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(山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

粒度對紅砂巖力學(xué)性質(zhì)影響規(guī)律與機(jī)制試驗(yàn)研究

陳紹杰，郭宇航，黃萬朋，尹大偉

(山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590)

為研究顆粒粒度對巖石力學(xué)特性的影響規(guī)律，對不同粒度紅砂巖進(jìn)行了單軸壓縮與巴西劈裂拉伸試驗(yàn)。研究表明：紅砂巖試驗(yàn)試件密度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和單軸抗拉強(qiáng)度最大離散系數(shù)分別為0.74%、6.65%、1.12%、9.64%，試驗(yàn)所用紅砂巖試件均質(zhì)性良好；當(dāng)砂巖顆粒粒度較大時(shí)，砂巖單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等都呈現(xiàn)偏低特征，細(xì)粒紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、單軸抗拉強(qiáng)度分別是粗粒紅砂巖1.28倍、1.19倍、1.62倍。顆粒作為砂巖最基本構(gòu)成單位，其大小差異導(dǎo)致砂巖內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的改變，造成其礦物成分、微細(xì)觀組構(gòu)特征呈現(xiàn)差異性，進(jìn)而影響其宏觀物理性質(zhì)，最終決定不同粒度紅砂巖石具有相異力學(xué)特性。

粒度；紅砂巖；力學(xué)特性；影響規(guī)律；影響機(jī)制；試驗(yàn)

Abstract: In order to study the influence regularity and mechanism of particle size on the mechanical properties of rock, uniaxial compression tests and Brazil splitting tests were carried out on red sandstone with different particle sizes. The results show that the red sandstone specimens have good homogeneity, with the maximum dispersion coefficient of the density, uniaxial compressive strength; elastic modulus and uniaxial tensile strength being 0.75%, 6.66%, 0.78% and 9.64% respectively. The uniaxial compressive strength, elastic modulus and uniaxial tensile strength decrease with the increase of particle size. The uniaxial compressive strength, elastic modulus and uniaxial tensile strength of fine-grained red sandstone are 1.28 times, 1.19 times, and 1.62 times of that of coarse grained red sandstone respectively. As the most basic unit of sandstone, particles have different sizes which give rise to the variety of sandstone internal spatial structure and the differences of mineral composition and micro structure characteristics, further affecting the macroscopic physical and mechanical properties and ultimately determining the different mechanical properties of red sandstone with different particle sizes.

Keywords: particle size; red sandstone; mechanical properties; influence regularity; influence mechanism; experiment

巖石是一種由礦物顆粒膠結(jié)而成的各向異性集合體[1]，礦物顆粒性質(zhì)會影響巖石內(nèi)部微細(xì)觀組份結(jié)構(gòu)，從而造成巖石力學(xué)性質(zhì)的差異。對于同種巖性巖石，其顆粒與膠結(jié)物的礦物成分基本一致，力學(xué)性質(zhì)差異主要是由于顆粒粒度和微細(xì)觀結(jié)構(gòu)造成的。

國內(nèi)外對影響巖石力學(xué)性質(zhì)的諸多因素開展了大量研究，顆?；拘再|(zhì)與宏觀巖石力學(xué)特性密切相關(guān)，而巖石顆粒粒度是影響其強(qiáng)度、變形以及破壞等力學(xué)行為的重要基礎(chǔ)因素之一。不同顆粒粒度巖石內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)與礦物組分具有較大差異，造成不同的巖石力學(xué)性質(zhì)，因此粒度對巖石力學(xué)特性的力學(xué)試驗(yàn)規(guī)律及內(nèi)在機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。鑒于此，本文以均質(zhì)性較好的不同粒度紅砂巖為研究對象，在島津AG-X250電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了單軸壓縮和巴西劈裂試驗(yàn)，研究了粒度對紅砂巖力學(xué)性質(zhì)影響規(guī)律與內(nèi)在機(jī)制，對認(rèn)識顆粒粒度對巖石力學(xué)特性的影響特征具有重要意義。

1 不同粒度紅砂巖力學(xué)特性試驗(yàn)

1.1 試件制備

試驗(yàn)選用均質(zhì)性較好的紅砂巖，取自山東省臨沂市莒南縣地下50～60 m。巖塊呈褐紅色，質(zhì)地均勻，同粒度巖塊色澤統(tǒng)一。如圖1所示，光學(xué)顯微鏡下，試驗(yàn)中細(xì)粒度紅砂巖粒徑為0.005～0.07 mm，粗粒度粒徑0.07～0.3 mm，分別稱之為細(xì)粒紅砂巖和粗粒紅砂巖。

