洛河組砂巖解凍后物理力學(xué)性質(zhì)及破壞特征研究

任建喜，王曉琳，陳 旭

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

陜西、內(nèi)蒙古等地區(qū)礦井所穿越的地層主要以中堊系和侏羅系地層為主，其中白堊系地層多為洛河組砂巖，具有大孔隙、層理明顯、強(qiáng)度低和易風(fēng)化等特點[1]。為了保證井筒安全順利地穿越含水軟巖層，需采用人工凍結(jié)法施工[2]。但是這些地層的特性與東部地區(qū)有很大的差異，盲目借鑒東部地區(qū)凍結(jié)法施工經(jīng)驗往往會造成不良后果[3，4]。國內(nèi)學(xué)者通過室內(nèi)試驗和理論結(jié)合的方法對巖石凍結(jié)前后的物理力學(xué)性質(zhì)開展了大量的研究[5-8]。劉瑩[9，10]等對常溫和不同負(fù)溫下的洛河組砂巖進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)白堊系巖石的力學(xué)性質(zhì)隨凍結(jié)溫度的降低而增大。田應(yīng)國[11]對飽和中砂巖和粗砂巖在不同溫度下進(jìn)行了單軸壓縮試驗，揭示了凍結(jié)白堊系砂巖力學(xué)性質(zhì)與溫度的相關(guān)性。楊更社等[12，13]分析了不同凍融循環(huán)次數(shù)下砂巖的損傷擴(kuò)展規(guī)律，并建立了砂巖凍融與荷載耦合作用下的損傷本構(gòu)模型。劉波[14]對白堊系弱膠結(jié)紅砂巖的凍融損傷機(jī)制及凍融過程中圍壓的影響機(jī)制進(jìn)行了研究。

凍結(jié)法在復(fù)雜地層井筒施工中具有很大的優(yōu)勢，但也會給工程帶來凍脹、融沉等災(zāi)害。目前，關(guān)于凍結(jié)前后洛河組砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)都有了比較深入的認(rèn)知和了解，但是對解凍后洛河組砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)的研究還有所欠缺。本文通過對不同凍結(jié)溫度的砂巖經(jīng)解凍后進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)的試驗，得到其在解凍后基本的物理力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)凍結(jié)壁和井筒設(shè)計提供一定參考。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

此次試驗巖樣取自陜北可可蓋煤礦地質(zhì)鉆探所獲得的洛河組砂巖巖芯，如圖1所示。由于洛河組砂巖為弱膠結(jié)砂巖，內(nèi)部有較多裂隙且芯樣較小難以加工成型，所以在加工過程中通過自制夾具將其固定并采取干鉆的方式將芯樣加工成?50mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，如圖2所示。

圖1 洛河組砂巖巖芯

圖2 標(biāo)準(zhǔn)巖樣

砂巖物理性質(zhì)可以直觀地描述不同砂巖材料的特性。對加工好的巖樣依據(jù)GB/T 23561—2009試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行物理性質(zhì)參數(shù)測定，得到其干密度為1.85～2.13g/cm3，平均值2.01g/cm3，飽水率為7.54%～14.43%，平均值為10.65%，有效孔隙率為15.38%～26.98%，平均值為22.09%，縱波波速為1.73～2.37km/s，平均值為1.85km/s。可以看出洛河組砂巖吸水性極強(qiáng)、波速且各項參數(shù)波動性大，表明其內(nèi)部孔隙、裂隙分布多且連通性好，表現(xiàn)出很大的個體差異性。

1.2 試驗方案

試驗采用西安科技大學(xué)GCTS電液伺服控制高低溫高壓巖石三軸試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可施加最大軸向力1500kN、最大圍壓140MPa。試驗設(shè)備由軸向加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，可以進(jìn)行高低溫環(huán)境、高低壓應(yīng)力條件下的巖石單軸和三軸壓縮試驗。凍結(jié)-解凍試驗采用西安科技大學(xué)的凍結(jié)-解凍試驗箱，凍結(jié)-解凍試驗系統(tǒng)箱體溫度范圍為-30～50℃，循環(huán)浴溫度范圍：-40～60℃，溫度變化速率大于等于45℃/h，工作環(huán)境溫度：5～35℃。

在所有試件中挑選波速相近的16個試件按凍結(jié)溫度分為4組：第一組編號為A1、A2、A3、A4，不進(jìn)行凍結(jié)；第二組編號為B1、B2、B3、B4，凍結(jié)溫度為-5℃；第三組編號為C1、C2、C3、C4，凍結(jié)溫度為-10℃；第四組編號為D1、D2、D3、D4，凍結(jié)溫度為-15℃。本次凍融試驗?zāi)康脑谟谘芯柯搴咏M砂巖在飽和狀態(tài)下不同負(fù)溫凍結(jié)作用下經(jīng)凍融后其物理力學(xué)性質(zhì)的變化情況，試驗主要分為兩個部分進(jìn)行。

