不同負(fù)溫對(duì)凍結(jié)飽和砂巖力學(xué)特性的影響

趙濤 楊更社 任俊童 韓力 賈海梁

摘 要：寒區(qū)工程普遍面臨低溫帶來的各種工程災(zāi)害問題，其中巖土體凍結(jié)后強(qiáng)度特性的變化是核心誘因之一。巖土體凍結(jié)后強(qiáng)度提高，有利于巖土體的穩(wěn)定。但在其解凍過程中強(qiáng)度會(huì)發(fā)生顯著弱化，可能會(huì)引發(fā)工程災(zāi)害，因此必須研究不同負(fù)溫下凍結(jié)巖石的力學(xué)特性。對(duì)常溫（20 ℃）及不同負(fù)溫條件下（-2，-4，-6，-8，-10，-12，-15，-20 ℃）砂巖的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度特性進(jìn)行測(cè)試。研究結(jié)果表明：凍結(jié)溫度低于-10 ℃時(shí)，巖石主要出現(xiàn)脆性破壞;凍結(jié)溫度高于-10 ℃時(shí)，巖石以塑-彈性破壞為主。凍結(jié)溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有顯著影響，凍結(jié)溫度越低，強(qiáng)度越大，-20 ℃時(shí)抗壓強(qiáng)度是常溫下的3倍，抗拉強(qiáng)度是常溫下的4.8倍。不同溫度范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化速率不同，-2～0 ℃時(shí)其變化速率均達(dá)到最大值，抗壓強(qiáng)度變化速率為6 MPa/℃，抗拉強(qiáng)度變化速率為0.6 MPa/℃.凍結(jié)溫度越低，彈性模量越大，0～-8 ℃時(shí)彈性模量變化速率為1.125 MPa/℃，-10～-20℃時(shí)變化速率為0.15 MPa/℃.綜上分析，不同凍結(jié)溫度下孔隙冰和未凍水的含量不同，導(dǎo)致不同溫度下巖石抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度差異巨大。關(guān)鍵詞：砂巖;凍結(jié)溫度;單軸抗壓強(qiáng)度;抗拉強(qiáng)度;中圖分類號(hào)：TU 458

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2020）06-0996-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0609開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Influence of temperatures on the mechanical properties

of frozen saturated sandstone

ZHAO Tao，YANG Geng-she，REN Jun-tong，HAN Li，JIA Hai-liang

（College of Civil and Architectural? Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：

There often occur engineering disasters in cold area projects due to

by low temperature，and one of the core causes is the change of strength characteristics after rock and soil

freeze.Freezing strengthens saturated porous rocks which increases the stability of rock mass，on the other hand，thawing will significantly weaken frozen rocks and may well cause engineering disasters.In this paper，the compressive strength and resistance of sandstone under different temperature conditions（20，-2，-4，-6，-8，-10，-12，-15，-20 ℃） was tested as well as tensile strength.The results show that：when the freezing temperature is lower than -10 ℃，the rock mainly exhibits brittle failure;when the freezing temperature is higher than -10 ℃，the rock is mainly plastic-elastic failure.The freezing temperature has a significant effect on tensile strength and compressive strength.The lower the freezing temperature，the higher the strength.The compressive strength at -20 ℃ is three times that at normal temperature，and the tensile strength is 4.8 times at normal temperature.The tensile strength and tensile strength vary with temperature in different temperature ranges.The rates of both strength change reach the maximum at -2～0 ℃，0.6 MPa/℃ and 6 MPa/℃ respectively.The lower the freezing temperature，the larger the elastic modulus.The rate of change of elastic modulus at 0～-8 ℃ is 1.125 MPa/℃，and the rate of change at -10～-20 ℃ is 0.15 MPa/℃.In summary，the content of pore ice and unfrozen water at different freezing temperatures is different，resulting in a large difference in compressive strength and tensile strength of rock at different temperatures.Key words：sandstone;freezing temperature;uniaxial compressive strength;tensile strength

