飽水凍結(jié)裂隙砂巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究

宋勇軍，郭璽璽，譚 皓，車永新

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

凍結(jié)法作為一種能夠穿越不穩(wěn)定地層和富水裂隙巖層的井筒特殊施工方法，在礦井建設(shè)工程中得到廣泛應(yīng)用。近年來，隨著淺部資源的減少和開采強(qiáng)度的增大，國(guó)內(nèi)外礦山相繼進(jìn)入深部開采階段。然而，在深井凍結(jié)法施工過程中，因凍結(jié)井壁變形破裂導(dǎo)致的透水、淹井等事故時(shí)有發(fā)生[1]。歸結(jié)其原因，是對(duì)于低溫凍結(jié)環(huán)境下富水裂隙巖層的力學(xué)特性和變形破壞機(jī)制認(rèn)識(shí)不足。因此，探究低溫凍結(jié)環(huán)境中含裂隙巖體的變形破壞規(guī)律、裂隙發(fā)育和空間分布特征，對(duì)于確保井壁圍巖的穩(wěn)定性和預(yù)防施工災(zāi)害具有重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于低溫凍結(jié)環(huán)境下巖石的物理力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究。BAI等[2]通過對(duì)-10℃凍結(jié)溫度下的飽冰裂隙砂巖進(jìn)行三軸加載，發(fā)現(xiàn)巖樣峰值強(qiáng)度，彈性模量和抗剪強(qiáng)度參數(shù)均與圍壓和溫度呈線性關(guān)系。國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域中楊更社[3，4]及劉泉聲[5，6]等人對(duì)低溫凍結(jié)巖體研究較為廣泛，除此之外，單仁亮等[7]進(jìn)行了不同凍結(jié)溫度下紅砂巖的三軸壓縮試驗(yàn)，得出溫度及圍壓對(duì)凍結(jié)巖樣物理力學(xué)特性的影響規(guī)律。楊昊等[8]開展了單裂隙巖體凍結(jié)三軸試驗(yàn)，研究了裂隙傾角、跡長(zhǎng)、隙寬、圍壓和溫度對(duì)單裂隙巖體力學(xué)特性的影響。

對(duì)于含裂隙巖體的研究方法有傳統(tǒng)力學(xué)試驗(yàn)及滲流[9]、聲發(fā)射[10]、CT掃描[11]、高速攝像機(jī)[12]等技術(shù)手段。WANG等[13]進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，研究了不同裂隙傾角、不同長(zhǎng)度、不同寬度、不同數(shù)量的裂隙幾何參數(shù)對(duì)低強(qiáng)度巖石力學(xué)性能和變形破壞模式的影響。LU等[14]基于Lemaitre應(yīng)變等效原理和連續(xù)損傷力學(xué)理論，建立了考慮裂隙、圍壓、凍融作用和荷載作用下的單裂隙砂巖三軸抗壓強(qiáng)度變化預(yù)測(cè)模型，并通過計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的比較，驗(yàn)證了該損傷本構(gòu)模型的合理性。鄧華峰等[15]通過對(duì)砂巖預(yù)制非貫通節(jié)理裂隙發(fā)現(xiàn)節(jié)理砂巖的變形模量、抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)隨裂隙傾角的增大均呈現(xiàn)先減小后增大的U型變化趨勢(shì)。

以上研究從溫度、圍壓及裂隙幾何特征等因素對(duì)巖石的力學(xué)特征、破裂面、裂紋發(fā)育擴(kuò)展特性的影響進(jìn)行了研究，但對(duì)于低溫凍結(jié)環(huán)境中含裂隙富水巖層力學(xué)特性的研究仍不多見?；诖?，本文在陜西彬縣彬長(zhǎng)礦區(qū)立井凍結(jié)法施工現(xiàn)場(chǎng)取樣并預(yù)制貫通裂隙，開展-10℃飽水凍結(jié)環(huán)境中不同裂隙傾角、不同圍壓條件下裂隙砂巖三軸壓縮試驗(yàn)，以期對(duì)含裂隙巖層的凍結(jié)法施工提供理論參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 巖樣制備

