奚家米，付　壘，賈曉峰，楊更社，申艷軍

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司 高寒高海拔地區(qū)道路工程安全與健康國家重點試驗室，陜西 西安 710075；3.中交公路養(yǎng)護工程技術(shù)有限公司，北京 100013)

0　引　言

中國西部煤炭資源多貯藏于富水的白堊系巖層之下[1]，因此在煤炭開采時礦井建設(shè)多采用凍結(jié)法施工[2]。巖石在一次凍融作用下物理力學(xué)性質(zhì)會有一定的改變，所以在對礦井進(jìn)行設(shè)計時，如果采用常溫下的參數(shù)，設(shè)計結(jié)果往往與實際情況有差異。因此，對白堊系常見巖石在一次凍融作用下的物理力學(xué)性質(zhì)演變情況進(jìn)行研究，對于定性和定量地了解一次凍融作用下巖石的損傷程度意義重大。

巖石熱力學(xué)理論對巖石在環(huán)境溫度影響下的熱力效應(yīng)進(jìn)行了長期的研究[1]。寒區(qū)巖土工程、人工凍結(jié)工程會使圍巖處于長期凍結(jié)狀態(tài)或使其受到周期性的低溫作用[3]。在這樣的條件下，巖石的強度特性與常溫狀態(tài)下相比會發(fā)生很大的變化。為探求巖石在低溫下的物理力學(xué)性質(zhì)演變狀況，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。李云鵬等對花崗巖開展了不同凍結(jié)溫度下的壓縮試驗，巖石抗壓強度、變形模量隨溫度降低呈增長趨勢，而泊松比變化相對較小[4]；徐光苗等分別對紅砂巖和頁巖開展了不同凍結(jié)溫度和不同含水狀態(tài)下的單軸壓縮與三軸壓縮試驗，2種巖石的單軸抗壓強度與彈性模量隨溫度降低而增大，且?guī)r石的含水狀態(tài)對巖石的凍結(jié)強度影響顯著[5]；張慧梅等對砂巖和頁巖進(jìn)行了凍融循環(huán)和壓縮試驗，系統(tǒng)研究了巖石的強度與變形特性等隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律[6-7]；李棟偉模擬了白堊系凍結(jié)軟巖地下工程施工應(yīng)力狀態(tài)變化過程，提出了凍結(jié)軟巖黏彈塑非線性蠕變本構(gòu)力學(xué)模型[8]；劉瑩等對白堊系巖層開展了不同凍結(jié)溫度下的物理力學(xué)性能試驗，分析了單軸抗壓強度與溫度、含水率之間的相互影響關(guān)系[9]；周科平等對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的風(fēng)化花崗巖進(jìn)行了核磁共振和常規(guī)單軸壓縮實驗，得到了凍融循環(huán)后巖石的孔隙度、孔隙分布和單軸抗壓強度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系[10]；楊更社等分別以煤、砂巖、砂質(zhì)泥巖為研究對象，開展了常溫和不同凍結(jié)溫度下巖石單軸壓縮和三軸壓縮試驗，獲得了不同溫度條件下巖石試件的基本力學(xué)參數(shù)[11-15]。裴向軍等對干燥及飽水狀態(tài)下裂隙巖石凍融特征進(jìn)行研究，提出了凍融巖石脹縮率[16]。閻錫東等基于微裂隙變形與擴展提出了巖石凍融損傷本構(gòu)模型[17]。徐光苗等對巖石凍融破壞機理進(jìn)行了分析，給出了巖石破壞與凍融次數(shù)的擬合關(guān)系式[18]。ZHOU等對巖石在多次凍融循環(huán)下的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得到了凍融循環(huán)下的巖石孔隙發(fā)育情況[19]。Yoshihiko Ito等對巖石在重復(fù)干濕和凍融循環(huán)下進(jìn)行了研究，得出了巖石的彈性模量的劣化規(guī)律[20]。JIA等對巖石在凍融循環(huán)下的巖石拉壓強度的衰減進(jìn)了量化[21]。MU等對巖石進(jìn)行了多次凍融循環(huán)，研究了巖石的剪切強度的退化[22]。FU等對巖石在凍融循環(huán)下的三軸抗壓強度進(jìn)行了測定，并提出了預(yù)測巖石在凍融循環(huán)下的強度預(yù)測模型[23]?？傮w來說，現(xiàn)有研究的主要方向多為凍融循環(huán)條件下巖石力學(xué)性質(zhì)的變化及損傷，關(guān)于巖石經(jīng)歷單次凍融后物理力學(xué)性質(zhì)的研究成果較為少見。

