不同含水率下弱膠結(jié)巖石力學(xué)特性研究

賀慶豐，孫利輝,2，宋家樂(lè)，丁 斌，王宗澤

（1.河北工程大學(xué)礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭資源綜合開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038）

0 引言

弱膠結(jié)地層是廣泛分布在我國(guó)西部礦區(qū)侏羅系、白堊系地層中的一類(lèi)特殊沉積砂巖地層。該地層具有弱膠結(jié)、低強(qiáng)度、遇水后泥化崩解、擾動(dòng)敏感等特性，力學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定。巖層開(kāi)挖后在外界水環(huán)境作用下，易軟化和膨脹，巖質(zhì)迅速劣化，巷道大冒頂、高片幫、嚴(yán)重底鼓等工程災(zāi)害頻繁發(fā)生。因此，揭示不同含水率對(duì)弱膠結(jié)巖石變形破壞特征的影響，對(duì)于弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖穩(wěn)定性控制具有重要意義。

一般來(lái)說(shuō)，水會(huì)降低巖石強(qiáng)度，這就是水的軟化作用[1]。為了研究水對(duì)巖石力學(xué)行為的影響，眾多學(xué)者[2]對(duì)不同巖性（灰?guī)r、砂巖、板巖、花崗巖、石膏巖、泥巖、鹽巖等）、不同加載條件（單軸、三軸、巴西劈裂）、不同干濕循環(huán)次數(shù)的巖石材料開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究。1981 年Chugh 和Missavage[3]通過(guò)調(diào)查和研究認(rèn)為巖石單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨濕度的增加而減小。何滿潮等[4]研究了水對(duì)巖石軟化特征的影響，分析了巖石力學(xué)性能與含水率的關(guān)系。Erguler[5]在對(duì)不同類(lèi)型含粘土巖石的室內(nèi)試驗(yàn)，定量研究了含水量對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)隨著含水量的增加，巖石逐漸吸水直和，但是其至飽單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度都出現(xiàn)了降低的現(xiàn)象。孟召平、彭蘇萍等[6]發(fā)現(xiàn)在低含水率情況下，巖石在峰值強(qiáng)度后表現(xiàn)為脆性和剪切破壞，但隨著含水量的增加，主要表現(xiàn)為塑性破壞。張春會(huì)等[7]研究了在三軸條件下飽水度對(duì)砂巖力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著飽水度增加，砂巖模量、峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均降低。劉新榮等[8]通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M研究了砂巖黏聚力、內(nèi)摩擦角的劣化規(guī)律，結(jié)果表明隨著含水率的增加，其峰值應(yīng)力、黏聚力、內(nèi)摩擦角和彈性模量都逐漸降低。

綜上所述，對(duì)于水對(duì)巖石的力學(xué)特征的影響，前人做了大量的研究，但是對(duì)于不同含水率下弱膠結(jié)巖石的力學(xué)特征鮮有研究。因此，本文以紅慶河煤礦的巖層的弱膠結(jié)巖石作為研究對(duì)象，開(kāi)展不同含水率下單軸壓縮試驗(yàn)，分析弱膠結(jié)巖石的力學(xué)特征與含水率的關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試樣制備

本文單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)是在SAS-2000 電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。該試驗(yàn)機(jī)可以使用試驗(yàn)力控制、位移加載等多種控制方式[9]，具有操作簡(jiǎn)便、精確度高、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。

弱膠結(jié)砂巖試樣取自?xún)?nèi)蒙古紅慶河煤礦，巖性為粗粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，孔隙較為疏松，水平層理或直線型斜層理。孔取樣后立即進(jìn)行保水封存，之后進(jìn)行取芯、切削、打磨，巖樣加工嚴(yán)格執(zhí)行《工程巖石試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]。

將加工好的巖樣放置恒溫恒濕箱中進(jìn)行干燥處理，干燥結(jié)束后用電子天平測(cè)量其質(zhì)量，并使用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣高度后記錄初始數(shù)據(jù)。然后將干燥試樣進(jìn)行泡水處理并與烘干時(shí)的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，得出含水率，計(jì)算公式如式1 所示，需要指出的是，浸泡試件所用的水，以及后面提到的“水環(huán)境”都指的都是蒸餾水，不涉及到化學(xué)成分[11]。

圖1 弱膠結(jié)砂巖吸水曲線Fig.1 Water absorption curve of weakly cemented sandstone

浸水不同時(shí)長(zhǎng)的試樣基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 弱膠結(jié)砂巖基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of weakly cemented sandstone

