低溫凍結(jié)作用下砂質(zhì)泥巖基本力學(xué)特性試驗(yàn)研究

奚家米,楊更社,龐 磊,呂曉濤,劉方路

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西西安 710054)

低溫凍結(jié)作用下砂質(zhì)泥巖基本力學(xué)特性試驗(yàn)研究

奚家米,楊更社,龐 磊,呂曉濤,劉方路

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西西安 710054)

以砂質(zhì)泥巖為研究對(duì)象,對(duì)飽水狀態(tài)巖石試件進(jìn)行不同溫度(-30～20℃)、不同圍壓(6, 8,10 MPa)條件下的單軸壓縮試驗(yàn)及三軸壓縮試驗(yàn),分析了低溫對(duì)砂質(zhì)泥巖基本力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律,探討了抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度隨圍壓的變化。研究結(jié)果表明:低溫(0℃以下)對(duì)砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度特性和變形特性均有較大的影響,其抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、殘余強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的降低均有所提高,殘余強(qiáng)度呈衰減增長(zhǎng)趨勢(shì),而最大軸向應(yīng)變值隨著溫度的降低而不斷減小。圍壓對(duì)砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度特性的影響非常明顯,抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度均隨圍壓的增加呈線(xiàn)性增加。通過(guò)對(duì)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到一系列有意義的擬合曲線(xiàn)及關(guān)系表達(dá)式。

低溫凍結(jié);凍結(jié)巖石;砂質(zhì)泥巖;力學(xué)特性

巖石受環(huán)境溫度影響的熱力效應(yīng)長(zhǎng)期以來(lái)是巖石熱力學(xué)理論與應(yīng)用研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。寒區(qū)巖土工程、人工凍結(jié)工程使得工程結(jié)構(gòu)圍巖受到周期性低溫效應(yīng)作用或長(zhǎng)期處于低溫凍結(jié)狀態(tài),其強(qiáng)度特性與常溫狀態(tài)有很大的不同[1]。鑒于此,國(guó)內(nèi)外巖土工程及其相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者就低溫作用下巖體(石)力學(xué)特性變化方面已開(kāi)展了大量的研究。如李云鵬等[1-2]對(duì)花崗巖開(kāi)展了不同凍結(jié)溫度下的壓縮試驗(yàn),其抗壓強(qiáng)度、變形模量隨溫度降低呈增長(zhǎng)趨勢(shì),而泊松比變化相對(duì)較小;徐光苗、劉泉聲等[2-4]分別對(duì)紅砂巖和頁(yè)巖開(kāi)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(yàn),2種巖石的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨溫度降低而增大,巖石的含水狀態(tài)對(duì)巖石的凍結(jié)強(qiáng)度影響顯著;張慧梅等[5-6]對(duì)砂巖和頁(yè)巖進(jìn)行了凍融循環(huán)和壓縮試驗(yàn),分析了巖石的凍融損傷劣化過(guò)程,系統(tǒng)研究了巖石的強(qiáng)度與變形特性等隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律;李棟偉等[7]通過(guò)高圍壓固結(jié)、低溫凍結(jié)后再加卸載的試驗(yàn)方法模擬白堊系凍結(jié)軟巖地下工程施工應(yīng)力狀態(tài)的變化過(guò)程,提出了凍結(jié)軟巖黏彈塑非線(xiàn)性蠕變本構(gòu)力學(xué)模型;劉瑩等[8]對(duì)內(nèi)蒙鄂爾多斯地區(qū)白堊系巖層開(kāi)展了不同凍結(jié)溫度下的物理力學(xué)性能試驗(yàn),分析了單軸抗壓強(qiáng)度與溫度、含水率之間的相互影響關(guān)系;周科平等[9]對(duì)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(shí)驗(yàn),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(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系;楊更社等[10-14]分別以煤、砂巖為研究對(duì)象,開(kāi)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(yàn),獲得了不同溫度條件下巖石試件的基本力學(xué)參數(shù),并探討了參數(shù)值與凍結(jié)溫度的關(guān)系。