文中在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的凍土力學(xué)理論，以甘肅新莊煤礦凍結(jié)風(fēng)立井為工程背景，利用西安科技大學(xué)MTS-815型電液伺服試驗機等試驗設(shè)備，針對粗粒砂巖、中粒砂巖、泥巖分別開展了常溫和凍結(jié)解凍后飽和吸水率試驗，并進(jìn)行常溫、凍結(jié)和解凍后3種狀態(tài)下的單軸壓縮試驗。分析經(jīng)歷凍結(jié)、融解后3種巖石飽和吸水率及抗壓強度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的變化情況，以期為西北地區(qū)白堊系富水巖層凍結(jié)法鑿井工程設(shè)計提供參考。

1　試驗方案

1.1　巖樣制備及試驗設(shè)備

1.1.1巖樣制備

從甘肅省新莊煤礦施工現(xiàn)場取得白堊系粗粒砂巖、中粒砂巖、泥巖新鮮完整巖塊，在實驗室將其加工成φ50×100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣[24]。先通過初步觀察，排除外觀有缺陷的試件，再利用RSM-SY5智能聲波檢測儀對巖樣進(jìn)行檢測，選擇縱波波速相近的巖樣進(jìn)行試驗。

1.1.2試驗設(shè)備

試驗過程中主要所需的儀器如下：①電子天平秤(精度±0.01 g)；②抽真空設(shè)備，真空抽氣罐；③DZF型真空干燥箱；④DWX-30低溫箱；⑤MTS-815型電液伺服試驗機。

1.2　巖石飽和吸水率測試

巖石飽和吸水率按照煤和巖石吸水性測定方法[25]測試。首先將巖石試樣置于烘箱中，在110 ℃溫度下烘干24 h，取出放置于干燥器中，冷卻至室溫后稱量；然后將巖樣放入抽氣容器中，先抽氣2 h，再注入蒸餾水到容器中，并繼續(xù)抽氣4 h到巖樣表面無氣泡溢出，然后將巖樣在水中浸泡24 h，在室溫下稱取飽和巖樣的質(zhì)量。

試驗過程為：①取加工好的粗粒砂巖、中粒砂巖和泥巖標(biāo)準(zhǔn)試塊各2塊，按上述測試方法測定室溫條件下3種巖石飽和吸水率；②對上述巖樣進(jìn)行飽水并放入低溫控溫箱中凍結(jié)。考慮到人工凍結(jié)時鹽水溫度最低為-30 ℃，將凍結(jié)溫度設(shè)定為-30 ℃的恒溫，在恒溫箱中凍結(jié)48 h.取出巖樣放在20℃的常溫環(huán)境中解凍，直到其內(nèi)部孔隙中的冰塊完全融化。最后分別測定3種巖石在解凍過后的飽和吸水率。

1.3　巖石單軸壓縮試驗

分別取3種巖石試樣各6個，全部進(jìn)行飽水處理，其中2個試樣在常溫條件下進(jìn)行巖石單軸壓縮試驗；對剩下的4個試樣進(jìn)行編號，然后用乳膠套密封后放入低溫箱中凍結(jié)，凍結(jié)溫度變化率設(shè)定為1 ℃/h，凍結(jié)時間為48 h.取出凍結(jié)巖樣，對其中2個試樣開展單軸壓縮試驗。剩余2個試樣自然解凍48 h，然后再對試樣開展單軸壓縮試驗。分別開展3種巖石凍結(jié)前、凍結(jié)后以及凍結(jié)融解后單軸壓縮試驗，記錄其應(yīng)力-應(yīng)變曲線并計算3種巖石不同狀態(tài)下的單軸抗壓強度及彈性模量。采用軸向位移速率控制方式，控制單軸壓縮試驗速率為0.002 mm/s.試驗過程如圖1，圖2所示。

圖1　單軸壓縮試驗Fig.1　Uniaxial compression test

圖2　巖樣破壞狀況Fig.2　Damage states of rock samples

2　試驗結(jié)果及分析

2.1　凍融作用下巖石飽和吸水率分析

飽和吸水率是反映巖石中裂隙的發(fā)育程度的重要參數(shù)。根據(jù)試驗結(jié)果，按照公式(1)分別計算粗粒砂巖、中粒砂巖、泥巖凍結(jié)前、解凍后的飽和吸水率，計算結(jié)果見表1.

(1)

式中ωp為巖石的飽和吸水率，%；mp為巖石飽和后的質(zhì)量，g；ms為巖石的干質(zhì)量，g.

