温度与含水率对砂岩动静态力学特性影响研究

2022-11-28陈佩圆葛进进卢龙刚顾柯柯

工程爆破 2022年5期

姚威，陈佩圆，葛进进，卢龙刚，顾柯柯，徐颖,2

(1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001)

正在规划建设的川藏铁路对我国的长治久安和西藏经济社会发展具有重大而深远的战略意义。然而，川藏铁路沿线地质环境复杂，不良地质极为发育，分布有大面积的季节性冻土，边坡失稳对铁路路堑设计、施工以及安全运营均产生不利影响[1]。为满足特殊环境条件下基础建设的需要，对冻结岩石的问题研究显得越发有必要。因此，高原冻岩开挖问题已成为一大关键、迫切且必须解决的课题。

有关低温岩石的力学特性，国内外已经有不少的探索，杨更社等[2]研究了三向受力情况下冻结岩石力学特性，得出了随着温度降低岩石出现弱、脆性增强的结论。A. B. Hawkins等[3]研究了砂岩不同含水率与岩石强度的关系，得出了近80%的强度损失发生在含水率较低的状态下。刘波等[4]研究了不同初始含水率冻结砂岩的强度特性，得出了含水砂岩试样的单轴抗压强度随冻结温度的降低而线性增长的结论。张二锋等[5]通过对泥质粉砂岩进行三轴压缩得到了弹性模量受含水率的影响较大，从干燥到强制饱和状态峰值强度减少超过75%，从干燥状态到2%含水状态弹性模量减少超过49%，且含水率与岩样的峰值强度呈现一定的线性函数关系，与弹性模量呈现一定的指数函数关系且随着围压增大这种指数关系也就越明显；奚家米等[6]研究了冻融过程对白垩系常见岩层物理力学特性的影响，提出了冻融作用下岩石产生新的裂纹(损伤)，从而导致岩石单轴抗压强度和弹性模量降低、饱和吸水率增加; 相同冻结温度下，岩石含水率大小是冻融损伤程度的关键因素。

诸多研究结果表明，含水率对低温环境下砂岩力学特性影响很大，但是针对不同温度与不同含水率耦合作用下的砂岩试件力学特性研究较少，遂本文以川藏铁路建设工程为背景，对多个温度条件下具有不同含水率的灰砂岩进行单轴压缩和动态冲击试验，以及破裂断面扫描，探讨温度和含水率对砂岩试件单轴抗压强度、动态冲击强度、能量演化特征、断裂破坏形态的影响[7-36]。

1 试验

1.1 试件制备

本文选取均匀性较好的大块灰砂岩，利用直径50 mm取芯机、切割机、打磨机分别加工成Φ50×100 mm和Φ50×25 mm的标准试块(符合国际岩石力学学会规定的2.0～2.5比例要求)两端面不平整度小于0.02 mm。将加工好的试样放入烘箱以105 ℃的热风吹，每隔12 h拿出后称其质量，吹48 h后变化小于0.1%则认为试块已完全干燥，得到干燥状态试块；将试块放进抽气机抽气1 h，然后往抽气机内加入纯净水，继续抽气直至无气泡溢出，打开气阀，静置48 h，用高精度电子秤(0.01 g)称得其质量变动小于0.1%，则认为试块已经饱和，得到饱水试块，并将其用保鲜膜包裹好。将饱水试块取出静置，每隔一段时间测量其重量，直至含水率降至20%(不同低温的含水试块制作方法相同)，试样的低温控制由低温冰箱(温度可调控)实现。

试验岩样的物理参数平均值如表1所示。

表1 岩石物理参数

1.2 试验方案

1)静态压缩试验。根据高原地区气候条件，并结合实际实验条件，将试块温度区间设定为常温(20 ℃)、-20 ℃和-30 ℃。当前关于岩石含水率的研究主要集中在其干燥、饱水2个状态，因此将试验含水率设定为：干燥状态、20%含水率、饱水。试验设计为9组，每组3个平行试块。砂岩试件和试验过程分别如图1、图2所示。

图1 试件Fig.1 Test-piece图2 试验过程Fig.2 Test process

利用本校国家重点实验室的电液伺服单轴压力试验机(最大试验力可达1 000 kN)对处理完的试件进行单轴抗压试验，试验以位移控制的方式进行，加载速率为0.5 mm/min。试验过程中，当峰后应力下降到峰值应力的50%时，停止加压。

