水—熱環(huán)境對(duì)泥巖的力學(xué)特性影響試驗(yàn)研究

彭 成,李 鑫,涂福豪,郭慶梅,樊軍偉

(南華大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南衡陽(yáng) 421001)

0 引 言

在我國(guó)基建發(fā)展的歷程中，巖石作為天然建筑材料一直被大量用于各種工程。自然環(huán)境中的巖石受制于其自身環(huán)境的影響，承受各種物理、化學(xué)及生物風(fēng)化作用。泥巖具遇水軟化的特點(diǎn)，工程中如巷道支護(hù)、隧道開挖以及邊坡等如遇泥巖環(huán)境，臨空面往往容易受環(huán)境濕度影響而造成泥巖強(qiáng)度衰減，引起巖體變形甚至失穩(wěn)破壞，因此研究含水狀態(tài)對(duì)于泥巖的劣化效果、機(jī)制具有重要的指導(dǎo)意義。郭瑞等[1]通過單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了含水量和干密度對(duì)砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度的影響；姚強(qiáng)嶺等[2]通過巖石直剪試驗(yàn)，探討了含水率對(duì)砂質(zhì)泥巖直剪變形破壞規(guī)律、強(qiáng)度損傷及聲發(fā)射特征的影響；魏曉剛[3]認(rèn)為含水量與浸泡時(shí)間會(huì)增大泥巖的蠕變應(yīng)變與蠕變擠壓力；柳萬里等[4]通過對(duì)泥巖進(jìn)行天然與飽和狀態(tài)下的單軸壓縮試驗(yàn)，認(rèn)為泥巖飽水后其力學(xué)特性會(huì)出現(xiàn)特征強(qiáng)度降低、脆性變形減弱、塑性變形增強(qiáng)的變化，并且飽水后巖石吸能與釋能性質(zhì)減弱、耗能性質(zhì)增強(qiáng)；馮西洲[5]通過對(duì)泥巖進(jìn)行飽水試驗(yàn)，提出浸水會(huì)促使泥巖內(nèi)部微裂隙產(chǎn)生擴(kuò)張，隨浸水時(shí)間的增加甚至?xí)蛊洳糠治⒘严敦炌?，泥巖單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量也隨浸水時(shí)間增加呈指數(shù)形式降低；楊秀榮等[6]通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方式，揭示了軟巖含水率增大時(shí)其初始蠕變值與穩(wěn)態(tài)蠕變值均有所增大。

近年來，大型低溫液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)地下儲(chǔ)存已成為未來發(fā)展方向，LNG是通過將天然氣降溫至約-163 ℃來實(shí)現(xiàn)天然氣液化以大幅降低其體積以便于儲(chǔ)存，因此儲(chǔ)存地區(qū)部分圍巖將長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境中，受影響的巖石必然產(chǎn)生力學(xué)性質(zhì)上的變化。迄今為止，國(guó)內(nèi)外已有諸多學(xué)者對(duì)巖石在低溫下的力學(xué)性質(zhì)變化問題進(jìn)行了深入研究，Y.J.Song等[7]對(duì)紅砂巖樣品進(jìn)行了多級(jí)裝卸單軸蠕變?cè)囼?yàn)，獲得了不同溫度下的蠕變曲線(20 ℃～-20 ℃)，結(jié)果表明溫度降低會(huì)降低所有應(yīng)力水平下巖石的瞬時(shí)變形和蠕變變形，同時(shí)還會(huì)成指數(shù)地減弱了巖石的總?cè)渥兒驼乘苄詰?yīng)變；L.Jiang等[8]通過單軸試驗(yàn)，提出低溫能使砂巖的縱波波速、彈性模量、抗壓強(qiáng)度與致密性顯著增加，并且結(jié)合細(xì)觀損傷本構(gòu)模型模擬了巖體的損傷演化；楊陽(yáng)等[9]用SHPB(split Hopkinson pressure bar)試驗(yàn)和分形方法研究飽水凍結(jié)紅砂巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，結(jié)果表明負(fù)溫會(huì)顯著影響紅砂巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和分形特性；種玉配等[10]對(duì)不同溫度(20 ℃～-20 ℃)的飽水粗粒砂巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明飽水粗粒砂巖的彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度降低而增大，泊松比則隨之減小；楊更社等[11]通過對(duì)白堊系飽和砂巖在不同溫度(20 ℃～-20 ℃)與不同圍壓(0、2、4和6 MPa)條件下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，認(rèn)為負(fù)溫凍結(jié)與圍壓能顯著增強(qiáng)飽和砂巖的強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角；魏堯等[12]對(duì)飽水砂巖在-10 ℃條件不同圍壓下進(jìn)行了蠕變實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明低溫會(huì)促進(jìn)飽水砂巖蠕變過程的發(fā)展，圍壓能降低其穩(wěn)態(tài)蠕變速率；宋勇軍[13]通過單軸蠕變實(shí)驗(yàn)，證明低溫能顯著降低飽水砂巖的瞬時(shí)應(yīng)變與蠕變應(yīng)變，增加其蠕變時(shí)間、強(qiáng)度及彈性模量。