0 引 言

中國(guó)寒區(qū)分布廣泛，主要集中在西北和東北地區(qū)。隨著“一帶一路”倡議及“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，越來越多的寒區(qū)工程將要在一帶一路沿線地區(qū)開展，高寒地區(qū)工程活動(dòng)必然會(huì)面對(duì)凍結(jié)巖石的強(qiáng)度特性問題[1-2]。人工凍結(jié)法是富水軟巖地層中煤礦豎井支護(hù)的常用方法。凍結(jié)巖層的力學(xué)特性是凍結(jié)法施工設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一[3-4]。在凍結(jié)壁融化階段凍結(jié)巖層的強(qiáng)度將顯著降低，豎井的穩(wěn)定性將受影響。考慮到自然環(huán)境下溫度條件的復(fù)雜多變，以及凍結(jié)法施工中不同位置巖層凍結(jié)溫度的差異，研究不同負(fù)溫下凍結(jié)巖石的力學(xué)特性具有重要的工程意義[5-8]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低溫條件下巖石的力學(xué)特性已有若干研究。INADA等以花崗巖和安山巖為研究對(duì)象，分為干燥和飽和2種含水狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行了單軸壓縮和巴西劈裂試驗(yàn)，探究了在-160～0 ℃這2種巖石的強(qiáng)度變化[9]。PARK等通過研究了巖石在-160～40 ℃溫度范圍內(nèi)的單軸壓縮強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性，表明隨著溫度的降低這些力學(xué)性質(zhì)都有增強(qiáng)的趨勢(shì)，并且這一變化趨勢(shì)對(duì)含水巖石比干燥巖石表現(xiàn)的更明顯[10]。KODAMA等取日本的凝灰?guī)r和安山巖為研究對(duì)象，探究含水量、溫度、加載速率對(duì)凍結(jié)狀態(tài)下該巖樣的強(qiáng)度的影響作用[11]。徐光苗等對(duì)江西紅砂巖、湖北頁巖進(jìn)行了低溫條件下的單軸及三軸壓縮試驗(yàn)，分析了試樣破壞過程的變形規(guī)律，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，以及干燥和飽和條件下試樣的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量，三軸抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度參數(shù)c，值隨溫度的變化關(guān)系[12]。單仁亮等以鄂爾多斯梅林廟礦的紅砂巖為研究對(duì)象，針對(duì)不同凍結(jié)溫度及不同圍壓條件下飽水紅砂巖進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)[13]。王開林等以北海道登別凝灰?guī)r為研究對(duì)象，在5級(jí)不同的應(yīng)變速率下，將試驗(yàn)所需的自然干燥巖樣和飽和巖樣分別凍結(jié)，凍結(jié)完成后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究應(yīng)變速率對(duì)凍結(jié)狀態(tài)下的試樣的強(qiáng)度、變形等力學(xué)性質(zhì)的影響作用[14]。楊更社等對(duì)胡家河煤礦現(xiàn)場(chǎng)采集的煤巖和砂巖展開了單軸及三軸壓縮試驗(yàn)，研究不同圍壓及不同溫度條件下2種巖石的強(qiáng)度特性，并分析圍壓與溫度的變化對(duì)巖石的影響規(guī)律[15]。奚家米等以砂質(zhì)泥巖為研究對(duì)象，控制溫度和圍壓2個(gè)變量進(jìn)行單軸及三軸壓縮試驗(yàn)，探究不同圍壓與不同溫度條件下試樣的強(qiáng)度特性和變形模量隨兩因素的變化規(guī)律[16]。訾凡等研究了含水量對(duì)凍結(jié)砂巖力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)在低飽和度的狀態(tài)下，凍結(jié)巖石的強(qiáng)度仍取決于孔隙中的未凍水含量;而在高飽和度的區(qū)間，孔隙冰的含量決定了其凍結(jié)強(qiáng)度;對(duì)于接近飽和的巖石，其凍結(jié)強(qiáng)度還受到凍脹損傷的影響[17]。楊更社等以白堊系地層富水軟巖為研究對(duì)象，系統(tǒng)地對(duì)飽和砂巖進(jìn)行單軸-三軸強(qiáng)度壓縮，分析圍壓和溫度對(duì)飽和砂巖強(qiáng)度的影響規(guī)律以及破壞形態(tài)，并提出適用此飽和砂巖考慮溫度條件下的非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則[18]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)凍結(jié)砂巖在不同負(fù)溫條件下的力學(xué)性質(zhì)已有不少研究，但大多選擇3～5個(gè)凍結(jié)溫度[19-20]，對(duì)其力學(xué)性質(zhì)隨著溫度的變化趨勢(shì)研究仍不夠系統(tǒng)和精細(xì)。