2)动态冲击试验。为了进一步探究低温下含水率对砂岩的动态力学特性影响，利用霍普金森杆对加工而成的Φ50×25 mm标准试件进行冲击试验。在试验开始前，为了寻找合适的气压，对试件进行了试冲。试冲发现冻结岩石的强度相对较高，因此，将试验气压定为0.6 MPa。在试验的过程当中，将砂岩试件放在入射杆与透射杆之间，使得三者在同一水平线上，以保证应力波在传播过程中不会发生散射，并且在试件两端涂抹凡士林，以保证试件与压杆紧密接触。动态冲击试件如图3所示。

图3 动态冲击试件

根据SHPB测试的基本原理，使用三波法对试件数据进行处理，其中应力、应变和应变率计算如下：

(1)

(2)

(3)

2 试验结果

2.1 单轴抗压、动态冲击强度

对试验数据进行整理，得到多种温度环境下不同含水率砂岩试件单轴抗压和动态冲击强度如表2所示。

表2 抗压/冲击试验结果

由表2可以看出，相同的试块强度差异不大，可认为实验数据可靠。为分析多种含水率下，不同温度对岩石试件静态抗压和动态冲击强度影响的变化规律，将得到的试验数据取平均值绘成柱状图(见图4)。

图4 单轴抗压、动态冲击强度变化

根据DYKE C G等研究[7]，常温(20 ℃)下随着含水率的增大，试件的抗压强度值逐渐降低。导致其强度降低的主要原因是岩石含水至饱水的过程中，岩石裂隙扩张延伸和裂隙内部压力增大。由此生成的孔隙水压力，降低了岩体强度；而在-20 ℃和-30 ℃温度环境下，试件的单轴抗压强度随着含水率的增大而呈现先增大后减小的规律。杨更社等[2]的研究表明，对岩石影响比较大的主要是液态水和固态水，固态水主要是岩石在低温下由液态相变而来，在其相变过程中体积膨胀, 产生冻胀力，对岩石原来的结构产生一定的影响。因为试件内的孔隙水随着温度的降低逐渐变成冰块，填充了试件内部的空隙，增大了试件承载能力，从而试件的抗压强度随着温度的降低逐渐升高。但是随着含水率到达饱水状态时，内部孔隙水的体积与裂隙体积接近，水冻成冰后体积变大，在试块内部产生了巨大的冻胀力，当冻胀力大过岩体本身的抗拉强度时，岩体内产生了更多的裂缝，反而降低了试块的强度。显然，随着温度的降低，干燥状态下的试件强度在逐步提升，这是由于随着温度的降低，使得岩石内部的颗粒体积产生收缩，结构更加密实，从而增加了一些抗压强度；在-20 ℃和-30 ℃温度环境下，20%含水率的试块平均强度为最高，其次为干燥状态试块平均强度，饱水状态下的试件强度最低，证明了一定量的裂隙水和孔隙水在低温下可以提高试块的强度，而低温下试块吸满足量的水之后，反而降低了试块的强度。

由图4可知，在20 ℃的情况下，随着含水率的增加，试件的抗冲击强度逐渐减小，而在-20 ℃和-30 ℃的情况下，试件的抗冲击强度随着含水率的增加呈现先增加后下降的现象。这一现象正与试件的静态抗压强度规律相同，进一步验证了上文中结论的可靠性。

2.2 动态强度增长因子

为了对比不同应变率条件下动态强度相对于静态强度的增长幅度，将动态强度与静态强度的比值定义为动态强度增长因子DIF[8],即

(4)

式中：σfs为岩石试件的准静态抗压强度，MPa；σf为岩石试件的动态抗压强度。动态强度增长因子统计如表3所示。

表3 动态强度增长因子

由表3可知，当含水率不变时，干燥状态下，试件的动态强度增长因子会随着温度的降低呈现先增长后下降的趋势，而在20%含水率和饱水状态下，试件的动态增长因子会随着温度的降低而变大；当温度不变时，20 ℃和-20 ℃情况下的动态增加因子会随着含水率的增加而降低，而在-30 ℃的情况下，则会呈现先增长后下降的趋势。

2.3 应力-应变

灰砂岩试块在不同低温，不同含水率下的单轴抗压和动态冲击应力-应变分别如图5、图6所示。

图5 不同温度下砂岩试件应力-应变

图6 不同温度下砂岩动态冲击应力应变

由图5和图6可以看出，在20 ℃的情况下，随着含水率的逐步增加，试件的峰值抗压强度和动态冲击强度均在慢慢变低；即干燥状态下的试件峰值强度最高，20%含水率次之，饱水状态下最低。但是在-20 ℃和-30 ℃的情况下，试件的峰值强度会随着含水率的增加出现先增长后下降的趋势，20%含水率下的试件峰值抗压强度最高，干燥状态下次之，饱水状态下最低。