1.2.1 常規(guī)三軸壓縮試驗

取第一組試件分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(0MPa)及3組不同圍壓(2MPa、4MPa及6MPa)下的常規(guī)三軸試驗。試驗加載初始階段采用應(yīng)力控制將軸壓、圍壓同時加至預(yù)定值(0MPa、2MPa、4MPa、6MPa)，加載速率為0.015MPa/s，加載至圍壓恒定后保持圍壓不變應(yīng)變控制加載軸壓直至試件完全破壞，加載速率為0.01mm/s。

1.2.2 解凍后砂巖三軸壓縮試驗

取第二、三、四組試件進(jìn)行飽水后放入凍融試驗機(jī)中，按照每組對應(yīng)的設(shè)定溫度進(jìn)行凍結(jié)，凍結(jié)72h后將其全部在常溫環(huán)境下解凍，解凍后測量其質(zhì)量、波速，然后分別對經(jīng)歷過1次凍融循環(huán)的三組試件進(jìn)行單、三軸壓縮試驗。

2 砂巖解凍前后物理性質(zhì)對比分析

2.1 洛河組砂巖飽水性分析

巖石的飽水系數(shù)是指巖石的吸水率與強(qiáng)制吸水率(飽水率)的比值，以Kω表達(dá)，表達(dá)式為：

已有研究表明[15]，當(dāng)Kω<0.91時，說明巖石凍結(jié)過程中，水仍然具有擠入剩余尚未張開孔裂隙的余地；當(dāng)Kω>0.91時，凍結(jié)過程中水凍結(jié)后形成的冰對巖石會產(chǎn)生“冰劈”作用，造成巖石的膨脹破壞。測量所得的砂巖飽水系數(shù)約在0.74～0.91范圍內(nèi)(表1)，這說明水在凍結(jié)過程中，水仍存在擠入之前張開的孔隙中的余地，這一部分水凍結(jié)膨脹后會使砂巖內(nèi)部的微裂隙增多。同時部分砂巖的飽水系數(shù)也已接近0.91，說明凍結(jié)過程中，部分砂巖也同時會受到“冰劈”作用，導(dǎo)致更大孔徑的破壞。

表1 洛河組砂巖巖樣的飽水系數(shù)

2.2 砂巖解凍后的質(zhì)量損失及波速損失分析

將不同凍結(jié)溫度下凍融循環(huán)后的砂巖放置常溫后，再次放入烘干干燥箱中進(jìn)行干燥處理，烘干后再次測量其干質(zhì)量以及縱波波速，根據(jù)下式計算得到砂巖在不同凍結(jié)溫度下凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率以及波速損失率。巖石的質(zhì)量損失率Km為凍融前后試樣的干質(zhì)量的差值與凍融前巖石的質(zhì)量的比值，即：

巖石的縱波波速損失率Kv為凍融前后試驗縱波波速的差值與凍融前試樣的縱波波速的比值，即：

洛河組砂巖在不同凍結(jié)溫度(-5℃、-10℃、-15℃)下經(jīng)一次凍融循環(huán)后每個試件的質(zhì)量損失率與縱波波速損失率如圖3、圖4所示。

圖3 不同凍結(jié)溫度下的質(zhì)量損失率

圖4 不同凍結(jié)溫度下的縱波波速損失率

由圖3可知，洛河組砂巖凍融循環(huán)后其質(zhì)量損失率較小，最大損失率不超過0.5%，這是因為凍融循環(huán)次數(shù)低，對巖樣的凍融破壞非常有限，因而其未發(fā)生明顯的剝落破壞。同時可以看出隨著凍結(jié)溫度的降低，試件質(zhì)量損失率有所提高，凍結(jié)破壞更為嚴(yán)重。

由圖4可以看出，試件經(jīng)凍融后縱波波速損失率較大，大部分試件的波速損失率超過了20%，最大的損失率達(dá)到40%，說明雖然一次凍融循環(huán)并未造成試件的剝落破壞，但由于洛河組砂巖其內(nèi)部較大的孔隙裂隙較多，且飽和含水率較大，試件在飽水凍結(jié)過程中，內(nèi)部水分凍結(jié)產(chǎn)生的強(qiáng)凍脹力導(dǎo)致砂巖內(nèi)部孔裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通，從而導(dǎo)致造成波速損失率較大。并且凍結(jié)導(dǎo)致的波速損失率隨凍結(jié)溫度的下降而增大，但這一現(xiàn)象并不明顯，說明洛河組砂巖內(nèi)部孔隙裂隙的貫通性較好，對于凍結(jié)導(dǎo)致的內(nèi)部孔隙裂隙的擴(kuò)展發(fā)育，較高的凍結(jié)溫度同樣會對洛河組砂巖造成一定程度的凍融破壞。