近年來(lái),西部地區(qū)掀起礦井建設(shè)的熱潮,由于西部地區(qū)煤炭資源大多埋藏深,且上覆巨厚富水白堊系軟巖地層,井筒建設(shè)多采用凍結(jié)法施工。低溫凍結(jié)作用下,巖石(體)力學(xué)特性參數(shù)會(huì)發(fā)生變化,若采用常溫下巖石(體)的參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行凍結(jié)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)果往往不盡合理。砂質(zhì)泥巖因其強(qiáng)度低而成為井筒凍結(jié)壁的最薄弱巖層之一,往往將其作為富水軟巖井筒凍結(jié)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵控制層位,因此,開(kāi)展凍結(jié)條件下砂質(zhì)泥巖的力學(xué)特性研究對(duì)凍結(jié)巖石力學(xué)理論研究和工程實(shí)際都具有重要意義。當(dāng)前,關(guān)于低溫凍結(jié)作用下砂質(zhì)泥巖力學(xué)特性的研究還不夠系統(tǒng),文獻(xiàn)[15]以砂質(zhì)泥巖為研究對(duì)象,開(kāi)展了不同溫度、圍壓條件下的壓縮試驗(yàn),但僅探討了溫度、圍壓對(duì)巖石試件抗壓強(qiáng)度的影響,研究成果不能滿(mǎn)足井筒凍結(jié)設(shè)計(jì)的需要。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有的凍土力學(xué)理論,利用西安科技大學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MTS-815型電液伺服試驗(yàn)機(jī),以砂質(zhì)泥巖為研究對(duì)象,開(kāi)展不同溫度條件下單軸壓縮、三軸壓縮試驗(yàn),分析巖石強(qiáng)度特性參數(shù)(抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角和殘余強(qiáng)度)和變形特性參數(shù)(彈性模量)與溫度、圍壓之間的關(guān)系,并就凍結(jié)溫度對(duì)相應(yīng)參數(shù)值的影響規(guī)律進(jìn)行了探討。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

砂質(zhì)泥巖巖樣取自甘肅省新莊煤礦副井井筒,從施工現(xiàn)場(chǎng)取得新鮮完整大巖塊,用水鉆法加工成?50mm×100 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣。先剔除外觀有缺陷及視覺(jué)上差別明顯的試件,再通過(guò)RSM-SY5智能聲波檢測(cè)儀測(cè)定試件的縱波波速,篩選波速相近的試件作為試驗(yàn)巖樣。

對(duì)巖石試樣進(jìn)行飽水處理。把選好的巖樣放入抽氣容器中,密封容器,抽取容器中的空氣,先抽氣2 h后再向容器中放入蒸餾水,并繼續(xù)抽氣4 h直至無(wú)氣泡溢出。然后將巖樣在水中浸泡24 h以上,稱(chēng)取飽和后的巖樣在空氣中質(zhì)量及水中質(zhì)量,以此得到巖樣的飽和含水量和孔隙度。常溫條件下砂質(zhì)泥巖的天然密度、飽和密度、飽和含水量及孔隙度分別為2.16 g/cm3,2.27 g/cm3,5.71%,12.25%。

1.2 試驗(yàn)方案

為使得實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度和圍壓與工程實(shí)際基本接近,根據(jù)井筒凍結(jié)時(shí)鹽水溫度(-30℃)、凍結(jié)壁平均溫度(-8.84℃)以及砂質(zhì)泥巖所在層位的壓力(8 MPa左右)。開(kāi)展不同溫度(20,-5,-10,-20,-30℃)條件下單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn),三軸壓縮試驗(yàn)中每級(jí)溫度對(duì)應(yīng)3個(gè)圍壓(6,8,10 MPa)。每級(jí)溫度、圍壓下取3塊巖樣進(jìn)行試驗(yàn),取平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

取飽和巖樣,用乳膠套密封好,并逐一編號(hào),放入低溫控溫箱中凍結(jié),凍結(jié)速率為1℃/h。凍結(jié)48 h后,取出試樣,在壓縮試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展試驗(yàn),記錄荷載-位移曲線(xiàn)信息。單軸、三軸壓縮試驗(yàn)均采用軸向位移速率控制方式,控制速度為0.002 mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同圍壓條件的壓縮試驗(yàn)結(jié)果

由壓縮試驗(yàn)得到砂質(zhì)泥巖在不同溫度、圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),如圖1所示。

圖1 砂質(zhì)泥巖在不同溫度、圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.1 Sandymudstone stress-strain curves for different temperature and confining pressure

2.2 低溫作用下砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度特性

(1)砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度與溫度、圍壓的關(guān)系。

圖2 不同圍壓條件下抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系Fig.2 Relations between peak intensity and temperature for different confining pressure

圖3 不同溫度條件下抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系Fig.3 Relations between confining pressure and peak intensity under different temperature

