2. 福建工程学院土木工程学院, 福州 350118
2. College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China
0 引言
随着我国西部大开发战略的实施和能源需求的增长,煤矿建设重点也在向西部转移,在内蒙、新疆等地已掀起了矿井建设的新高潮[1]。西部地区矿井所穿越地层主要以中生界白垩系和侏罗系地层为主,其中白垩纪地层多为砂岩和泥岩等软岩,具有强度低、受力后变形大、易风化等特点;因此,采用冻结法施工是目前穿越白垩纪地层的最佳方法。而掌握白垩纪地层冻结软岩的力学特性,则成为了西部矿井安全建设和生产的关键。
在低温下通常岩石中的孔隙水会转化为冰,继而产生冰胶结力,使得岩石内部结构联接得到加强,岩石强度和脆性提高[2]。对于岩石在低温下的性质,国内外已开展了一些研究[3-7]。徐光苗等[8]以江西红砂岩和湖北页岩为代表,分别进行了不同冻结温度和不同含水状态下的岩石单轴和三轴压缩试验,得到一系列有意义的关系表达式;杨更社等[9]对煤岩和砂岩进行不同冻结温度和不同围压下的三轴压缩试验,探讨了围压和冻结温度对于冻结岩石三轴强度特性的影响规律;张继周等[10]通过循环冻融试验方法,研究了岩石在冻融条件下损伤劣化机制以及相应的力学性质。尽管目前对冻结岩石的力学性质研究已取得了一系列成果,但对白垩纪地层软岩冻结特性的研究还鲜见报导,特别是对三轴条件下软岩强度和温度及围压之间联系的研究甚少。基于此种情况,本文对白垩纪地层软弱砂岩和泥岩进行了不同温度和围压下的单轴和三轴压缩试验,获得并分析了其力学特性和变化规律,以期能给矿井冻结法设计和施工提供可靠的参考。
1 试验方法和步骤 1.1 试样制备试样为内蒙泊江海子矿白垩纪地层的中砂岩和泥岩:中砂岩主要含石英、长石、泥质等成分,孔隙率大,泥质胶结;泥岩多为泥质结构,遇水强度降低。试样在冻土实验室加工成φ50 mm×100 mm尺寸,加工精度满足试样长度误差小于等于±1 mm,直径误差小于等于±0.5 mm。岩石取样深度和物理参数如表 1所示。
单轴压缩试验在自行研制的WDT-100冻土试验机上进行。试验机最大竖向加载能力为10 t,精度1%。三轴压缩试验采用W3Z-200型冻土三轴试验机(图 1),其是对-35~0 ℃低温环境下的冻土进行力学试验的专用设备,最大试验荷载为200 kN,最高围压为15 MPa。该机可完成冻土三轴压缩试验、冻土蠕变试验和常规三轴应力路径试验等。试验荷载和试验数据全部由计算机程序控制和采集。
1.3 试验方案试验方法参照煤炭部行业标准《人工冻土物理力学性能试验》(MT/T 593.4-2011)[11]和《工程岩体力学试验方法标准》(GB/T 50266-2013)[12]。为评价低温条件对岩石力学性质的影响,取中砂岩和泥岩进行常温(20 ℃) 以及冻结温度-5、-10、-20 ℃下的单轴和三轴压缩试验,围压等级考虑冻结壁设计荷载的标准值,根据岩石所处层位,采用重液公式计算。中砂岩围压水平分别为2、4、6 MPa,泥岩为1、2、3 MPa。
2 试验结果及分析 2.1 不同温度及围压下白垩系软岩的三轴试验结果通过不同温度下的单轴和三轴试验,得到软岩的应力-应变曲线(图 2、3)。
设σ3为围压,σ1-σ3为偏差应力,ε1为轴向应变。从图 2、3可看出,冻结软岩的应力应变曲线均较为相似,都呈现典型的应变软化型脆性破坏特征:围压增大时,试样的塑性会明显增加;而当围压恒定时,随温度的降低,试样的脆性则提高。这说明围压和温度对冻结软岩的破坏特征有显著的影响。
2.2 软岩的峰值强度与温度的关系冻结岩石的特点是其强度大小受温度影响,但不同类型的岩石,其强度受温度影响并不一样。由图 2、3可知,白垩纪地层中砂岩和泥岩的峰值强度均随温度的降低而增大。对中砂岩,在0、2、4、6 MPa围压下由20 ℃降至-20 ℃,其峰值强度分别增加了84.3%、62.3%、50.3%、42.6%,可见中砂岩的力学性质表现出强烈的温度敏感性:在负温下孔隙水发生相变,凝结成冰体,冰胶结力增加了冻结岩石强度;且冻结后岩石矿物产生收缩,提高了岩石材料的密度。另外,随着围压的增加,冻结中砂岩在变形过程中内部裂隙和孔洞发展受到限制,颗粒间胶结作用增强,因此冻结岩石的强度得到提高;同时,试样强度对冻结温度的敏感性降低,即冻结强度随温度降低而提高的幅度会减小。
对于泥岩,在各围压下由20 ℃降至-20 ℃时,其峰值强度分别增加了55.3%、45.4%、38.6%、33.8%,随围压变化规律与中砂岩相似;但在温度降低时峰值强度的增幅远远小于中砂岩,说明冻结温度对中砂岩的影响较泥岩更大。这与软岩和孔隙冰的联接结构有关,且当岩石初始含水率高时,冻结后强度提升也较大。另外,在应变软化阶段,岩石的强度降低速率随温度降低而增大,说明了岩石的塑性在减小而脆性逐渐增加。
由于冻结法施工是利用人工制冷技术把天然状态下的岩土体变为冻土,因此,为获得软岩冻结时其强度的变化状况,以及冻结软岩融化后强度的降幅,笔者根据试验结果,做出冻结岩石在各围压下峰值强度与温度(包括常温) 的散点图,见图 4、5。
对岩石峰值强度σ1与温度T的关系进行拟合,两者基本呈抛物线关系,两种岩石的平均相关系数约为0.997和0.996。中砂岩拟合公式为
泥岩拟合公式为