3 常規(guī)加載下砂巖的力學(xué)特性分析

洛河組紅砂巖在圍壓為0MPa、2MPa、4MPa、6MPa時的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)鐖D5所示，各個試件的抗壓強(qiáng)度值見表2。可以看出整個應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯的壓密階段、彈性變形階段、彈塑性變形階段、塑性變形階段、殘余變形階段。隨著圍壓的增大，試件的抗壓強(qiáng)度不斷增強(qiáng)且破壞時所對應(yīng)的變形也增大，這是因為洛河組砂巖屬于結(jié)構(gòu)松散的多孔隙材料，圍壓越大試件擠壓就越密實，內(nèi)部裂隙與孔隙間的正應(yīng)力和摩擦力增大使得裂隙不容易發(fā)生脹裂和滑移，從而限制了裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，所以承載力更高。這說明巖石內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)是影響洛河組砂巖抗壓強(qiáng)度的主要因素。

圖5 單軸及常規(guī)三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 洛河組砂巖變形參數(shù)

由表2可以看出隨著圍壓強(qiáng)度的提高，砂巖的彈性模量與變形模量均有所提高，這是由于圍壓限制了巖石的變形、延緩了巖石的破壞。洛河組砂巖的泊松比大致范圍為0.25～0.32，隨著圍壓的增大，泊松比有所減小，即圍壓增大限制了洛河組砂巖巖樣的側(cè)向變形，相比于其他類型巖樣，圍壓對洛河組砂巖這種多裂隙、大孔隙的巖石約束作用更加明顯。

3.1 不同凍結(jié)溫度下砂巖力學(xué)特性對比分析

各圍壓不同凍結(jié)溫度下砂巖的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，可以看出，解凍后的洛河組砂巖在不同應(yīng)力條件下的破壞過程與未經(jīng)凍融的基本一致，即整個破壞過程仍分為壓密階段、彈性變形階段、彈塑性變形階段、塑性變形階段、殘余變形階段五個階段。同時，隨著凍結(jié)溫度的降低，解凍后砂巖的強(qiáng)度降低，變形增大，壓密階段變長，但最終破壞形式大致為脆性破壞，無明顯塑性特征。

圖6 各圍壓不同凍結(jié)溫度下砂巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線

洛河組砂巖的強(qiáng)度隨溫度降低而降低，這個過程可以用凍融損傷理論來解釋，即凍動過程中水冰相變，造成砂巖體積膨脹，砂巖內(nèi)部原生孔隙裂隙在凍脹力的作用下進(jìn)一步延伸擴(kuò)展，并伴隨次生裂隙的產(chǎn)生，所以融化后砂巖內(nèi)部損傷加劇，強(qiáng)度降低。且凍結(jié)溫度越低，凍融損傷越嚴(yán)重。洛河組砂巖孔隙發(fā)育，孔隙率高達(dá)27%，對凍融作用更為敏感。

3.2 洛河組砂巖凍結(jié)融化后的強(qiáng)度分析

洛河組砂巖凍結(jié)融化后峰值強(qiáng)度與凍結(jié)溫度的關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看出洛河組砂巖經(jīng)一次凍融后的強(qiáng)度隨凍結(jié)溫度的降低而降低，根據(jù)其擬合曲線基本呈線性關(guān)系。在相同圍壓作用下，經(jīng)一次凍融作用后的洛河組砂巖強(qiáng)度隨著凍結(jié)溫度的降低而減弱；與常溫狀態(tài)相比，凍結(jié)溫度在-15℃時圍壓從0MPa提高至6MPa，洛河組砂巖的強(qiáng)度分別降低了24.52%、28.34%、23.14%、15.98%。由前文所測洛河組砂巖孔隙率最高達(dá)到26.9%，孔裂隙極為發(fā)育連通性好，吸水性及飽水性強(qiáng)，因而對凍融作用較其他巖石更為敏感。