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別繪制了砂質(zhì)泥巖不同圍壓條件下抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)以及不同溫度條件下抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線(xiàn),如圖2,3所示。至0℃),抗壓強(qiáng)度變化幅度較小;當(dāng)溫度降至0℃以下時(shí),抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低顯著提高。例如圍壓為0時(shí),當(dāng)溫度從20℃降低到-30℃,砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度從8.47 MPa增加到了20.17 MPa,提高了138.13%。由此可以得出,溫度(特別是負(fù)溫)是影響飽和砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。由圖3可以看出,砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增加幾乎呈線(xiàn)性增加。在溫度為20℃條件下,圍壓從0增加到10 MPa時(shí),砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度從8.47 MPa增加到了25.21 MPa,提高了197.64%,在其他溫度條件下時(shí),隨著圍壓的增加,其抗壓強(qiáng)度也有相應(yīng)的提高。圍壓是影響砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度的另一個(gè)重要因素。相對(duì)而言,圍壓對(duì)砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)值大于凍結(jié)溫度。

通過(guò)對(duì)砂質(zhì)泥巖在不同圍壓條件下溫度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系和在不同溫度條件下圍壓與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系的擬合,可將其抗壓強(qiáng)度σc按照式(1)表示為圍壓σ3的函數(shù),將抗壓強(qiáng)度σc按照式(2)表示為溫度T的函數(shù):

式中,k,b,m,n,l是與試驗(yàn)形式有關(guān)的參數(shù)。

不同溫度狀態(tài)下,砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度隨圍壓變化的擬合曲線(xiàn)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1,不同圍壓狀態(tài)下,砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的擬合曲線(xiàn)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。圍壓/ MPa m n l相關(guān)系數(shù)

表1 不同溫度狀態(tài)下砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度隨圍壓變化的擬合曲線(xiàn)相關(guān)參數(shù)Table 1 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone com pressive strength w ith confining pressureunder different temperature

表2 不同圍壓狀態(tài)下砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的擬合曲線(xiàn)相關(guān)參數(shù)Table 2 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone com pressive strength w ith tem perature for different confining pressu re

式中,m′,b′分別為擬合直線(xiàn)的斜率和在縱坐標(biāo)軸上的截距。

為直觀反映溫度對(duì)砂質(zhì)泥巖黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響,分別將計(jì)算結(jié)果繪制散點(diǎn)圖,并進(jìn)行曲線(xiàn)擬合,如圖4所示。

由表3,圖4可以看出,砂質(zhì)泥巖在飽和含水狀態(tài)下,其黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨溫度的降低而增加,溫度由20℃降低至-30℃時(shí),黏聚力由5.27 MPa增加到16.21 MPa,強(qiáng)度提高了207.59%,內(nèi)摩擦角由15.26°增加到27.39°,增加了79.49%。相對(duì)而言,低溫對(duì)飽和砂質(zhì)泥巖黏聚力的影響程度高于內(nèi)摩擦角。

(2)砂質(zhì)泥巖黏聚力、內(nèi)摩擦角與溫度的關(guān)系。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),試樣的破壞形式屬于剪切型破壞。根據(jù)不同圍壓時(shí)砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度值,以圍壓為橫坐標(biāo)值,抗壓強(qiáng)度為縱坐標(biāo)值,繪制不同圍壓下的最大主應(yīng)力-最小主應(yīng)力關(guān)系曲線(xiàn),按照莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則(式(3))來(lái)計(jì)算砂質(zhì)泥巖的黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)值,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同溫度下砂質(zhì)泥巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角Table 3 Cohesion and internal friction angle of sandy mudstone for differen t tem perature

圖4 砂質(zhì)泥巖黏聚力、內(nèi)摩擦角和溫度間的關(guān)系Fig.4 Relationship of cohesion,friction angle and temperature of sandymudstone

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行曲線(xiàn)擬合,黏聚力和內(nèi)摩擦角與溫度的關(guān)系分別滿(mǎn)足二次和一次多項(xiàng)式:

(3)砂質(zhì)泥巖殘余強(qiáng)度與溫度、圍壓的關(guān)系。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,可以得到砂質(zhì)泥巖不同溫度和圍壓條件下的殘余強(qiáng)度,分別繪制了砂質(zhì)泥巖不同圍壓條件下殘余強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)以及不同溫度條件下殘余強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系曲線(xiàn),如圖5所示。

由圖5(a)可以看出,在不同溫度條件下,砂質(zhì)泥巖的殘余強(qiáng)度隨著圍壓的加大而增加。圍壓由0增加到10 MPa,溫度為20℃時(shí),砂質(zhì)泥巖的殘余強(qiáng)度由4.75 MPa增加到11.57 MPa,提高了143.57%;在相同的圍壓變化梯度下,溫度為-5,-10,-20,-30℃時(shí),殘余強(qiáng)度分別提高了138.17%,87.68%, 74.77%,70.24%。殘余強(qiáng)度增加幅度呈減小趨勢(shì)。