但是，在低溫環(huán)境下，不同含水條件泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度還未見研究成果?；诖耍疚膶⒁詼囟扰c含水率為本征變量，進(jìn)行泥巖單軸壓縮試驗(yàn)，研究低溫對(duì)不同含水條件泥巖的強(qiáng)度與彈性模量的影響及變化規(guī)律，為地下LNG儲(chǔ)庫(kù)的工程建設(shè)提出合理的力學(xué)參數(shù)。

1 泥巖含水率與低溫單軸試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)主要目的是為研究泥巖在含水率和低溫影響下力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flowchart of experimental design

1.1 試樣制備

試驗(yàn)樣本取自四川省宜賓市某處，為土黃色粉砂質(zhì)泥巖，現(xiàn)場(chǎng)取得無明顯裂紋大巖塊后制成直徑50 mm高100 mm圓柱體。對(duì)加工后的試樣進(jìn)行篩選，首先剔除表面可見明顯裂紋的個(gè)別巖樣；再用游標(biāo)卡尺測(cè)其高徑，直徑測(cè)量方法為分三次測(cè)巖樣上部、中部、底部直徑后取平均值，巖樣高度同樣取其三處不同縱向切面高度平均值，剔除其中差異較大巖樣；最后用精度為0.1 g的電子天平測(cè)定巖樣質(zhì)量，剔除質(zhì)量差異較大者。最后選取巖樣直徑為48.5～49.1 mm，高度為99.8～100.6 mm，質(zhì)量為366.2～384.8 g，孔隙度為26.3%～28.8%。

1.2 試驗(yàn)方法

取3個(gè)巖樣為一組，因考慮泥巖受不同含水條件的影響，對(duì)4組巖樣進(jìn)行烘干制造干燥泥巖試樣，另取4組采用自由浸水法制作飽和樣本，具體操作為：稱得天然狀態(tài)試件質(zhì)量后，將巖樣置于水槽中，每隔2 h依次注水使水面高度達(dá)到巖樣高度的1/4、1/2、3/4，后注水完全浸沒使巖樣自由吸水48 h，取出試件并沾去表面水分并稱得其質(zhì)量。烘干試驗(yàn)即將試件置于烘箱中在105～110 ℃溫度下24 h，取出待其冷卻后稱取其質(zhì)量。后計(jì)算得到其飽和狀態(tài)含水率為16.477%，天然狀態(tài)下含水率為14.266%。將4組巖樣分別記為T1、T2、T3、T4，如表1所示依次對(duì)應(yīng)養(yǎng)護(hù)溫度為10 ℃、-20 ℃、-35 ℃、-50 ℃四種養(yǎng)護(hù)環(huán)境。將T1組密封后置于10℃環(huán)境養(yǎng)護(hù)72 h，T2組置于FDS-500型微機(jī)全自動(dòng)砼慢速凍融試驗(yàn)設(shè)備中以-20 ℃冷凍72 h，T3、T4組置于FORMA超低溫冰箱以-35 ℃與-50 ℃的環(huán)境冷凍72 h。