文中以砂巖為研究對(duì)象，設(shè)定9個(gè)不同的測(cè)試溫度（分別為室溫20，-2，-4，-6，-8，-10，-12，-15，-20 ℃），進(jìn)行飽和砂巖的單軸壓縮及巴西劈裂試驗(yàn)，得到其強(qiáng)度和變形參數(shù)隨凍結(jié)溫度的變化規(guī)律[18]，并分析了不同負(fù)溫對(duì)凍結(jié)砂巖力學(xué)特性的影響機(jī)制。

1 試樣制備與試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用試樣取自一塊新鮮的未風(fēng)化巖塊。根據(jù)《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》誤差要求，將試樣加工成直徑50 mm、長(zhǎng)度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣用于單軸抗壓強(qiáng)試驗(yàn);加工成直徑50 mm、長(zhǎng)度25 mm的圓盤樣用于巴西劈裂試驗(yàn)。

采用NM-4B非金屬超聲檢測(cè)分析儀對(duì)試樣波速進(jìn)行測(cè)試，選取波速相近、表面平整且無缺陷和裂隙的試樣用于試驗(yàn)。試樣的天然含水率平均值為0.24，孔隙率平均值為19.58%，波速平均值為2.67 km/s.試驗(yàn)樣品如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 不同負(fù)溫下巖石單軸壓縮強(qiáng)度

單軸壓縮試驗(yàn)采用WES-300B/600B數(shù)顯萬能試驗(yàn)機(jī)及高精度環(huán)境箱（圖2）。試驗(yàn)機(jī)量程為300 kN，精度≤顯示值的1%，最大負(fù)荷為300 kN，最大拉伸空間為550 mm.該套設(shè)備在加壓過程中可對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，最大限度的還原了寒區(qū)負(fù)溫地質(zhì)環(huán)境條件。

用于單軸壓縮試驗(yàn)的試樣共9組，溫度點(diǎn)分別為20 ℃（室溫）、-2，-4，-6，-8，-10，-12，-15，-20 ℃，每個(gè)溫度3個(gè)樣。將試樣飽和后用保鮮膜包裹，并置于-20 ℃環(huán)境箱中凍結(jié)24h后方可用于試驗(yàn)。

單軸壓縮試驗(yàn)中，將壓力機(jī)上的環(huán)境箱溫度設(shè)定為目標(biāo)溫度，將試樣放入環(huán)境箱并保持5 h后，以5 kN/min的速率對(duì)試驗(yàn)壓縮至破壞。

1.2.2 不同負(fù)溫下巖石抗拉強(qiáng)度

用于巴西劈裂的試驗(yàn)共9組，溫度點(diǎn)分別為20 ℃（室溫）、-2，-4，-6，-8，-10，-12，-15，-20 ℃，每個(gè)溫度3個(gè)試樣。將試樣飽和后用保鮮膜包裹，并置于-20 ℃環(huán)境箱中凍結(jié)24 h后方可用于試驗(yàn)。

劈裂試驗(yàn)仍采用圖2所示的壓力系統(tǒng)，采用弧形壓頭。將壓力機(jī)上的環(huán)境箱溫度設(shè)定為目標(biāo)溫度，將試樣放入環(huán)境箱并保持2 h后，以5 kN/min的速率加載至試樣破壞。記錄各個(gè)巖樣的峰值荷載，并計(jì)算抗拉強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同負(fù)溫下砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線

不同溫度下巖石峰值強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，且峰值應(yīng)變均未大于3%，隨溫度的降低，峰值應(yīng)變呈先增大后減小的趨勢(shì)變化（圖3）。-10 ℃～常溫的巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為塑-彈性，峰值后，巖樣具有殘余強(qiáng)度;-12～-20 ℃應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段較長(zhǎng)，巖石的壓密階段逐漸變短，曲線應(yīng)力降較短，巖樣表現(xiàn)為脆性斷裂。