圖5 砂質(zhì)泥巖殘余強(qiáng)度與圍壓和溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship of sandy mudstone residual strength, confining pressure and different temperature

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),殘余強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系呈現(xiàn)出一種線(xiàn)性增大的趨勢(shì),可用式(6)進(jìn)行表達(dá)。

其中,σr為殘余強(qiáng)度值。各種溫度狀態(tài)下擬合曲線(xiàn)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 不同溫度狀態(tài)下砂質(zhì)泥巖殘余強(qiáng)度隨圍壓變化的擬合曲線(xiàn)相關(guān)參數(shù)Table 4 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone residual strength with confining pressure urder different tem peratu re

由圖5(b)可以看出,在不同圍壓條件下,砂質(zhì)泥巖的殘余強(qiáng)度隨著溫度的降低呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。溫度在正溫區(qū)間內(nèi)(20℃降至0℃),殘余強(qiáng)度變化幅度較小;當(dāng)溫度降至0℃以下時(shí),殘余強(qiáng)度隨著溫度的降低顯著提高。溫度由20℃降低到-30℃,圍壓為0℃時(shí),砂質(zhì)泥巖的殘余強(qiáng)度由4.75 MPa增加到14.88 MPa,提高了207.58%;在相同的溫度變化梯度下,圍壓為6,8,10 MPa時(shí),殘余強(qiáng)度分別提高了306.48%,324.35%,174.94%。以圍壓為0為例,溫度由20℃降低到-5℃時(shí),其值由4.75 MPa增加到6.13 MPa,提高了29.05%;溫度由-5℃降低到-10℃時(shí),其值提高了49.59%;溫度由-10℃降低到-20℃時(shí),其值提高了42.2%;溫度由-20℃降低到-30℃時(shí),其值提高了14.11%。由此可以得出,圍壓一定時(shí),砂質(zhì)泥巖的殘余強(qiáng)度隨溫度的降低呈衰減增長(zhǎng)趨勢(shì),即增長(zhǎng)比率逐漸減小。

在不同圍壓條件下,溫度對(duì)其殘余強(qiáng)度的影響具體可以通過(guò)式(7)進(jìn)行表達(dá)。

其中,α,β為與試驗(yàn)形式有關(guān)的參數(shù)。各種圍壓狀態(tài)下擬合曲線(xiàn)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 不同圍壓狀態(tài)下砂質(zhì)泥巖殘余強(qiáng)度隨溫度變化的擬合曲線(xiàn)相關(guān)參數(shù)Table 5 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone residual strength w ith tem perature for different confining pressure

試驗(yàn)結(jié)果表明,飽和狀態(tài)下砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力和殘余強(qiáng)度均隨溫度的降低而有不同程度的提高(主要發(fā)生在溫度降至0℃以后),其主要原因是:溫度降至0℃后,飽和試件中裂隙水和孔隙水凝結(jié)成冰(水凝結(jié)成冰的比例隨凍結(jié)溫度的降低而逐漸增大),充填了巖石試件內(nèi)部裂隙和孔隙,同時(shí),也提高了巖石試件內(nèi)部微裂紋的黏結(jié)作用,以上是導(dǎo)致飽和砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度大幅度提高的主要原因。另外,溫度的降低也會(huì)導(dǎo)致巖石顆粒體積產(chǎn)生收縮,顆粒之間排列更加緊密,從而使得巖石試件強(qiáng)度略有提高。另外,圍壓也是砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度提高的重要因素。

2.3 凍結(jié)砂質(zhì)泥巖變形特性試驗(yàn)

(1)砂質(zhì)泥巖彈性模量與溫度的關(guān)系。

選取瞬時(shí)抗壓強(qiáng)度的50%與其所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)?0的比值作為試樣的彈性模量值。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可得砂質(zhì)泥巖不同溫度條件下的彈性模量,彈性模量與溫度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 砂質(zhì)泥巖彈性模量與溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between the elasticmodulus and temperature of sandy mudstone

由圖6可以看出,砂質(zhì)泥巖彈性模量隨溫度的降低有增加的趨勢(shì)。溫度在正溫區(qū)間內(nèi)(20℃降至0℃),彈性模量幾乎無(wú)變化;當(dāng)溫度降至0℃以下時(shí),殘余強(qiáng)度隨著溫度的降低顯著提高。溫度由20℃降低到-30℃、圍壓為0時(shí),砂質(zhì)泥巖的彈性模量由0.89 GPa增加到2.31 GPa,提高了159.55%;在相同的溫度變化梯度下,圍壓為6,8,10 MPa時(shí),彈性模量分別提高了320%,347.72%,234.56%。經(jīng)擬合,彈性模量與溫度的關(guān)系可用式(8)來(lái)表達(dá)。