實(shí)驗(yàn)砂巖巖樣取自陜西彬縣彬長(zhǎng)礦區(qū)立井凍結(jié)法施工現(xiàn)場(chǎng)，該地區(qū)立井施工過程中大都要穿越白堊系、侏羅系等深厚富水砂巖地層，采用鉆孔取樣法加工成D×H=50mm×100mm(D為巖樣直徑，H為高度)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖樣，(巖樣尺寸誤差范圍±0.5mm)。之后用麻花鉆鉆孔，線切割方式預(yù)制貫通裂隙，預(yù)制裂隙深度均為50mm(±0.5mm)巖樣及裂隙尺寸如圖1所示，(α=0°、15°、45°、75°、90°)。

圖1 單裂隙砂巖巖樣

為降低巖石離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前先剔除外觀上有明顯差異的巖樣，然后將巖樣放入真空烘箱中，在105℃溫度下烘48h后進(jìn)行干密度和縱波波速測(cè)量。根據(jù)干密度和縱波波速挑選物理性質(zhì)相近的巖樣。將選好的巖樣經(jīng)真空飽和儀飽水24h后，得到巖樣飽和含水率及孔隙度。其物理特性參數(shù)平均值見表1。巖樣飽水后表面涂抹一層凡士林并用保鮮膜包裹，采用水封方式保存，根據(jù)4種圍壓(0MPa、3MPa、6MPa、9MPa)及5種裂隙傾角將巖樣分為20組，每組2個(gè)巖樣作為平行試驗(yàn)，共計(jì)40個(gè)，并根據(jù)試驗(yàn)效果進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)做。

表1 巖樣物理參數(shù)平均值

1.2 試驗(yàn)儀器及方法

力學(xué)試驗(yàn)在TAW-1000型巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖2所示，該試驗(yàn)機(jī)可提供最大1000kN軸向壓力和100MPa圍壓。循環(huán)冷浴系統(tǒng)以酒精作為冷源媒介，可以保證試驗(yàn)過程中壓力室內(nèi)溫度穩(wěn)定，酒精最低溫度可達(dá)-40℃，溫度波動(dòng)范圍在±0.2℃。

圖2 試驗(yàn)機(jī)示意圖及降溫原理

根據(jù)凍結(jié)法施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度條件，將試驗(yàn)溫度設(shè)定為-10℃，首先將巖樣放入凍融箱中降溫至預(yù)定溫度，同時(shí)開啟低溫循環(huán)冷浴系統(tǒng)對(duì)壓力室進(jìn)行降溫，為減少巖樣運(yùn)輸過程中溫度散失，將冷凍好的巖樣放置于壓力室中以-10℃繼續(xù)恒溫凍結(jié)8h，保證巖樣內(nèi)部溫度均勻后進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，加載時(shí)首先以0.02MPa/s的速率加載圍壓至指定值，待壓力值穩(wěn)定后以變形控制方式加載軸壓，速率為0.05mm/min，直至巖樣破壞。

2 巖石力學(xué)特性分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線特征及強(qiáng)度分析

巖石加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征反映了巖石在外部荷載作用下的變形特性，試驗(yàn)開展了0MPa、3MPa、6MPa、9MPa圍壓下的力學(xué)試驗(yàn)，限于篇幅，6MPa圍壓下砂巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可知，應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為4個(gè)階段[2]，裂隙閉合階段(壓密階段)、彈性變形階段、裂隙擴(kuò)展階段(塑性屈服階段)和破裂后階段(應(yīng)變軟化階段)。初始?jí)好茈A段曲線呈“上凸?fàn)睢?，與傳統(tǒng)的“上凹狀”曲線有所不同，主要原因是低溫凍結(jié)環(huán)境下，巖石內(nèi)部孔隙水凍結(jié)成冰，在加載初始階段，孔隙內(nèi)冰體承擔(dān)了大部分荷載，巖石承擔(dān)的荷載較小，隨著軸向應(yīng)力增大，冰體承擔(dān)荷載的能力達(dá)到限值，巖石本身承擔(dān)的荷載不斷增加，變形隨之增大，應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸變緩，即形成了“上凸?fàn)睢鼻€。

圖3 6MPa圍壓砂巖偏應(yīng)力應(yīng)變曲線

砂巖峰值強(qiáng)度擬合曲線如圖4所示，由圖4可知，隨裂隙傾角增大，巖石強(qiáng)度值呈增大趨勢(shì)。同一圍壓下，不同傾角砂巖峰值強(qiáng)度均近似呈線性變化，其擬合方程見式(1)，(相關(guān)系數(shù)R2≥0.988)。