2.2 不同負(fù)溫下砂巖單軸抗壓強(qiáng)度

巖石單軸抗壓強(qiáng)度隨凍結(jié)溫度的變化如圖4所示，從圖中可以看出，凍結(jié)溫度越低，單軸抗壓強(qiáng)度越大，凍結(jié)溫度越高，單軸抗壓強(qiáng)度越小。且不同溫度范圍內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化速率不同，凍結(jié)溫度在-20～-15 ℃范圍內(nèi)時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度變化很小，約為1 MPa/℃，凍結(jié)溫度在-15～-2 ℃范圍內(nèi)時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度變化速率相對(duì)較快，約為1.77 MPa/℃.凍結(jié)溫度在-2～0 ℃范圍內(nèi)時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度變化速率最快，約為6 MPa/℃.凍結(jié)溫度為-20 ℃時(shí)巖石強(qiáng)度是常溫狀態(tài)下的3倍。

2.3 不同負(fù)溫下砂巖彈性模量

巖石的彈性模量隨凍結(jié)溫度的變化如圖5所示。凍結(jié)溫度越低，彈性模量越大，凍結(jié)溫度越高，彈性模量越小。且在不同的溫度范圍內(nèi)彈性模量隨溫度的變化速率不同，凍結(jié)溫度在-20～-10 ℃范圍內(nèi)時(shí)，彈性模量隨溫度的變化速率緩慢，約為0.15 MPa/℃;凍結(jié)溫度在-8～0 ℃范圍內(nèi)時(shí)，彈性模量隨溫度變化速率較快，約為1.125 MPa/℃.凍結(jié)溫度為-20 ℃時(shí)巖石的彈性模量約為常溫狀態(tài)下的1.5倍。

2.4 不同負(fù)溫下砂巖的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

巖石的抗拉強(qiáng)度隨凍結(jié)溫度的變化如圖6所示，凍結(jié)溫度越低，抗拉強(qiáng)度越大，凍結(jié)溫度越高，抗拉強(qiáng)度越小，且在不同的溫度范圍內(nèi)抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化速率不同。凍結(jié)溫度在-20～-15 ℃范圍內(nèi)時(shí)，抗拉強(qiáng)度基本不隨溫度變化;凍結(jié)溫度在-15～-2 ℃范圍內(nèi)時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨溫度變化速率相對(duì)較慢，約為0.12 MPa/℃;凍結(jié)溫度在-2～0 ℃范圍內(nèi)時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨溫度降低速率最快，約為0.6 MPa/℃.凍結(jié)溫度為-20 ℃時(shí)巖石的抗拉強(qiáng)度約為常溫狀態(tài)下的4.8倍。

2.5 凍結(jié)砂巖破環(huán)模式

單軸壓縮過程中不同凍結(jié)溫度下試樣破壞以剪切破壞為主，破裂面與荷載方向呈一定夾角（圖7（a）），也有部分試樣產(chǎn)生沿荷載方向的劈裂而發(fā)生劈裂破壞（圖7（b））。

不同凍結(jié)溫度下，巴西劈裂破壞均為標(biāo)準(zhǔn)破壞模式，主要出現(xiàn)沿荷載方向的劈裂破壞（圖7（c））。

3 不同負(fù)溫對(duì)砂巖力學(xué)特性的影響機(jī)制定義

Rc/t

為不同溫度下的巖石強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)，表示為

Rc/t=σc/t

σ0c/t

（1）

式中

σc/t為各負(fù)溫下的抗壓和抗拉強(qiáng)度，MPa;

σ0c/t為初始抗壓和抗拉強(qiáng)度，MPa.不同溫度下的巖石強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)如圖8所示。從圖中可以看出，凍結(jié)溫度越低，巖石抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)越大，且不同凍結(jié)溫度下巖石抗拉強(qiáng)度的強(qiáng)化幅度比抗壓強(qiáng)度大。

在-2～0 ℃的負(fù)溫范圍內(nèi)時(shí)，巖石單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)均隨溫度的變化幅度較大。在-2～-15 ℃范圍內(nèi)時(shí)巖石抗拉強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)隨溫度增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小，凍結(jié)溫度在-15～-20 ℃范圍內(nèi)時(shí)巖石抗拉強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)基本不變，單軸抗壓強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)緩慢增加。