圖1 兩類紅砂巖粒度

紅砂巖巖塊加工成50 mm×100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件與50 mm×25 mm的圓盤試件，并使試件端面平面度公差小于0.05 mm，斷面不平整度小于0.002 mm[13]。加工獲得部分試件如圖2所示，圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件分為A～F六組，其中A、E兩組為細(xì)粒紅砂巖試件，B、C、D、F為粗粒紅砂巖試件；巴西圓盤試件分為TA～TF六組，其中TA、TE兩組為細(xì)粒紅砂巖試件，TB、TC、TD、TF為粗粒紅砂巖試件。

圖2 紅砂巖試件

1.2 試驗(yàn)方案

采用MP1002電子天平對紅砂巖試件進(jìn)行質(zhì)量測量，設(shè)備測量范圍10 mg～1 000 g。采用光學(xué)數(shù)碼顯微鏡DVM2500觀測并統(tǒng)計(jì)紅砂巖粒度。采用島津AG-X250電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)及巴西劈裂試驗(yàn)，加載方式均采用位移控制加載，加載速率設(shè)定為0.01 mm/s。巴西劈裂試驗(yàn)每組六個(gè)試件，單軸壓縮試驗(yàn)每組三個(gè)試件。

為考查紅砂巖試件的均質(zhì)性，準(zhǔn)確獲得不同粒度紅砂巖力學(xué)特性，首先進(jìn)行粗粒、細(xì)粒紅砂巖離散性分析，具體方案如下：測量試件的直徑、高度、質(zhì)量等基本物理參數(shù)后計(jì)算試件密度值，進(jìn)行密度離散性分析；采用單軸壓縮試驗(yàn)與巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度等力學(xué)特征的離散性分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 離散性分析

根據(jù)密度值與單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果。采用公式(1)分別計(jì)算每組試件密度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和單軸抗拉強(qiáng)度離散系數(shù)，分析其離散性。計(jì)算結(jié)果見表1。

(1)

由表1可知，每組試件密度離散系數(shù)最大0.74%，單軸抗壓強(qiáng)度離散系數(shù)最大6.66%，彈性模量離散系數(shù)最大1.12%，單軸抗拉強(qiáng)度離散系數(shù)最大9.64%。各組試件密度值、彈性模量、峰值強(qiáng)度離散系數(shù)均在低范圍內(nèi)波動，說明所選用紅砂巖均質(zhì)性較好，離散性小，可用以研究不同粒度條件下紅砂巖力學(xué)特性，正確反應(yīng)粒度對紅砂巖巖石力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

表1 離散系數(shù)表

2.2 巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 巴西劈裂抗拉強(qiáng)度特征

巴西劈裂試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)見表2，細(xì)粒紅砂巖抗拉強(qiáng)度介于5.05～8.28 MPa之間，其平均值為7.01 MPa；粗粒紅砂巖抗拉強(qiáng)度介于3.44～5.25 MPa之間，其平均值為4.32 MPa；細(xì)粒紅砂巖強(qiáng)度是粗粒紅砂巖1.62倍。

表2 巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖3 抗拉強(qiáng)度平均值

(由左向右編號分別為：TA-4、TC-4)

圖5 紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與密度關(guān)系

如圖3所示，相比由粗顆粒膠結(jié)組成的紅砂巖試件(TB、TC、TD、TF)，較細(xì)顆粒膠結(jié)組成的紅砂巖試件(TA、TE)整體具有偏高的抗拉強(qiáng)度。隨粒度變大，紅砂巖試件抗拉強(qiáng)度變小，呈現(xiàn)出相反趨勢，同時(shí)試件密度值隨粒度增大而增大。

2.2.2 巴西劈裂拉伸破壞特征

巴西劈裂試驗(yàn)試件破壞特征如圖4所示，對于試件破壞形式，經(jīng)巴西劈裂試驗(yàn)的細(xì)粒、粗粒紅砂巖試件無較大差別，試件基本沿對稱軸破裂；而在破碎程度上，細(xì)粒紅砂巖試件破壞后破碎程度較大，完整性偏低，試件承載破壞時(shí)崩裂、解體的特性較之粗粒紅砂巖試件嚴(yán)重。

2.3 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 單軸壓縮強(qiáng)度特征

單軸壓縮試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)見表3，細(xì)粒紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度介于105.91～123.67 MPa之間，其平均值為117.42MPa；彈性模量介于7 742.23～7 997.10 MPa之間，其平均值為7 851.00 MPa。粗粒紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度介于83.32～96.39 MPa之間，其平均值為91.56 MPa；彈性模量介于6 413.06～6 686.75 MPa之間，其平均值為6 584.47 MPa。細(xì)粒紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度是粗粒紅砂巖1.28倍，彈性模量是粗粒紅砂巖1.19倍。