其中,E為彈性模量。各參數(shù)擬合數(shù)值見(jiàn)表6。

表6 不同圍壓狀態(tài)下砂質(zhì)泥巖彈性模量隨溫度變化的擬合曲線(xiàn)相關(guān)參數(shù)Table 6 Variation curve fitting parameters of sandy mudstone elastic modulus w ith tem perature for different confining pressure

(2)砂質(zhì)泥巖最大軸向應(yīng)變與溫度的關(guān)系。

為了解溫度對(duì)砂質(zhì)泥巖的最大軸向應(yīng)變的影響,繪制了不同圍壓下砂質(zhì)泥巖的最大軸向應(yīng)變與溫度關(guān)系圖,如圖7所示。

圖7 砂質(zhì)泥巖最大軸向應(yīng)變與溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between maximum axial strain and temperature of sandy mudstone

由圖7可以看出,不同圍壓條件下,砂質(zhì)泥巖的最大軸向應(yīng)變值均隨著溫度的降低而不斷減小。以圍壓10 MPa為例,溫度由20℃降低到-30℃時(shí),最大軸向應(yīng)變由1.365%降低到1.112%。根據(jù)擬合曲線(xiàn),砂質(zhì)泥巖最大軸向應(yīng)變與溫度基本上呈線(xiàn)性遞減。由此可以說(shuō)明,在相同圍壓下溫度的降低使試樣逐漸向脆性轉(zhuǎn)化。

3 結(jié) 論

(1)溫度對(duì)砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度特性有所影響,總體表現(xiàn)為強(qiáng)度基本參數(shù)值均隨溫度的降低而有不同程度的增大,尤其在低溫(0℃以下)作用下,其抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角和殘余強(qiáng)度有大幅度的提高,殘余強(qiáng)度隨溫度的降低呈衰減增長(zhǎng)趨勢(shì)。其主要原因是,低溫作用下巖石中水凝結(jié)成冰,充填了內(nèi)部裂隙和孔隙,提高了巖石試件內(nèi)部微裂紋的黏結(jié)作用,同時(shí),巖石顆粒之間排列更加緊密,導(dǎo)致砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度大幅度提高。

(2)砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度隨圍壓的增加呈線(xiàn)性增加。相對(duì)而言,圍壓對(duì)砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度的影響大于溫度。

(3)砂質(zhì)泥巖的變形特性參數(shù)也受溫度的變化而改變。低溫(0℃以下)作用下,彈性模量隨著溫度的降低顯著增長(zhǎng),而最大軸向應(yīng)變值隨著溫度的降低而不斷減小。溫度的降低使砂質(zhì)泥巖逐漸向脆性轉(zhuǎn)化。

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Experim ental study on basic mechanical behaviors of sandy mudstone under low freezing tem perature

XI Jia-mi,YANG Geng-she,PANG Lei,LüXiao-tao,LIU Fang-lu

(School ofArchitecture and Civil Engineering,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

In order to get the basic mechanical properties of sandymudstone for the investigation,water-saturation rock samples were tested by uniaxial and triaxial compressive tests under different temperatures(-30-20℃)and different conditions of confining pressure(6,8,10 MPa).The effect of low temperature on the basic mechanical parameters of sandymudstone was analyzed,and compressive strength and residual strength were discussed along with the change of the confining pressure test.The results show as follows:low temperature(below 0℃)has great influence on strength properties and deformation characteristics of sandymudstone,and compressive strength,cohesion,internal friction angle,residual strength and elastic modulus increase with the decrease of temperature;residual strength has an attenuation increasing trend,and themaximum axial strain decreaseswith the decrease of temperature.Confining pressure has great influence on strength characteristics of sandy mudstone,and compressive strength and residual strength increase linearly with the increase of confining pressure.By analyzing a lot of experimental data,getting a series of fitting curves and their relational expressions.

low freezing temperature;frozen rock;sandy mudstone;mechanical properties

TD313;TU45

A

0253-9993(2014)07-1262-07

奚家米,楊更社,龐 磊,等.低溫凍結(jié)作用下砂質(zhì)泥巖基本力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(7):1262-1268.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0533

Xi Jiami,Yang Gengshe,Pang Lei,et al.Experimental study on basicmechanical behaviors of sandymudstone under low freezing temperature[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1262-1268.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0533

2014-04-21 責(zé)任編輯:王婉潔

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272340);陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011JM5002)

奚家米(1974—),男,安徽蕪湖人,副教授。Tel:029-85587312,E-mail:xijm@xust.edu.cn