2 含水率對(duì)巖樣單軸壓縮力學(xué)性能影響分析

圖2 為不同含水率弱膠結(jié)砂巖單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，表2 為單軸壓縮力學(xué)參數(shù)。從圖中不難看出，弱膠結(jié)砂巖在不同含水狀態(tài)下其應(yīng)力應(yīng)變經(jīng)歷了壓密階段、線彈性階段、屈服塑性階段和峰后跌落等4 個(gè)階段。通過(guò)比對(duì)不同含水狀態(tài)下試件應(yīng)力- 應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的增加，砂巖在加載初期的非線性變化更加明顯，經(jīng)歷了更長(zhǎng)的壓密階段；砂巖在干燥狀態(tài)和低含水率下時(shí)（ω=0，2.31%） 在峰后的變形極不穩(wěn)定，表現(xiàn)為延性破壞，甚至發(fā)生了重復(fù)加載現(xiàn)象。高含水率試件（ω=5.47%，7.72%） 在峰后表現(xiàn)出明顯的脆性跌落特征，無(wú)明顯殘余強(qiáng)度。隨著含水率增加，巖石逐漸由延性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變。從圖表中可以明顯看出，隨著含水率的增加，試件的峰值應(yīng)力與彈性模量均有所減小。砂巖在含水率為0、2.31%、5.47%、7.72%時(shí)，單軸強(qiáng)度分別為22.20、16.59、11.63、9.06 MPa；彈性模量分別為2.98、2.23、1.61、1.53 GPa。對(duì)比不同含水狀態(tài)時(shí)的峰值軸向應(yīng)變沒(méi)有明顯的變化。

表2 不同含水率弱膠結(jié)砂巖單軸壓縮力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of weakly cemented sandstone with different water content under uniaxial compression

圖2 弱膠結(jié)砂巖單軸壓縮應(yīng)力- 應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of weakly cemented sandstone in uniaxial compression

根據(jù)所得力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將含水率與弱膠結(jié)砂巖峰值強(qiáng)度、彈性模量的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合后的關(guān)系如圖3 所示。從圖中可以看出，紅砂巖的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨含水率的升高而降低，大致表現(xiàn)為線性降低的規(guī)律。峰值強(qiáng)度與含水率擬合關(guān)系為：σc=21.39-1.68ω，擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2=0.98；彈性模量與含水率擬合關(guān)系為：E=2.98-0.280ω，擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2=0.92。

圖3 含水率對(duì)弱膠結(jié)砂巖力學(xué)參數(shù)影響Fig.3 The influence of water content on the mechanical parameters of weakly cemented sandstone

3 含水率對(duì)弱膠結(jié)砂巖破裂模式影響分析

圖4 為不同含水率弱膠結(jié)砂巖破裂形態(tài)。不同含水率弱膠結(jié)巖樣在單軸壓縮荷載作用下，主要發(fā)生拉伸破壞和剪切破壞，破壞后試樣完整性較差。弱膠結(jié)單軸壓縮破壞形態(tài)隨含水率的不同而顯著變化。干燥試件單軸壓縮時(shí)，呈現(xiàn)明顯的拉伸破壞如圖4（a） 所示。而隨著試件含水率的增加，破壞模式逐漸由劈裂破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變，圖4（b）同時(shí)發(fā)生了劈裂破壞和剪切破壞。而高含水率試件表現(xiàn)為單一的剪切破壞如圖4（c）、圖4（d） 所示。這是由于含水的巖樣受到水的作用，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)被破壞，巖樣內(nèi)聚力降低，產(chǎn)生較大的壓剪塑性變形，削弱了巖樣的抗剪能力，因此壓縮過(guò)程中巖樣內(nèi)部的剪應(yīng)力比拉應(yīng)力更先達(dá)到其極限強(qiáng)度，巖樣發(fā)生剪切破壞，而且隨著含水率的增加，剪切面的面積也隨之增大。

圖4 單軸壓縮下弱膠結(jié)砂巖破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of weakly cemented sandstone under uniaxial compression

4 結(jié)論

（1） 含水率對(duì)弱膠結(jié)巖石的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線有顯著的影響。隨著含水率的增加，弱膠結(jié)砂巖在加載前期的非線性及峰后脆性跌落現(xiàn)象更加明顯。

（2） 弱膠結(jié)砂巖峰值強(qiáng)度、彈性模量隨含水率的增加而減少，含水率為0、2.31%、5.47%、7.72%，峰值強(qiáng)度分別為22.20、16.59、11.63、9.06 MPa，彈性模量分別為3.18、2.23、1.81、1.49 GPa；與干燥試樣相比含水率為2.31%、5.47%、7.72%的試樣，峰值強(qiáng)度降低了25.2%、47.6%、59.2%，彈性模量分別降低了29.9%、43.1%、53.1%。不同含水率下峰值應(yīng)變無(wú)明顯變化。

（3） 通過(guò)對(duì)不同含水率下弱膠結(jié)砂巖單軸壓縮破裂形態(tài)進(jìn)行分析，得出巖樣的破裂形態(tài)隨含水率不同而發(fā)生變化。隨著含水率的增加，弱膠結(jié)砂巖的破壞模式由張拉破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變。