表1 巖樣分組Table 1 Sample group

單軸壓縮試驗(yàn)用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)WAW-EY600C進(jìn)行，加載方式為位移控制，加載速率為0.5 mm/min。測(cè)得其單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量，因巖樣的個(gè)體差異會(huì)導(dǎo)致單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)一定離散性。去掉每組巖樣中試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)差異較大者后取其平均值為其單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量，再通過統(tǒng)計(jì)和擬合，分析泥巖在含水率及低溫影響下力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 泥巖的單軸壓縮破壞模式

由于巖樣的含水率與溫度控制不同，低溫下孔隙水凍結(jié)成冰，T2飽和與天然狀態(tài)的巖樣側(cè)面出現(xiàn)少量白霜，T3與T4組巖樣側(cè)面被白霜完全覆蓋。

干燥巖樣在不同溫度下的單軸壓縮破壞模式主要為劈裂破壞，少量出現(xiàn)剪切破壞，如圖2(a)、2(b)所示，其斷面觸摸時(shí)顆粒感明顯且較粗糙，可見其破壞時(shí)摩擦力較大。

T1組天然與飽水狀態(tài)巖樣破壞形式以頂錐破壞、剪切破壞為主，破壞斷面觸感較細(xì)膩，有滑動(dòng)痕跡，可見其摩擦力較小。

T2組含水巖樣破壞形式與T1組基本一致，由于機(jī)械能向應(yīng)變能轉(zhuǎn)化時(shí)產(chǎn)生熱損耗，致其表面白霜融化，如圖2(c)、2(d)所示。

T3、T4組含水巖樣在單軸壓縮時(shí)端部效應(yīng)明顯，可見兩端表面冰霜融化，中部及中部靠近兩端處白霜無變化，如圖2(e)所示。其中部?jī)H有微小變形發(fā)生，應(yīng)變集中在兩端，此時(shí)單軸壓縮破壞模式多為端部剪切破壞，如圖2(f)所示。經(jīng)低溫凍結(jié)后的含水泥巖破壞斷面較粗糙，觸摸時(shí)有一定顆粒感，可見其摩擦力應(yīng)介于常溫時(shí)干燥泥巖與含水泥巖之間。

圖2 泥巖破壞模式Fig.2 Failure mode of mudstone

2.2 溫度與含水率影響下泥巖強(qiáng)度變化

粉砂質(zhì)泥巖在四種不同溫度下，飽和時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度最低，天然狀態(tài)次之，干燥時(shí)最高，遇水軟化效應(yīng)明顯。軟化程度用軟化系數(shù)KR來表示，為含水狀態(tài)下泥巖抗壓強(qiáng)度σω與干燥狀態(tài)下泥巖單軸抗壓σs強(qiáng)度之比，即KR=σω/σS。取不同溫度下的泥巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值對(duì)其軟化系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果列于表1，可見低溫對(duì)泥巖的遇水軟化效應(yīng)有明顯的抑制作用。

表2 泥巖不同溫度下的軟化系數(shù)Table 2 Softening coefficient of mudstone at different temperature

單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)曲線如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)泥巖的軟化效果隨含水率的增加而變強(qiáng)。通過對(duì)不同含水條件下的泥巖單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合，可以發(fā)現(xiàn)該試驗(yàn)曲線的變化近似于指數(shù)變化。

圖3 含水率與抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig.3 Curve of water content and compressive strength

通過試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，T1與T2組泥巖破壞形式接近，T3與T4組破壞形式接近，故采用關(guān)系式Y(jié)=Y0+Aexp(x/t)將四種溫度下的泥巖分兩組在不同含水率下的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合，建立粉砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系式，即式(1)和式(2)。

10 ℃與-20 ℃時(shí)：

Y=Y0-2.017exp(ω/0.095)-2.017

(1)

-35 ℃與-50 ℃時(shí)：

Y=Y0-1.308exp(ω/0.078)-1.308

(2)

式中Y0為當(dāng)前溫度干燥狀態(tài)下泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度，ω為其含水率。

由圖3可以看出，擬合曲線與試驗(yàn)曲線較吻合，即粉砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度與含水率的變化基本符合指數(shù)變化規(guī)律：隨著含水率的增加，粉砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。式中Y0值為干燥時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度，故而可將后面項(xiàng)視為孔隙水引起的附加強(qiáng)度，擬合關(guān)系式為泥巖抗壓強(qiáng)度的含水率修正式。

