.5 mm/min。测得其单轴抗压强度与弹性模量，因岩样的个体差异会导致单轴压缩试验结果出现一定离散性。去掉每组岩样中试验所得数据差异较大者后取其平均值为其单轴抗压强度与弹性模量，再通过统计和拟合，分析泥岩在含水率及低温影响下力学性质的变化规律。

2 试验现象及结果分析

2.1 泥岩的单轴压缩破坏模式

由于岩样的含水率与温度控制不同，低温下孔隙水冻结成冰，T2饱和与天然状态的岩样侧面出现少量白霜，T3与T4组岩样侧面被白霜完全覆盖。

干燥岩样在不同温度下的单轴压缩破坏模式主要为劈裂破坏，少量出现剪切破坏，如图2(a)、2(b)所示，其断面触摸时颗粒感明显且较粗糙，可见其破坏时摩擦力较大。

T1组天然与饱水状态岩样破坏形式以顶锥破坏、剪切破坏为主，破坏断面触感较细腻，有滑动痕迹，可见其摩擦力较小。

T2组含水岩样破坏形式与T1组基本一致，由于机械能向应变能转化时产生热损耗，致其表面白霜融化，如图2(c)、2(d)所示。

T3、T4组含水岩样在单轴压缩时端部效应明显，可见两端表面冰霜融化，中部及中部靠近两端处白霜无变化，如图2(e)所示。其中部仅有微小变形发生，应变集中在两端，此时单轴压缩破坏模式多为端部剪切破坏，如图2(f)所示。经低温冻结后的含水泥岩破坏断面较粗糙，触摸时有一定颗粒感，可见其摩擦力应介于常温时干燥泥岩与含水泥岩之间。

图2 泥岩破坏模式Fig.2 Failure mode of mudstone

2.2 温度与含水率影响下泥岩强度变化

粉砂质泥岩在四种不同温度下，饱和时单轴抗压强度最低，天然状态次之，干燥时最高，遇水软化效应明显。软化程度用软化系数KR来表示，为含水状态下泥岩抗压强度σω与干燥状态下泥岩单轴抗压σs强度之比，即KR=σω/σS。取不同温度下的泥岩单轴抗压强度平均值对其软化系数进行计算，结果列于表1，可见低温对泥岩的遇水软化效应有明显的抑制作用。

表2 泥岩不同温度下的软化系数Table 2 Softening coefficient of mudstone at different temperature

单轴抗压强度的试验曲线如图3所示，可以发现含水率对泥岩的软化效果随含水率的增加而变强。通过对不同含水条件下的泥岩单轴抗压强度进行拟合，可以发现该试验曲线的变化近似于指数变化。

图3 含水率与抗压强度变化曲线Fig.3 Curve of water content and compressive strength

通过试验现象对比可发现，T1与T2组泥岩破坏形式接近，T3与T4组破坏形式接近，故采用关系式Y=Y0+Aexp(x/t)将四种温度下的泥岩分两组在不同含水率下的抗压强度进行拟合，建立粉砂质泥岩的抗压强度与含水率的关系式，即式(1)和式(2)。

10 ℃与-20 ℃时：

Y=Y0-2.017exp(ω/0.095)-2.017

(1)

-35 ℃与-50 ℃时：

Y=Y0-1.308exp(ω/0.078)-1.308

(2)

式中Y0为当前温度干燥状态下泥岩的单轴抗压强度，ω为其含水率。

由图3可以看出，拟合曲线与试验曲线较吻合，即粉砂质泥岩的抗压强度与含水率的变化基本符合指数变化规律：随着含水率的增加，粉砂质泥岩的抗压强度逐渐降低。式中Y0值为干燥时试样的抗压强度，故而可将后面项视为孔隙水引起的附加强度，拟合关系式为泥岩抗压强度的含水率修正式。

图4为不同含水率下温度对粉砂质泥岩单轴抗压强度的影响试验曲线，该试验曲线变化规律同样近似于指数变化，采用关系式Y=Y0+Aexp((x-x0)/t)对三种不同含水率的泥岩在不同温度下的抗压强度曲线进行拟合，建立粉砂质泥岩的抗压强度与温度的关系式，即式(3)～式(6)。

图4 温度与抗压强度变化曲线Fig.4 Curve of temperature and compressive strength

饱和状态(含水率为16.477%)时：

Y=5.484+5.931exp(-(T+50)/19.723)

(3)

天然状态(含水率为14.266%)时：

Y=8.026+6.084exp(-(T+50)/19.499)

(4)

干燥状态时：

Y=14.793+6.243exp(-(T+50)/19.567)

(5)