根據(jù)表1的試驗結(jié)果可以看出，3種巖石凍融后的飽和吸水率都有不同程度增大，粗粒砂巖凍融后飽和吸水率增加了32.1%，中粒砂巖飽和吸水率增加了15.3%，泥巖飽和吸水率增加了18.5%.這是由于飽和巖樣內(nèi)部的孔隙裂隙水結(jié)冰后產(chǎn)生了凍脹力，當(dāng)巖石的結(jié)構(gòu)強度小于凍脹力時，原有的孔隙裂隙微觀結(jié)構(gòu)就會發(fā)生很大變化，有新的微細(xì)裂紋產(chǎn)生，進(jìn)而其飽和吸水率相應(yīng)增加。粗粒砂巖凍融前后飽和吸水率變化幅度相對較大，主要是其本身含水率相對較大導(dǎo)致凍脹力較大所致。泥巖雖然含水率與中粒砂巖相當(dāng)，但是由于其本身結(jié)構(gòu)強度較低，凍結(jié)產(chǎn)生的損傷相對較大，進(jìn)而其飽和吸水率增加幅度略大于中粒砂巖。

表1　凍融前后巖石試件飽和吸水率

2.2　凍融作用下巖石力學(xué)特性試驗結(jié)果及分析

2.2.1凍融作用下巖石單軸抗壓強度分析

分析單軸抗壓試驗的結(jié)果，可以得出粗粒砂巖、中粒砂巖、泥巖在常溫、凍結(jié)和解凍后3種狀態(tài)下單軸抗壓強度，見表2.

表2　3種狀態(tài)下巖石單軸抗壓強度

從表2可以看出，在凍結(jié)過程中，雖然巖石的巖性不同，但單軸抗壓強度總體表現(xiàn)為凍結(jié)時強度最大，常溫次之，解凍后強度最小，只是強度變化程度有所差異。粗粒砂巖凍結(jié)時單軸抗壓強度由28.01 MPa增大到38.98 MPa，提高了39.2%；中粒砂巖由17.78 MPa增大到25.86 MPa，提高49.5%；泥巖單軸抗壓強度由14.50 MPa增大到28.39 MPa，提高了95.8%.由此可以得出，凍結(jié)對泥巖單軸抗壓強度影響最大，對粗粒砂巖單軸抗壓強度的影響最小。解凍后粗粒砂巖的單軸抗壓強度由28.01 MPa降低到15.92 MPa，降低了43.2%；中粒砂巖單軸抗壓強度由凍結(jié)前的17.78 MPa降低到解凍后的15.59 MPa，降低了12.3%；泥巖單軸抗壓強度由凍結(jié)前的14.50 MPa降低到了13.81 MPa，僅降低了4.8%.故經(jīng)歷一次凍融后，粗粒砂巖單軸抗壓強度減小幅度最大，對泥巖的單軸抗壓強度影響最小。

結(jié)合表1，表2可以得出，在一次凍融過程中，巖石的飽和吸水率對巖石的單軸抗壓強度的演化起到?jīng)Q定性作用。在凍結(jié)狀態(tài)下巖石的強度與初始飽和吸水率正相關(guān)，而在凍結(jié)前和解凍后，巖石的強度與飽和吸水率負(fù)相關(guān)。

2.2.2凍融作用下巖石單軸壓縮試驗結(jié)果分析

由壓縮試驗分別得到粗粒砂巖、中粒砂巖、泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為直觀反映常溫、凍結(jié)以及凍融狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的差異，分別將同一種巖石在3種不同狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線統(tǒng)一繪制于坐標(biāo)系上，如圖3所示。

由圖3可以看出，3種巖石在凍結(jié)，常溫，解凍狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都經(jīng)歷了4個階段，即壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和破壞階段。巖石達(dá)到峰值應(yīng)力時所發(fā)生的應(yīng)變與常溫狀態(tài)下的應(yīng)變相比，粗粒砂巖增大了33.1%，中粒砂巖減小了7.1%，泥巖減小了14.8%，即粗粒砂巖在凍結(jié)狀態(tài)下塑性增強，中粒砂巖和泥巖脆性增強。在解凍后，達(dá)到峰值應(yīng)力時所發(fā)生的應(yīng)變與常溫狀態(tài)下的應(yīng)變相比，粗粒砂巖較常溫下增加了63.3%，中粒砂巖較常溫下增加了36.8%，泥巖較常溫下增加了25.3%，表明巖石在解凍后塑性增強，且由于凍融后巖石裂隙發(fā)育程度不同，表現(xiàn)為塑性增加程度不同。

導(dǎo)致中粒砂巖和泥巖在凍結(jié)狀態(tài)下脆性增強，解凍過后塑性增強的主要原因是：相對常溫狀態(tài)下的巖石試件，凍結(jié)時巖體內(nèi)部水凝結(jié)成冰，充填了巖石內(nèi)部部分孔隙和裂隙，從而導(dǎo)致巖石試件脆性增強，塑性減弱。凍融后巖石試件由于經(jīng)歷凍結(jié)和融解，巖石內(nèi)部產(chǎn)生新的損傷(微裂紋)，會導(dǎo)致壓密階段長度有一定的增加。而粗粒砂巖含水率較大，在凍結(jié)時由于水的凍脹，其相對于中粒砂巖和泥巖產(chǎn)生了較多的未被冰充填的裂隙，從而導(dǎo)致壓密階段相對較長，表現(xiàn)為塑性增強。

圖3　不同狀態(tài)下巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3　Stress-strain curves of rocks in different states

2.2.3凍融作用下巖石彈性模量分析

彈性模量是巖石的重要性能參數(shù)，是衡量巖石產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)。文中選取50%的瞬時抗壓強度值與其所對應(yīng)的應(yīng)變ε50的比值作為巖樣的彈性模量值。利用巖樣在不同狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算得到粗粒砂巖、中粒砂巖、泥巖在常溫、凍結(jié)和解凍狀態(tài)下的彈性模量值，見表3.