从图5和图6可知，在含水率相同的情况下，随着温度的降低，试件的峰值均强度会逐渐增加。同时，静态压缩试件破坏时的峰值应变随着温度的降低逐渐减小，由应力公式σ=Eε计算可知，试件的弹性模量会随着温度的降低变大；而动态冲击破坏时试件的峰值应变率，20 ℃情况下最小，-20 ℃时最大。

从2组试验整体对比来看，随着冻结温度的降低，达到零下后，岩石的峰值应变在不断的减小，弹性模量在逐渐增大。由此建立不同含水率试件在低温下的静态压缩应力-应变模型(见图7)。

图7 应力-应变模型

从图7可以看出，不同温度、含水率下砂岩试件其单轴压缩破坏可分为5个阶段，即OA、AB、BC、CD、DE；而动态冲击破坏相比静态压缩减少了DE段，即OA、AB、BC、CD。 OA压密阶段，试件内的空隙和颗粒逐渐被压密，并相互摩擦错动，张开的结构面慢慢闭合；AB弹性增长段，基体的硬化应变机制迅速发挥主要作用，这个阶段的试块继续被压密，试件进入弹性阶段；BC裂缝稳定扩展段，试块开始产生裂隙，试块开始被破坏，试件吸收能量以塑性应变能、裂纹表面能和孔隙贯通能及其他形式的能量耗散释放；CD破坏阶段，峰值应力过后，由于变形过大，众多微裂缝、孔隙汇聚成宏观裂缝；DE是试块破坏后阶段，当试件受准静态荷载压缩时，试件内的残余能量释放，试件完全破坏。

3 讨论

3.1 单轴压缩荷载下冻结岩石能量演化特征

根据热力学第一定律，假设单轴压缩试验过程中与外界没有热交换，即外力所做功可认为全部被用来破坏岩石，单位体积内的应力功及能量计算公式为

U=Ud+Ue

(5)

式中:U为试验机对单位体积做功输入的总能量(单位体积吸收总能量)；Ue为单位体积内储存的可释放弹性应变能，这部分能量形成于岩体单元发生弹性应变阶段；Ud为加载过程中单位体积内所耗散的能量，用于形成岩体单元内部损伤和塑形变形。岩体单元i的应力-应变如图8所示。

图8 岩体单元中能量耗散和可释放应变能的量值关系

试验过程中，入射波、反射波和透射波具有的能量分别为WI、WR、WT，以及吸收的能量WA可由以下计算公式进行计算[9]:

(6)

(7)

(8)

WA=WI-WR-WT

(9)

根据应力功及能量计算公式，得到试件在不同低温、含水率条件下的能量演化曲线如图9年示。

图9 不同温度下砂岩试件能量演化

由图9a可知，20 ℃情况下，干燥状态下的岩石破坏吸收的能量最多，饱水状态下最少，呈现出随着含水率的增加，岩石破坏所吸收的能量总量减小[9]。这是因为水对岩体内部有着侵蚀损伤的作用，使得岩体的内聚力不断减小，从而降低了岩体的凝聚力；而随着含水量的增加，这种损伤作用在不断扩大，最终导致岩体破坏所吸收的能量越来越小。图9b和图9c显示-20 ℃和-30 ℃情况下，20%含水率的状态下试件破坏吸收的能量值最多，饱水状态下破坏吸收能量值最小。-20 ℃情况下，20%含水率的试件由于内部孔隙水变成冰块适当的填充了其内部的孔隙，使得试件内部更加紧密、贴合，由此在破坏过程中增加了破坏冰块时冰块吸收的能量；而在饱水情况下，由于冰块膨胀体积大于试件内部的孔隙，发生了冻胀反应，在未压缩前已经使得岩石内部发生了部分破坏和损伤，最终降低了压缩破坏过程中岩石所吸收能量的最大值。-30 ℃情况下，由于温度的进一步降低，试件内部分没有变成冰块的孔隙水进一步变成冰块，较-20 ℃情况相比，整体增大了吸收能量的总值。

3.2 宏-细观破裂特征

3.2.1 宏观破裂形状

对于不同低温、不同含水率的试块，其破坏形式也不太一样，在单向轴力的作用下，试块的破裂模式可分为：拉张型破裂、剪切型破裂和滑移型破裂；破裂形式可大致分为：轴向近乎平行的劈裂破坏、单面剪切破坏、呈X型共轭剪切破坏、岩石侧面的压断破坏。本文挑选几个具体代表性的破坏形态试件，利用橡皮筋对单轴压缩试验后砂岩试件进行简单约束，以便观察和分析其破裂形貌(见图10)。