圖4為不同含水率下溫度對(duì)粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強(qiáng)度的影響試驗(yàn)曲線，該試驗(yàn)曲線變化規(guī)律同樣近似于指數(shù)變化，采用關(guān)系式Y(jié)=Y0+Aexp((x-x0)/t)對(duì)三種不同含水率的泥巖在不同溫度下的抗壓強(qiáng)度曲線進(jìn)行擬合，建立粉砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系式，即式(3)～式(6)。

圖4 溫度與抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig.4 Curve of temperature and compressive strength

飽和狀態(tài)(含水率為16.477%)時(shí)：

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

(3)

天然狀態(tài)(含水率為14.266%)時(shí)：

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

(4)

干燥狀態(tài)時(shí)：

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

(5)

式中Y0接近10 ℃時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度，三種狀態(tài)下A與t值接近，整合后重新擬合為：

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

(6)

式中Y0為10 ℃時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度。

由圖4可以看出，擬合曲線與試驗(yàn)曲線基本吻合，即粉砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度與溫度的變化規(guī)律基本符合指數(shù)變化規(guī)律：抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而增加。式中Y0為10 ℃時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度，故而可將后面項(xiàng)視為低溫引起的附加強(qiáng)度，擬合關(guān)系式為泥巖抗壓強(qiáng)度的溫度修正式。

2.3 溫度與含水率影響下泥巖彈性模量變化

泥巖彈性模量的試驗(yàn)曲線如圖5、圖6所示，泥巖彈性模量隨著含水率的升高而降低，其變化速率亦隨含水率升高而增加。同時(shí)彈性模量隨溫度降低而增加，在干燥時(shí)其變化規(guī)律基本為線性，在天然與飽和狀態(tài)時(shí)，彈性模量在10 ℃～-20 ℃范圍內(nèi)變化速率較小，-20 ℃～-50 ℃范圍內(nèi)變化速率顯著增大。

圖5 含水率與彈性模量變化曲線Fig.5 Curve of water content and modulus of elasticity

圖6 溫度與彈性模量變化曲線Fig.6 Curve of temperature and modulus of elasticity

3 含水率與溫度對(duì)泥巖力學(xué)性質(zhì)影響的機(jī)理

3.1 泥巖力學(xué)性質(zhì)變化的礦物成分機(jī)理

泥巖的泥級(jí)質(zhì)點(diǎn)含量往往超過50%，普遍具有泥狀結(jié)構(gòu)。高嶺石、蒙脫石等粒徑小于0.002mm的粘粒表面具有游離價(jià)原子和離子，其靜電引力可在粘粒表面形成靜電引力場(chǎng)[14]。屬于偶極體的水分子會(huì)被粘粒表面的靜電引力所吸引從而附著在粘粒表面，且排列整齊而緊密，靜電引力場(chǎng)的吸附力隨著水分子與粘粒間的距離縮短而增強(qiáng)，水分子的自由活動(dòng)能力逐漸減弱，根據(jù)其自由活動(dòng)能力的強(qiáng)弱將其劃分為強(qiáng)結(jié)合水(無法自由活動(dòng))、弱結(jié)合水與自由液態(tài)水。強(qiáng)結(jié)合水與弱結(jié)合水共同組成水化膜(圖7)，其力學(xué)性質(zhì)介于液體與固體之間。粘粒表面積較大，因此靜電引力場(chǎng)對(duì)結(jié)合水的吸附作用極為明顯，使得粘粒表面形成較厚的水化膜吸附層。當(dāng)相鄰粘粒間距較小時(shí)，各自形成的靜電引力場(chǎng)出現(xiàn)交集，重疊形成公共水化膜。當(dāng)各自水化膜加厚時(shí)，公共水化膜變小，水膠連接力亦隨之變小，泥巖膨脹產(chǎn)生塑性變形，強(qiáng)度降低；各自水化膜變薄時(shí)，公共水化膜變厚，水膠連接得到增強(qiáng)，泥巖變得更加堅(jiān)硬。