如圖5所示，相較由粗顆粒膠結(jié)組成的紅砂巖試件(B、C、D、F)，較細(xì)顆粒膠結(jié)組成的紅砂巖試件(A、E)整體具有偏高單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量。隨粒度增大，紅砂巖試件單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量減小，呈現(xiàn)出相反趨勢，并且試件密度值隨粒度增大而增大。

2.3.2 單軸壓縮破壞特征

單軸壓縮試驗(yàn)的試件破壞特征如圖6所示，經(jīng)單軸壓縮試驗(yàn)的細(xì)粒、粗粒紅砂巖破壞形式較為相似，總體破壞形式以成45°剪切破壞為主，部分試件破壞后以圓錐體形式存在；而在破碎程度上，細(xì)粒紅砂巖試件破壞后都表現(xiàn)出較大破碎程度，完整性偏低，試件崩裂、解體特性較之粗粒紅砂巖試件嚴(yán)重，而較粗粒度試件能夠保留基本的試件完整性。

表3 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Uniaxial compression test results

(由左向右編號分別為：A-2、E-6、C-6、F-12)

3 影響規(guī)律與機(jī)制分析

3.1 粒度對紅砂巖力學(xué)性質(zhì)影響規(guī)律分析

粗粒紅砂巖與細(xì)粒紅砂巖全應(yīng)力-應(yīng)變曲線在各個(gè)階段表現(xiàn)出不同特征。如圖7所示，該巖樣具有較完整的壓密階段和彈性階段，但彈塑性階段未出現(xiàn)或出現(xiàn)過程短，到達(dá)峰值時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線瞬間跌落，細(xì)粒、粗粒紅砂巖具體區(qū)別之處如下：

1) 壓密階段：粗粒紅砂巖的壓密階段相對較長，試件經(jīng)過相當(dāng)長的加載過程后進(jìn)入下一變形階段，說明較粗粒紅砂巖內(nèi)部構(gòu)造含有更多空隙、微孔洞等缺陷，巖石顆粒的膠結(jié)程度不完全，內(nèi)部整體性差，宏觀表現(xiàn)出較為劣化的力學(xué)性質(zhì)。

2) 彈性階段：曲線彈性變形期間，粗粒紅砂巖加載過程比細(xì)粒紅砂巖短，并且彈性模量偏低。表明較細(xì)粒紅砂巖剛度大，抵抗彈性變形的能力強(qiáng)，具有更好的整體性。

3) 彈塑性階段：曲線以近似直線的趨勢到達(dá)其峰值強(qiáng)度，而粗粒紅砂巖曲線在到達(dá)峰值強(qiáng)度前仍具有一定的平滑區(qū)域。說明由較粗顆粒膠結(jié)而成的紅砂巖試件比較細(xì)粒紅砂巖塑形特性好，而較細(xì)細(xì)粒度紅砂巖試件曲線未出現(xiàn)或極少出現(xiàn)彈塑性階段，內(nèi)部構(gòu)造嚴(yán)密。

4) 破壞階段：試件到達(dá)峰值強(qiáng)度后很快破壞，細(xì)粒、粗粒紅砂巖均瞬間破裂，伴隨有巨大爆裂聲；相較細(xì)粒紅砂巖，粗粒紅砂巖破壞時(shí)的應(yīng)變值偏大，說明其承受載荷后具有偏高的變形特性，但相較一般巖石仍具有極大的脆性特性。

粒度對紅砂巖力學(xué)特性影響效果見表4，當(dāng)紅砂巖顆粒粒度較大時(shí)，砂巖單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等都呈現(xiàn)偏低特征，而密度卻呈相反結(jié)果，殘余試件亦具有較好完整性；而較細(xì)粒紅砂巖內(nèi)部構(gòu)造嚴(yán)密，具有頗高強(qiáng)度特性，并且脆性特征明顯，試件破壞時(shí)產(chǎn)生巨大爆裂聲。

3.2 粒度對紅砂巖力學(xué)性質(zhì)影響機(jī)制分析

紅砂巖主要由碎屑礦物和黏土礦物組成，黏土礦物是主要膠結(jié)物，碎屑顆粒是組成紅砂巖的基礎(chǔ)物質(zhì)單位，影響紅砂巖巖石力學(xué)性質(zhì)重要因素之一是顆粒粒度。

圖7 單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

分 類 單軸抗拉強(qiáng)度/MPa單軸抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa密度/(g/cm3)殘余試件完整性細(xì)紅砂巖7.01117.427851.002.38低↓↓↓↓↓粗紅砂巖4.3291.566584.472.42高

注：箭頭為降低符號

圖8 粗粒、細(xì)粒紅砂巖示意圖Fig.8 Schematic diagram of coarse grained and fine grained red sandstone