圖7 峰值強(qiáng)度與圍壓關(guān)系圖

洛河組砂巖凍結(jié)融化后峰值強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系如圖8所示。從圖8中可以看出洛河組砂巖經(jīng)一次凍融后的強(qiáng)度隨圍壓的提高而增大，與常規(guī)壓縮試驗一致基本呈線性關(guān)系。與無圍壓狀態(tài)相比，圍壓在6MPa時溫度從25℃降至-15℃，洛河組砂巖的強(qiáng)度分別提高了33.2%、39.5%、30.4%、18.9%。隨著圍壓的不斷提高，凍融損傷劣化的影響程度逐漸降低，這是因為隨著圍壓的提高，砂巖內(nèi)部由于凍融引起的孔隙裂隙在靜水壓力階段重新愈合，且圍壓的約束能力也不斷增強(qiáng)，洛河組的強(qiáng)度得到提升。

圖8 峰值強(qiáng)度與凍結(jié)溫度關(guān)系圖

3.3 洛河組砂巖解凍后的破壞規(guī)律分析

不同凍結(jié)溫度洛河組砂巖解凍后在各個圍壓下的破壞特征如圖9所示。由圖9可以看出砂巖在單軸壓縮時為劈裂破壞，且破壞時為脆性破壞。隨著圍壓的增大，巖石破壞逐漸由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞，巖石主要為拉剪破壞，且主裂縫角度逐漸減小。圍壓升高，砂巖的起裂角逐漸減小，隨著裂縫的發(fā)展，主裂縫破壞角逐漸增大，最終發(fā)育至90°左右破壞；這說明圍壓增大雖然導(dǎo)致砂巖的塑性增大，但由于洛河組砂巖其結(jié)構(gòu)軟弱，內(nèi)部孔隙較大，圍壓的增大導(dǎo)致巖石壓密效果明顯，最終砂巖破壞逐漸向脆性破壞發(fā)展過渡。

凍結(jié)溫度為-5℃時巖樣的破裂主要是以拉剪破裂為主，主裂縫破裂角度主要為60°～90°，且隨著圍壓的增大而逐漸減小，砂巖沿著主裂縫破壞，其他次生裂縫較少；凍結(jié)溫度為-10℃、-15℃時的破裂主要為拉剪破裂，試件破壞程度明顯加重，試件的主裂紋貫通形成主控破裂面，且裂縫寬度明顯增大，在主裂縫附近形成較多的次生裂縫，裂縫角度為70°～90°，相比于凍結(jié)溫度為-5℃時其裂縫角度增大，說明凍結(jié)溫度降低，試件經(jīng)過凍結(jié)解凍后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，圍壓的增大仍然存在一定變形空間，因而試件依然存在一定的拉伸脆性破壞。

圖9 不同凍結(jié)溫度下砂巖解凍后破壞特征圖

4 結(jié) 論

1)通過室內(nèi)的基本物理試驗測得洛河組砂巖的干密度為1.86～2.14g/cm3，平均為2.01g/cm3，強(qiáng)制吸水率(飽水率)為7.47%～14.37%，平均為10.51%，有效孔隙率為15.83%～26.68%，平均為21.09%?？v波波速為1.53～2.27km/s，平均值為1.86km/s。即洛河組砂巖膠結(jié)差，孔裂隙發(fā)育，飽水系數(shù)在0.76～0.91范圍內(nèi)，對凍融損傷非常敏感，僅一次凍融循環(huán)就會造成很大的損傷。

2)解凍后的砂巖的質(zhì)量損失率隨凍結(jié)溫度的降低而增大。雖然凍融次數(shù)僅有一次，砂巖未發(fā)生明顯的剝落破壞，砂巖最大質(zhì)量損失率也不超過0.5%。但大部分巖樣的波速損失率卻超過20%，最大的損失率達(dá)到40%，即凍結(jié)過程會使砂巖內(nèi)部水分凍結(jié)膨脹造成巖石內(nèi)部的原生微孔裂隙進(jìn)一步發(fā)育、擴(kuò)展增多。

3)凍結(jié)洛河組砂巖經(jīng)解凍后內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生凍融損傷，導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)降低。凍結(jié)溫度越低，洛河組砂巖壓密階段變長，強(qiáng)度劣化越明顯，變形也會不斷增大。其破壞形式由原先的單一破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的拉剪組合破壞模式，破壞時主裂縫更加發(fā)育，同伴生著更多的裂隙，破壞后砂巖更加破碎。

4)洛河組砂巖在解凍以后不僅強(qiáng)度降低，變形也會增大，在凍結(jié)法施工時，低溫會使洛河組砂巖產(chǎn)生凍脹，砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷，而在解凍以后變形量不能全部恢復(fù)，在外壓力作用下會產(chǎn)生進(jìn)一步的變形，從而使斜井產(chǎn)生變形，造成井壁開裂。