在低温下,由于软岩中孔隙水变成孔隙冰,充填在软岩孔隙中使得其孔隙率降低,且冰体的脆性较强,导致试样受压时应变会有较大幅度的减小。如随着温度降低,中砂岩的峰值轴向应变在2 MPa围压下由20 ℃到-20 ℃减少了19.4%,同时泥岩应变减少了12.9%;体现了温度对中砂岩的应变值影响更大,原因在于其孔隙率和含水率远超过泥岩。另外,随着围压增大,由于岩石塑性逐渐增强而脆性降低,峰值轴向应变基本呈增长趋势。
2.4 弹性模量与温度的关系根据冻结软岩的应力应变曲线可以绘制出岩石弹性模量与温度关系的散点图,见图 6。可以看出,两种岩石的弹性模量与温度均呈抛物线关系,在围压恒定条件下,随着温度降低,由于冰对孔隙的填充及其脆性性质,岩石的弹性模量均有一定程度的增加。如围压为2 MPa时,从20 ℃至-20 ℃中砂岩弹性模量由0.87 GPa增至1.98 GPa,泥岩弹性模量由0.61 GPa增至0.99 GPa;可知中砂岩弹性模量随温度降低的增幅远高于泥岩,说明温度对中砂岩的弹性模量的影响更加显著。同时围压增大也导致岩石弹性模量上升。
2.5 抗剪强度指标与温度的关系通过对软岩三轴试验结果进行整理,并结合莫尔库伦强度准则,可得不同条件下的峰值强度和抗剪强度指标,见表 2、3。
温度/℃ | σ1/MPa | 内摩擦角/(°) | 黏聚力/MPa | |||
σ3=0 MPa | σ3=2 MPa | σ3=4 MPa | σ3=6 MPa | |||
20 | 11.88 | 16.85 | 21.81 | 26.78 | 25.2 | 3.77 |
-5 | 14.82 | 19.92 | 25.03 | 30.13 | 25.9 | 4.64 |
-10 | 17.29 | 22.54 | 27.78 | 33.02 | 26.6 | 5.34 |
-20 | 21.90 | 27.35 | 32.78 | 38.21 | 27.5 | 6.65 |
温度/℃ | σ1/MPa | 内摩擦角/(°) | 黏聚力/MPa | |||
σ3=0 MPa | σ3=3 MPa | σ3=6 MPa | σ3=9 MPa | |||
20 | 7.92 | 10.23 | 12.55 | 14.87 | 23.4 | 2.60 |
-5 | 9.26 | 11.61 | 13.98 | 16.34 | 23.9 | 3.01 |
-10 | 10.36 | 12.80 | 15.23 | 17.67 | 24.7 | 3.32 |
-20 | 12.30 | 14.87 | 17.39 | 19.90 | 25.4 | 3.90 |
由表 2、3可见,两种软岩的峰值内摩擦角、黏聚力均随温度降低而增加。如:从20 ℃到-20 ℃,中砂岩内摩擦角的正切值提高了10.6%,黏聚力提高了76.4%;泥岩内摩擦角的正切值提高了9.7%,黏聚力提高了50.0%。 这说明低温对岩石抗剪强度的提高主要集中于黏聚力上,而内摩擦角的提高较为有限,这是由于冻结后孔隙冰将周围土颗粒牢固地黏结在一起,使土颗粒的黏聚力大大提高;而且中砂岩的抗剪强度指标对温度的敏感性较强。
3 结论本文对白垩纪地层冻结软岩进行了一系列的单轴和三轴压缩试验,得到了以下结论:
1) 两种软岩的峰值强度和弹性模量均随温度降低及围压升高而增大,中砂岩的强度和弹模增加较泥岩更为显著,即其对温度的敏感性更高。
2) 当温度降低时,由于水相变成冰填充了岩石孔隙,导致岩石轴向应变减小;而围压增大时,轴向应变则基本上呈上升趋势。
3) 岩石的峰值内摩擦角、黏聚力均随温度降低而增大,其中内摩擦角变化不明显,而温度对黏聚力的影响更为显著。
4) 通过三轴压缩试验,得到了白垩系冻结软岩与温度及围岩有关的力学性质,分析了冻结条件下软岩的力学规律,为指导矿井冻结法设计和施工提供了可靠的数据。
[1] | 李宁, 程国栋, 谢定义. 西部大开发中的岩土力学问题[J]. 岩土工程学报 , 2001, 23 (3) : 268-272. Li Ning, Cheng Guodong, Xie Dingyi. Geomechanics Development in Civil Construction in Western China[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering , 2001, 23 (3) : 268-272. |
[2] | 马巍, 王大雁. 冻土力学 [M]. 北京: 科学出版社, 2014 . Ma Wei, Wang Dayan. Frozen Soil Mechanics [M]. Beijing: Science Press, 2014 . |
[3] | 张虎, 张建明, 苏凯, 等. 冻土旁压试验与单轴试验对比[J]. 吉林大学学报(地球科学版) , 2015, 45 (5) : 1479-1484. Zhang Hu, Zhang Jianming, Su Kai, et al. Comparison Between Pressuremeter Test and Uniaxial Compresson Test of Frozen Soil[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition) , 2015, 45 (5) : 1479-1484. |