圖4 裂隙傾角-峰值強(qiáng)度擬合曲線圖

式中，σ1砂巖峰值強(qiáng)度；α為裂隙傾角。

為了探究裂隙傾角對(duì)巖石力學(xué)特性的影響機(jī)制，將不同傾角的預(yù)制貫通單裂隙在巖石端面投影，得到5種裂隙傾角巖石的裂隙貫通長(zhǎng)度及面積，如圖5所示。由圖5可見，裂隙傾角越小，裂隙在水平方向上的貫通長(zhǎng)度就越長(zhǎng)，由于裂隙貫通深度、長(zhǎng)度和寬度恒定，裂隙在水平方向上的投影面積就越大，從而使裂隙體積增大。在荷載作用下，隨裂隙傾角的減小，巖石承受豎向荷載的受力面減小，這極大降低了巖石承受荷載的能力，這也許就是裂隙傾角越大，巖石強(qiáng)度越高的原因。

圖5 裂隙砂巖貫通長(zhǎng)度及面積

2.2 變形參數(shù)分析

不同裂隙砂巖彈性模量、泊松比擬合曲線如圖6所示，可以看出，砂巖彈性模量與裂隙傾角近似呈線性相關(guān)，而圍壓較低時(shí)，泊松比呈非線性變化，隨圍壓升高，近似呈線性變化。同時(shí)，隨圍壓升高其彈性模量增大，這與完整巖石在常溫下的變形特性有所不同，究其原因，凍結(jié)裂隙巖石在圍壓作用下，由于砂巖內(nèi)部冰體膠結(jié)和原生微裂隙閉合的共同作用，在強(qiáng)度提高的同時(shí)，也增強(qiáng)了巖石抵抗變形的能力，這對(duì)于三向受力狀態(tài)的凍結(jié)壁穩(wěn)定性是有利的，在實(shí)際工程中應(yīng)考慮其有利影響。圍壓一定時(shí)，0°傾角巖樣泊松比最大，說明在外部荷載作用下，裂隙傾角越小，巖石越容易失穩(wěn)，發(fā)生膨脹變形，對(duì)圍巖整體穩(wěn)定性影響越大。

圖6 砂巖變形參數(shù)與裂隙傾角擬合曲線

2.3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

按照莫爾-庫倫準(zhǔn)則，不同圍壓下裂隙砂巖最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3可按式(2)進(jìn)行計(jì)算：

通過擬合發(fā)現(xiàn)不同圍壓下同一裂隙傾角砂巖峰值強(qiáng)度呈線性相關(guān)關(guān)系，得到擬合方程見表2中(擬合相關(guān)系數(shù)R2≥0.985)。因此由莫爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則按式(3)計(jì)算得到砂巖黏聚力、內(nèi)摩擦角值見表2，式中，k為擬合方程斜率，b為擬合方程截距。

表2 砂巖黏聚力與內(nèi)摩擦角

砂巖黏聚力、內(nèi)摩擦角與裂隙傾角的關(guān)系擬合曲線如圖7所示，由圖7可知，隨裂隙傾角增大，砂巖黏聚力近似呈線性增大趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角與裂隙傾角呈非線性相關(guān)關(guān)系，(擬合相關(guān)系數(shù)R2≥0.989)且不同裂隙傾角對(duì)砂巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)敏感程度不同。和15°傾角巖石黏聚力相比，45°傾角增長(zhǎng)18.25%、和75°傾角相比45°增長(zhǎng)14.73%。隨裂隙傾角增大，砂巖內(nèi)摩擦角也近似呈線性增大趨勢(shì)，和0°傾角相比，15°增長(zhǎng)1.53%、和15°相比，45°增長(zhǎng)6.10%，75°相比45°增幅達(dá)15.87%、90°相比75°內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)了5.52%。在裂隙傾角為0°時(shí)內(nèi)摩擦角最小為16.96°，黏聚力也達(dá)到最小值11.217MPa，最大主應(yīng)力面與剪切破壞面夾角為53.48°(45°+φ/2=53.48°)，此時(shí)剪切破壞面與裂隙面法線方向夾角最小，巖石抵抗變形破壞的能力最弱。由計(jì)算結(jié)果可知，裂隙傾角越大，對(duì)巖石黏聚力變化幅度的影響越小，對(duì)其內(nèi)摩擦角的變化影響越大。由于砂巖內(nèi)部孔隙水凍結(jié)成冰，體積膨脹，原有的部分孔隙被冰占據(jù)，填充了巖石內(nèi)部孔隙，同時(shí)，冰的存在增強(qiáng)了巖石顆粒間的膠結(jié)度，一定程度上提高了砂巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