表3　巖石在不同狀態(tài)下的彈性模量

從圖3和表3可以看出，經(jīng)過一次凍融后，3種巖石的彈性模量減小程度不同。粗粒砂巖的彈性模量從4.34 GPa減小到1.38 GPa，減小了68.2%；中粒砂巖從1.96 GPa減小到1.37 GPa，減小了30.1%；泥巖從2.58 GPa減小到1.65 GPa，減少了35.7%.由此可以得出，凍融作用對粗粒砂巖彈性模量的影響最大，對中粒砂巖和泥巖的影響較小。泥巖的彈性模量折減程度大于中粒砂巖的原因是其結(jié)構(gòu)強度較低，裂隙發(fā)育程度較大。

2.2.4巖石裂隙演化對其力學(xué)特性的影響

巖石的單軸抗壓強度及彈性模量均隨著裂隙發(fā)育有所降低，但不同種類巖石的力學(xué)特性演化過程有所不同。為說明凍結(jié)過程中巖石內(nèi)部裂隙的演化與巖石單軸抗壓強度及彈性模量之間的關(guān)系，結(jié)合表1，表2和表3，選擇凍結(jié)前及解凍后巖石的飽和吸水率及強度參數(shù)進(jìn)行擬合。得出3種巖石在一次凍融過程中飽和吸水率對單軸抗壓強度和彈性模量的影響曲線分別如圖4，圖5所示。

圖4　孔隙率與巖石強度關(guān)系Fig.4　Relationship between saturated water absorptivity and rock compression strength

為定量的分析飽和吸水率與巖石單軸抗壓強度之間的關(guān)系，將以上曲線用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合如下

(2)

式中n為孔隙率,%；上式由上至下分別代表粗粒砂巖、中粒砂巖、泥巖。

結(jié)合擬合函數(shù)式(2)及圖4可得：3種巖石的單軸抗壓強度在凍結(jié)過程中隨著巖石內(nèi)部裂隙的發(fā)育而降低，且隨著裂隙發(fā)育程度增大，強度折減速率逐漸降低。

圖5　孔隙率與巖石彈性模量的關(guān)系Fig.5　Relationship between saturated water absorptivity and rock elastic modulus

在凍融過程中，巖石內(nèi)部裂隙的演化會使巖石的孔隙增加。在壓縮過程中孔隙會被首先壓縮，這就導(dǎo)致了壓密階段較長，且由于巖石在經(jīng)歷凍融后發(fā)生損傷，峰值單軸抗壓強度降低，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率發(fā)生變化，由此計算得來的彈性模量亦發(fā)生變化，將裂隙發(fā)育對彈性模量的影響關(guān)系利用指數(shù)函數(shù)擬合如下

(3)

式中n為孔隙率，%，上式由上至下分別代表粗粒砂巖、泥巖、中粒砂巖。

3　結(jié)　論

1)通過試驗確定了3種飽和巖石在一次凍融過程中的裂隙發(fā)育情況，并由此得到了凍融條件下巖石力學(xué)性能衰減程度與其飽和吸水率變化的呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；

2)粗粒砂巖在凍結(jié)時和解凍后均表現(xiàn)為塑性增強的性質(zhì)。較常溫狀態(tài)下，中粒砂巖和泥巖在凍結(jié)狀態(tài)下表現(xiàn)出脆性增強，解凍后則表現(xiàn)為塑性增強；

3)凍融作用下巖石產(chǎn)生新的裂紋(損傷)，從而導(dǎo)致巖石單軸抗壓強度和彈性模量降低、飽和吸水率增加；相同凍結(jié)溫度下，巖石含水率大小是凍融損傷程度的關(guān)鍵因素。含水率相當(dāng)?shù)臈l件下結(jié)構(gòu)強度則會決定凍融損傷程度；

4)粗粒砂巖在彈性模量方面對凍融最敏感。且凍融作用對其單軸抗壓強度有較大的影響；

5)泥巖在凍結(jié)后單軸抗壓強度增加程度最大，且在解凍后強度折減程度最小，表明泥巖較適用于凍結(jié)法施工。

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