[4] | 刘泉声, 康永水, 黄兴, 等. 裂隙岩体冻融损伤关键问题及研究状况[J]. 岩土力学 , 2012, 33 (4) : 971-978. Liu Quansheng, Kang Yongshui, Huang Xing, et al. Critical Problems of Freeze-Thaw Damage in Fractured Rock and their Research Status[J]. Rock and Soil Mechanics , 2012, 33 (4) : 971-978. |
[5] | 赖远明, 张耀, 张淑娟, 等. 超饱和含水率和温度对冻结砂土强度的影响[J]. 岩土力学 , 2009, 30 (12) : 3665-3670. Lai Yuanming, Zhang Yao, Zhang Shujuan, et al. Experimental Study of Strength of Frozen Sandy Soil Under Different Water Contents and Temperatures[J]. Rock and Soil Mechanics , 2009, 30 (12) : 3665-3670. |
[6] | Mordovskoi S D, Petrov E E. Mechanical Properties of Frozen Rock in a Two-Phase Model[J]. Journal of Mining Science , 1994, 30 (1) : 48-53. DOI:10.1007/BF02048774 |
[7] | Ulrich T J, Darling T W. Observation of Anomalous Elastic Behavior in Rock at Low Temperatures[J]. Geophysical Research Letters , 2001, 28 (11) : 2293-2296. DOI:10.1029/2000GL012480 |
[8] | 徐光苗, 刘泉声, 彭万巍, 等. 低温作用下岩石基本力学性质试验研究[J]. 岩石力学与工程学报 , 2006, 25 (12) : 2502-2508. Xu Guangmiao, Liu Quansheng, Peng Wanwei, et al. Experimental Study Basic Mechanical Behaviors of Rocks Under Low Temperatures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering , 2006, 25 (12) : 2502-2508. |
[9] | 杨更社, 奚家米, 李慧军, 等. 三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报 , 2010, 29 (3) : 459-464. Yang Gengshe, Xi Jiami, Li Huijun, et al. Experimental Study of Rock Mechanical Properties Under Triaxial Compressive and Frozen Conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering , 2010, 29 (3) : 459-464. |
[10] | 张继周, 缪林昌, 杨振峰. 冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报 , 2008, 27 (8) : 1688-1694. Zhang Jizhou, Miao Linchang, Yang Zhenfeng. Research on Rock Degradation and Deterioration Mechanisms and Mechanical Characteristics Under Cyclic Freezing-Thawing[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering , 2008, 27 (8) : 1688-1694. |
[11] | MT/T 593.4-2011人工冻土物理力学性能试验:第4部分:人工冻土单轴抗压强度试验方法[S].北京:中国煤炭工业出版社,2011. MT/T 593.4-2011 Artificial Frozen Soil Physics Mechanics Performance Test:Part 4:Artificial Frozen Soil Compression Strength Test Method[S].Beijing:China Coal Industry Publishing House,2011. |
[12] | GB/T 50266-2013工程岩体力学试验方法标准[S].北京:中国计划出版社,2013. GB/T 50266-2013 Standard for Test Methods of Engineering Rock Mass[S].Beijing:China Planning Press,2013. |