式中Y0接近10 ℃时试样的抗压强度，三种状态下A与t值接近，整合后重新拟合为：

Y=Y0+5.984exp(-(T+50)/19.513)-0.303

(6)

式中Y0为10 ℃时试样的抗压强度。

由图4可以看出，拟合曲线与试验曲线基本吻合，即粉砂质泥岩的抗压强度与温度的变化规律基本符合指数变化规律：抗压强度随着温度的降低而增加。式中Y0为10 ℃时试样的抗压强度，故而可将后面项视为低温引起的附加强度，拟合关系式为泥岩抗压强度的温度修正式。

2.3 温度与含水率影响下泥岩弹性模量变化

泥岩弹性模量的试验曲线如图5、图6所示，泥岩弹性模量随着含水率的升高而降低，其变化速率亦随含水率升高而增加。同时弹性模量随温度降低而增加，在干燥时其变化规律基本为线性，在天然与饱和状态时，弹性模量在10 ℃～-20 ℃范围内变化速率较小，-20 ℃～-50 ℃范围内变化速率显著增大。

图5 含水率与弹性模量变化曲线Fig.5 Curve of water content and modulus of elasticity

图6 温度与弹性模量变化曲线Fig.6 Curve of temperature and modulus of elasticity

3 含水率与温度对泥岩力学性质影响的机理

3.1 泥岩力学性质变化的矿物成分机理

泥岩的泥级质点含量往往超过50%，普遍具有泥状结构。高岭石、蒙脱石等粒径小于0.002mm的粘粒表面具有游离价原子和离子，其静电引力可在粘粒表面形成静电引力场[14]。属于偶极体的水分子会被粘粒表面的静电引力所吸引从而附着在粘粒表面，且排列整齐而紧密，静电引力场的吸附力随着水分子与粘粒间的距离缩短而增强，水分子的自由活动能力逐渐减弱，根据其自由活动能力的强弱将其划分为强结合水(无法自由活动)、弱结合水与自由液态水。强结合水与弱结合水共同组成水化膜(图7)，其力学性质介于液体与固体之间。粘粒表面积较大，因此静电引力场对结合水的吸附作用极为明显，使得粘粒表面形成较厚的水化膜吸附层。当相邻粘粒间距较小时，各自形成的静电引力场出现交集，重叠形成公共水化膜。当各自水化膜加厚时，公共水化膜变小，水胶连接力亦随之变小，泥岩膨胀产生塑性变形，强度降低；各自水化膜变薄时，公共水化膜变厚，水胶连接得到增强，泥岩变得更加坚硬。

图7 水化膜示意图Fig.7 Schematic diagram of hydration film

试验表明，温度与含水率对泥岩的单轴抗压强度与弹性模量均有较大影响。泥岩吸水后体积发生膨胀，其间粘粒各自形成的水化膜加厚，公共强结合水化膜消失，同时水压力会在其内部孔隙及微裂端部产生应力集中效应，增大孔隙及裂纹的体积，降低岩体的粘聚力与内摩擦系数，故而强度降低。

当泥岩处于低温环境下时，产生温度应变致使体积变小，粘粒间距变小，且因为负温的影响，水中能量大量散失，水分子的自由活动能力减弱。此时粘粒间强结合水增多，自由液态水减少，各自水化膜变薄，公共水化膜加厚，水胶连接能力变强。同时孔隙水由液态转变为固态冰，产生冻粘现象，进一步增强粘粒之间的连接能力，岩体粘聚力与内摩擦系数增加，泥岩整体强度提高。

3.2 破坏模式产生机理

泥岩的变形与破坏模式通常与其自身的微裂隙、粘粒间的空穴有密切联系[15]，在应力不断增加时，空穴连通、裂纹扩张合并直至形成宏观裂纹，最后完全贯通形成破坏面。干燥时泥岩剪切向裂纹的发展受到较大摩擦力的限制而不易扩张，张性裂纹更容易扩张贯通，此时破坏面基本平行于σ1压应力方向，破坏形式即为劈裂破坏，属于张性破坏；随着含水率增大时，泥岩的内摩擦系数减小，剪性裂纹受到摩擦力减小，更容易发展形成宏观裂纹直至贯通为破坏面，因此破坏模式主要为剪切破坏与顶锥破坏；在负温的影响下泥岩粘聚力与内摩擦系数均呈增大趋势，整体强度提高，但由于端部效应，岩样端部受力变形后释放应变能，端部产生一定的热损耗，使得该部位冰霜融化，温度上升，负温状态受到抑制，受负温影响而增大的内摩擦系数随温度升高而发生回弹，造成整体岩性不均匀，端部较中部软弱的现象，进而在端部产生剪性破坏面。