圖7 抗剪強(qiáng)度參數(shù)擬合曲線

2.4 破壞模式分析

巖石試件破壞后形態(tài)如圖8所示。限于篇幅，僅給出了單軸加載破壞巖樣形態(tài)圖，由圖8可知，在低溫凍結(jié)環(huán)境下砂巖均呈單斜面剪切破壞特征，除主剪切面斜裂紋外宏觀可見次生裂紋較少，說明凍結(jié)環(huán)境在一定程度上增強(qiáng)了砂巖內(nèi)部顆粒間膠結(jié)度，抑制了巖樣破壞后微裂紋及次生裂紋的產(chǎn)生。破壞斷面由預(yù)制裂隙兩側(cè)端部逐漸向巖石上、下端面發(fā)展。隨裂隙傾角增大，砂巖破裂面與水平方向夾角呈先減小后增大的趨勢(shì)，說明裂隙傾角主導(dǎo)了砂巖的破壞和變形。單軸壓縮狀態(tài)下，破裂面起始于預(yù)制裂隙兩側(cè)端部，終止于巖石試樣的上下端面，隨裂隙傾角增大開始向預(yù)制裂隙中間靠攏。另一方面，隨圍壓的增大，對(duì)巖樣變形的抑制作用增強(qiáng)，主破裂面逐漸向試樣側(cè)面發(fā)展，圍壓較高時(shí)，部分巖樣產(chǎn)生反翼裂紋(次破裂面)，反翼裂紋沿圍壓方向擴(kuò)展，貫穿整個(gè)試件。

圖8 單軸加載破壞后巖樣及素描圖

3 起裂應(yīng)力、擴(kuò)容應(yīng)力分析

裂紋起裂應(yīng)力σve和擴(kuò)容應(yīng)力σvs是巖石兩個(gè)重要的應(yīng)力指標(biāo)，通常用來作為反映巖石強(qiáng)度和損傷演化的特征值，起裂應(yīng)力是巖石彈性階段向塑性階段轉(zhuǎn)變的應(yīng)力閾值，擴(kuò)容應(yīng)力是巖石裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段向裂隙非穩(wěn)定發(fā)展階段轉(zhuǎn)變的應(yīng)力閾值。凍結(jié)裂隙砂巖加載過程各階段典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示。

圖9 裂隙巖樣特征應(yīng)力應(yīng)變曲線

應(yīng)用體積應(yīng)變法計(jì)算低溫凍結(jié)環(huán)境中不同條件下砂巖的起裂應(yīng)力、擴(kuò)容應(yīng)力，計(jì)算原理如下：εv代表砂巖巖樣體積應(yīng)變，εvs代表砂巖裂隙體積應(yīng)變。巖石的體應(yīng)變?chǔ)舦可以由軸向應(yīng)變?chǔ)?及徑向應(yīng)變?chǔ)?來表示[16]：

εv=ε1+2ε2

(4)

同時(shí)，巖石的體應(yīng)變?chǔ)舦可以分解為彈性體積應(yīng)變?chǔ)舦e與裂隙體積應(yīng)變?chǔ)舦s：

εv=εve+εvs

(5)

根據(jù)Hook定律，彈性體應(yīng)變可以表示為：

因此，裂隙體應(yīng)變可以表示為：

式中，σ1、σ2、σ3為巖石3個(gè)方向的主應(yīng)力，ε1e、ε2e、ε3e為主應(yīng)力對(duì)應(yīng)的3個(gè)主應(yīng)變。