巖石在不同溫度下凍結(jié)后，部分孔隙水凍結(jié)形成孔隙冰，未凍的孔隙水以未凍水膜的形式存在，未凍水膜厚度決定了冰對(duì)巖石礦物顆粒骨架的膠結(jié)強(qiáng)度。不同的負(fù)溫條件下冰和液態(tài)水所占的比例不同，對(duì)砂巖強(qiáng)度的影響也不同。砂巖中的孔隙冰主要有支撐和膠結(jié)2種作用。

在-2℃～0℃的負(fù)溫范圍內(nèi)時(shí)，部分孔隙水凍結(jié)以冰的形式存在，孔隙冰的支撐作用使得巖石單軸抗壓強(qiáng)度升高，此時(shí)孔隙冰對(duì)巖石骨架具有一定的粘結(jié)作用，巖石抗拉強(qiáng)度升高[27]。凍結(jié)溫度在-2～-15 ℃時(shí)，冰與巖石骨架之間的未凍水膜變薄，冰對(duì)巖石骨架的膠結(jié)強(qiáng)度升高，巖石抗拉強(qiáng)度和單軸抗壓強(qiáng)度逐漸升高。溫度在-15～-20 ℃時(shí)，孔隙冰生長(zhǎng)速率很慢，巖石單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化小[28]。

上述結(jié)果表明，在-2～0 ℃的負(fù)溫范圍內(nèi)時(shí)凍結(jié)巖石的強(qiáng)度變化最為劇烈。對(duì)于采用凍結(jié)法施工的工程，在凍結(jié)階段應(yīng)確保設(shè)計(jì)凍結(jié)范圍內(nèi)巖層溫度低于-2 ℃，如此才能確保巖層強(qiáng)度的顯著提高，起到應(yīng)有的加固效果。而在融化階段，當(dāng)凍結(jié)巖層溫度處于此區(qū)間時(shí)應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以防強(qiáng)度的快速降低引發(fā)工程災(zāi)害。此外，在-15～-20 ℃的負(fù)溫范圍內(nèi)，巖石的強(qiáng)度基本沒有變化。這意味著在凍結(jié)法施工設(shè)計(jì)時(shí)，地層的凍結(jié)溫度并不是越低越好，可適當(dāng)提高設(shè)計(jì)凍結(jié)溫度來降低經(jīng)濟(jì)成本。

4 結(jié) 論

對(duì)不同負(fù)溫下巖石單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合強(qiáng)度隨溫度變化規(guī)律，分析了不同負(fù)溫對(duì)巖石強(qiáng)度的影響機(jī)制，主要得到以下結(jié)論。

1）-20 ℃～常溫的巖石峰值應(yīng)變均小于3%;-10 ℃～常溫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為塑—彈性;-12～-20 ℃巖樣表現(xiàn)為脆性斷裂。

2）-20～0 ℃時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度均隨溫度的變化顯著，-20 ℃時(shí)巖石單軸抗壓強(qiáng)度是常溫時(shí)的3倍。且不同溫度區(qū)間內(nèi)強(qiáng)度隨溫度的變化速率不同，凍結(jié)溫度在-20～-15 ℃時(shí)，其變化速率很小，約為1 MPa/℃;凍結(jié)溫度在-15～-2 ℃時(shí)，其變化速率相對(duì)較快，約為1.77 MPa/℃;凍結(jié)溫

度在-2～0 ℃時(shí)，其變化速率最快，約為6 MPa/℃.

3）溫度在-20～0 ℃，抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化顯著，-20 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度約為常溫狀態(tài)下的4.8倍。且在不同的溫度范圍內(nèi)抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化速率不同。凍結(jié)溫度在-20～-15 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度基本不隨溫度變化;凍結(jié)溫度在-15～-2 ℃時(shí)，其變化速率相對(duì)較慢，約為0.12 MPa/℃;凍結(jié)溫度在-2～0 ℃時(shí)，其變化速率最快，約為0.6 MPa/℃.

4）凍結(jié)溫度對(duì)巖石彈性模量的影響較大，凍結(jié)溫度越低，彈性模量越大;常溫～-8 ℃時(shí)，其變化速率很快，約為1.125 MPa/℃;-10～-20 ℃時(shí)，其變化速率相對(duì)較慢，約為0.15 MPa/℃.

5）不同負(fù)溫下巖石單軸壓縮過程中的破壞模式主要有剪切破壞和劈裂破壞，破壞模式基本不受凍結(jié)溫度的影響。

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