圖7 水化膜示意圖Fig.7 Schematic diagram of hydration film

試驗(yàn)表明，溫度與含水率對(duì)泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量均有較大影響。泥巖吸水后體積發(fā)生膨脹，其間粘粒各自形成的水化膜加厚，公共強(qiáng)結(jié)合水化膜消失，同時(shí)水壓力會(huì)在其內(nèi)部孔隙及微裂端部產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，增大孔隙及裂紋的體積，降低巖體的粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)，故而強(qiáng)度降低。

當(dāng)泥巖處于低溫環(huán)境下時(shí)，產(chǎn)生溫度應(yīng)變致使體積變小，粘粒間距變小，且因?yàn)樨?fù)溫的影響，水中能量大量散失，水分子的自由活動(dòng)能力減弱。此時(shí)粘粒間強(qiáng)結(jié)合水增多，自由液態(tài)水減少，各自水化膜變薄，公共水化膜加厚，水膠連接能力變強(qiáng)。同時(shí)孔隙水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)冰，產(chǎn)生凍粘現(xiàn)象，進(jìn)一步增強(qiáng)粘粒之間的連接能力，巖體粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)增加，泥巖整體強(qiáng)度提高。

3.2 破壞模式產(chǎn)生機(jī)理

泥巖的變形與破壞模式通常與其自身的微裂隙、粘粒間的空穴有密切聯(lián)系[15]，在應(yīng)力不斷增加時(shí)，空穴連通、裂紋擴(kuò)張合并直至形成宏觀裂紋，最后完全貫通形成破壞面。干燥時(shí)泥巖剪切向裂紋的發(fā)展受到較大摩擦力的限制而不易擴(kuò)張，張性裂紋更容易擴(kuò)張貫通，此時(shí)破壞面基本平行于σ1壓應(yīng)力方向，破壞形式即為劈裂破壞，屬于張性破壞；隨著含水率增大時(shí)，泥巖的內(nèi)摩擦系數(shù)減小，剪性裂紋受到摩擦力減小，更容易發(fā)展形成宏觀裂紋直至貫通為破壞面，因此破壞模式主要為剪切破壞與頂錐破壞；在負(fù)溫的影響下泥巖粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)均呈增大趨勢(shì)，整體強(qiáng)度提高，但由于端部效應(yīng)，巖樣端部受力變形后釋放應(yīng)變能，端部產(chǎn)生一定的熱損耗，使得該部位冰霜融化，溫度上升，負(fù)溫狀態(tài)受到抑制，受負(fù)溫影響而增大的內(nèi)摩擦系數(shù)隨溫度升高而發(fā)生回彈，造成整體巖性不均勻，端部較中部軟弱的現(xiàn)象，進(jìn)而在端部產(chǎn)生剪性破壞面。

4 結(jié) 論

通過對(duì)不同含水條件下的泥巖在-50 ℃～10 ℃進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，用ORIGIN對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并結(jié)合礦物成分與試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)其力學(xué)性質(zhì)變化機(jī)理進(jìn)行分析后，可得出如下結(jié)論：

1)孔隙水會(huì)使泥巖礦物之間的公共水化膜變薄，減弱泥巖礦物成分間的水膠連接，降低其粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)，泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度隨含水率ω增加呈指數(shù)降低，彈性模量隨含水率增加而降低，變化速率隨含水率的增加逐漸變大。

2)負(fù)溫能使泥巖礦物間的公共水化膜增厚，增強(qiáng)泥巖的水膠連接能力，增加其粘聚力與內(nèi)摩擦系數(shù)，單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度降低而增加，變化規(guī)律符合指數(shù)遞增；彈性模量亦隨溫度降低逐漸增加，干燥泥巖的彈性模量變化規(guī)律基本呈線性，在天然與飽和狀態(tài)時(shí)增長(zhǎng)速率先緩后急，變化拐點(diǎn)約為-20 ℃。

3)干燥巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)易發(fā)生張性破壞；天然狀態(tài)與飽水狀態(tài)的泥巖內(nèi)部微裂紋更易發(fā)生剪性擴(kuò)張，其單軸壓縮破壞模式多為剪性破壞，但在-35 ℃與-50 ℃時(shí)，端部效應(yīng)明顯，此時(shí)單軸壓縮破壞模式多為端部剪切破壞。