紅砂巖宏觀特性由其微細(xì)觀結(jié)構(gòu)決定，顆粒作為砂巖最基本構(gòu)成單位，其大小差異導(dǎo)致砂巖內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的改變，如圖8所示。砂巖礦物顆粒較細(xì)時(shí)，碎屑礦物顆粒所占比重會相應(yīng)增加，而發(fā)揮膠結(jié)作用的粘土性礦物顆粒比重降低，進(jìn)而改變紅砂巖的礦物組分，同時(shí)礦物組分的改變導(dǎo)致紅砂巖本身質(zhì)量的變化，造成紅砂巖標(biāo)準(zhǔn)試件密度值的不同，這與粗粒、細(xì)粒紅砂巖試件呈現(xiàn)出不同密度值的試驗(yàn)結(jié)果相符合。

紅砂巖平均粒度小時(shí)，碎屑顆粒平均密度高，巖塊整體密實(shí)程度較高，顆粒與顆粒之間、顆粒與膠結(jié)物之間接觸面積增加，顆粒粘結(jié)作用能力變強(qiáng)，膠結(jié)物與碎屑顆粒之間的膠結(jié)作用效果變強(qiáng)，使其宏觀力學(xué)特征表現(xiàn)出偏高的抗壓、抗拉性能及脆性特征，并且紅砂巖試件到達(dá)其承載極限破壞時(shí)，細(xì)粒試件殘余部分完整性偏低，試件崩解、解體特性嚴(yán)重。

顆粒粒度與紅砂巖礦物組分、密實(shí)程度、礦物顆粒之間的接觸面積和膠結(jié)程度密切相關(guān)。粒度通過影響紅砂巖礦物成分、膠結(jié)方式、組構(gòu)特點(diǎn)等微細(xì)觀特征，改變其宏觀物理力學(xué)特性，當(dāng)紅砂巖礦物組分和組構(gòu)特點(diǎn)改變時(shí)，表征其宏觀物理特征的密度等指標(biāo)會產(chǎn)生相應(yīng)變化，而其承受載荷時(shí)強(qiáng)度等特征也將呈現(xiàn)出不同之處。紅砂巖因碎屑粒度不同形成相異微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致其宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的差別，最終決定不同粒度紅砂巖具有相異巖石力學(xué)性質(zhì)。也即是說，顆粒粒度是影響紅砂巖巖石力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在因素，是引發(fā)紅砂巖物理力學(xué)性質(zhì)差異的基礎(chǔ)誘因。

4 結(jié)論

通過對兩種粒度紅砂巖進(jìn)行的系列巖石力學(xué)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1) 較細(xì)顆粒紅砂巖結(jié)構(gòu)致密，具有偏低的變形特性，失去承載能力時(shí)，巖石破碎程度高，并且其內(nèi)部顆粒之間的膠結(jié)程度比粗粒度紅砂巖完善，試件的密實(shí)性更好，宏觀表現(xiàn)為細(xì)粒度顆粒膠結(jié)組合成的紅砂巖抗拉性能、抗壓性能更好，呈現(xiàn)出細(xì)粒度，低密度，高強(qiáng)度的規(guī)律性。

2) 粒度影響砂巖基本物理性質(zhì)與力學(xué)特性，較細(xì)粒度顆粒膠結(jié)組成的紅砂巖試件具有頗高的單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量，并且細(xì)粒紅砂巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、單軸抗拉強(qiáng)度分別是粗粒紅砂巖1.28倍、1.19倍、1.62倍。

3) 粒度通過改變紅砂巖內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)特征影響紅砂巖礦物成分、膠結(jié)方式、組構(gòu)特點(diǎn)等微細(xì)觀特征，導(dǎo)致不同粒度紅砂巖宏觀物理力學(xué)特性互有差別。顆粒粒度是影響砂巖巖石力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)在因素，是引發(fā)砂巖物理力學(xué)性質(zhì)差異的基礎(chǔ)誘因。

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(責(zé)任編輯：傅 游)

ExperimentalStudyofInfluenceRegularityandMechanismofParticleSizeonMechanicalPropertiesofRedSandstone

CHEN Shaojie, GUO Yuhang, HUANG Wanpeng, YIN Dawei

(State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and Ministry of Science and Technology, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

UT458

A

1672-3767(2017)06-0008-07

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2017.06.002

2017-04-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51474134，51774194，51774195)；山東省自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目(JQ201612)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017GSF17112)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2016M5906467)

陳紹杰(1978—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事采礦工程、巖石力學(xué)方面的教學(xué)與研究工作. E-mail：chensj@sdust.edu.cn 郭宇航(1992—)，男，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事采礦工程方面的研究，本文通信作者. E-mail：yuhang1506@163.com