在計(jì)算過程中，起裂應(yīng)力σve為裂隙體積應(yīng)變開始增加處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，起裂水平為起裂應(yīng)力與對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)力的比值(σve/σf)。擴(kuò)容應(yīng)力σvs為巖樣體積應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，擴(kuò)容水平為巖樣擴(kuò)容應(yīng)力與對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)力的比值(σvs/σf)。計(jì)算結(jié)果見表3，由表3可知，隨裂隙傾角增大，砂巖起裂水平、擴(kuò)容水平均呈增大趨勢(shì)，起裂水平維持在0.465～0.639，擴(kuò)容水平在0.765～0.949。平均起裂水平由0°時(shí)的0.538增加到90°時(shí)的0.581。平均擴(kuò)容水平由0°時(shí)的0.820增加到90°時(shí)的0.876。說明不同裂隙幾何特征對(duì)砂巖起裂應(yīng)力特征值σve和擴(kuò)容應(yīng)力特征值σvs有顯著影響。σvc是砂巖內(nèi)部開始產(chǎn)生微裂紋的應(yīng)力閾值，當(dāng)所受軸向應(yīng)力小于砂巖裂隙發(fā)育起始應(yīng)力σvc時(shí)，砂巖處于初始?jí)好茈A段，此時(shí)巖石產(chǎn)生的變形主要來源于內(nèi)部孔隙及原始微裂隙的閉合。當(dāng)所受軸向應(yīng)力大于σvc時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線由初始?jí)好茈A段轉(zhuǎn)到彈性變形階段，巖石內(nèi)部孔隙冰體逐漸破裂，隨軸向應(yīng)變的增大，對(duì)應(yīng)于砂巖巖樣體積應(yīng)變持續(xù)增大，裂隙體積應(yīng)變?chǔ)舦s趨于平緩。當(dāng)砂巖所受應(yīng)力繼續(xù)增大到裂隙起裂應(yīng)力σve時(shí)，軸向變形也進(jìn)一步增加，此時(shí)，體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變的增大而增大，而砂巖內(nèi)部裂隙體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變的增大而減小，表明巖石進(jìn)一步被壓縮，應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)入到裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展階段。當(dāng)軸向應(yīng)力進(jìn)一步增大，達(dá)到砂巖擴(kuò)容應(yīng)力閾值σvs，就進(jìn)入到了裂隙非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，砂巖的體積應(yīng)變和裂隙體積應(yīng)變隨軸向應(yīng)變的增大迅速減小，巖石中的微裂紋加速擴(kuò)展、貫通并逐漸形成宏觀裂紋，偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率逐漸減小，并呈非線性發(fā)展，在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到巖石峰值強(qiáng)度σf。

表3 起裂及擴(kuò)容應(yīng)力

可見，凍結(jié)砂巖起裂及擴(kuò)容水平與裂隙傾角呈正相關(guān)關(guān)系，隨裂隙傾角增大，砂巖彈性變形階段在加載過程中所占比重增加，塑性階段相對(duì)變短，脆性增強(qiáng)，抵抗塑性變形能力下降。當(dāng)加載過程中砂巖進(jìn)入塑性狀態(tài)，在短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到峰值應(yīng)力，因而凍結(jié)壁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮裂隙傾角對(duì)巖石強(qiáng)度與變形性能的影響。

4 結(jié) 論

1)凍結(jié)裂隙砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線初始階段呈“上凸?fàn)睢?，彈性變形階段曲線斜率隨裂隙傾角增大逐漸增大，且峰后應(yīng)力跌落現(xiàn)象越明顯，巖石破壞越具有突然性。

2)隨裂隙傾角增大，砂巖承受豎向荷載的受力面增大，峰值應(yīng)力隨之增大；砂巖變形參數(shù)也逐漸增大，但徑向應(yīng)變?cè)龃蠓让黠@低于軸向應(yīng)變，泊松比、體積應(yīng)變呈非線性減小，但變化幅度不明顯；抗剪強(qiáng)度參數(shù)呈線性增大，且裂隙傾角越大，對(duì)巖石黏聚力變化幅度的影響越小，對(duì)其內(nèi)摩擦角變化的影響越大。

3)低溫凍結(jié)環(huán)境下，凍結(jié)裂隙砂巖破壞形式均為剪切破壞，隨裂隙傾角增大，破裂面與水平方向夾角呈先減小后增大的趨勢(shì)，隨圍壓的增大破壞端面由預(yù)制裂隙兩端逐漸向裂隙中間發(fā)展。

4)巖石起裂及擴(kuò)容應(yīng)力水平隨裂隙傾角的增大逐漸增大，彈性變形階段在加載過程中所占比重增加，塑性階段相對(duì)變短，砂巖脆性增強(qiáng)，抵抗塑性變形能力下降，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮裂隙傾角對(duì)凍結(jié)后巖石強(qiáng)度及變形性能的影響。