图10 宏观破裂形状

干燥状态试块在压缩过程中，首先出现的单向剪切裂缝，随后表面开始剥落，随着加载力的增大，岩石一侧发生了小范围的整体剥落；另一侧从岩石顶端出现一条裂缝，随着载荷的变大，裂缝自上向下发展，最终贯穿整个试块。这是因为轴向压力的不断变大，岩石内部产生的横向拉应力逐渐变大，最终超过了极限抗压强度，从而产生了自上而下的贯穿裂缝。由20%含水率状态下的试块破坏后整体形态(见图10b和图10c)可知，由于含水率的增加，冰块冻结后适当地填充了试块内部的缝隙，增加了与试块间的胶结力，从而使得试块破坏后能大致保持原本的形貌。由饱水试块破坏后形态(见图10d)可知，随着含水率的进一步增加，低温下状态下试块内部发生了冻胀反应，压缩过程中使得破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，试件整体呈X型共轭剪切破坏。

3.2.2 微观断口形貌特征

岩石的宏观裂缝是由微观裂缝和孔隙不断扩展，最终汇聚在一起。由此可以将宏观裂缝和微观裂缝结合起来，根据其宏观破裂模式的不同，观察其微观形貌特征变化。对单轴压缩破坏的试件进行取样，借助SEM电镜扫描设备，可得到微观下的断口形貌(见图11)。

图11 微观破裂形貌

灰砂岩是由各种砂粒胶结而成的沉积岩，颗粒直径在0.05～2 mm，其中砂粒含量要大于50%，结构稳定，主要含硅、钙、黏土和氧化铁[10]。选取试件编号为D1、E1、F1破坏后的试件碎片为扫描样品进行扫描分析：

1)滑移破裂。干燥状态下的试件，在低温环境里由于内部节理裂隙比较发育，在抗压缩过程中岩石面和主应力之间的夹角在一定范围内时，在压应力的作用下，首先会在岩层内节理较为发育的薄弱地段发生滑移破裂(见图11A)。由于层理附近的孔隙较为发育，所以在层理裂隙的附近又会经常发生岩体的剪切破坏(见图11B)。

2)剪切型破裂。20%含水率的试件在低温环境下，由于水变成冰块所提高的一些强度，同时适当的增强了冰块与试件间的胶结力，使得试件较多的发生剪切破坏。加之岩体的层理发育较差，内部结构复杂，里面存在的一些微台阶(见图11C)以及颗粒破碎(见图11D)同样为裂纹的扩展和发育创造了条件。由此在微台阶附近一般会出现由拉伸引起的剪切型破坏。

3)张性破裂。饱水状态下的试件，在低温环境里，当水变成冰块时的体积膨胀产生的冻胀拉力超过试件本身抗拉强度时，沿着平行受力方向产生破坏裂缝，最终形成张性裂缝(见图11E)，由于岩体中天然微裂隙较为发育，众多细小的微裂缝在受力后，相互作用合并，最后汇聚成一条可见的主裂缝(见图11F)。

3.3 破碎机理分析

申艳军等[11]认为，导致岩体损伤破碎的主要因素是内部水分的冻胀融缩作用。温度降低时，试件内部孔隙水逐渐变成冰，而水结成冰块时会产生9%的体积膨胀，当内部孔隙达到一定的饱和度，形成了密闭空间的时候，体积膨胀所带来的膨胀力就会对岩体发生损伤。损伤后的岩体多次的冻融效应又加剧了岩体的损伤，破碎后的岩体又再次为冻胀力的发展创造了良好的条件，由此的恶性循环使得岩体的稳定性越来越差。

水冰相变是导致低温含水岩石膨胀损伤的主要原因，将试件内的大孔隙假设成一个圆，试件内的多数孔隙水存储于内，当温度逐渐降低时，岩体由外向内扩散冷气，导致大孔隙周围的节理裂隙存储的水开始结成冰块，同时有部分水开始向中间的大孔隙汇聚。随着温度的进一步下降，裂隙间的水分完全变成冰块后，大孔隙内的水也相继开始冻结，当大孔隙内冻结膨胀的冰块体积超过大孔隙本身的体积时，冰块与岩体之间便会挤压，产生一定的拉力，当由于冻胀产生的拉力超过岩体自身的承受能力时，试件发生损伤破坏。冻胀理论模型如图12所示。