冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律_徐拴海.pdf

第 44 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.5 2016 年 10 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Oct. 2016 收稿日期 2015-04-20 基金项目 国家自然科学基金项目（50879608）；冻土工程国家重点实验室开放基金项目（SKLFSE201311）；中煤科工集团西安研究院有 限公司科技创新基金项目（2012XAYCX020） Foundation itemNational Natural Science Foundation of China （50879608）； Open Fund of State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering （SKLFSE201311）； Science and Technology Innovation Fund of Xi′an Reserch Institute of CCTEG（2012XAYCX020） 作者简介 徐拴海（1963），男，博士研究生，研究员，从事矿山地质方面研究与实践工作. E-mailxushuanhai 引用格式 徐拴海，田延哲，李宁. 冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（5）102-107. XU Shuanhai， TIAN Yanzhe， LI Ning. Variation of physical and mechanical characteristics of coarse sandstone during freezing and thawing cy- cles［J］. Coal Geology Exploration， 2016， 44（5）102-107. 文章编号 1001-1986（2016）05-0102-06 冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律 徐拴海 1，2，4，田延哲2，李 宁1，3，4 （1. 西安理工大学岩土工程研究所，陕西 西安 710048；2.中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077；3.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730000；4. 冻土工程国家重点 实验室，甘肃 兰州 730000） 摘要 岩体经受自然冻融循环过程后，其物理力学性质的劣化是引起岩石工程灾害的主要原因。借助于 MTS815 液伺服岩石试验系统对经历不同冻融循环次数的粗砂岩进行三轴压缩试验，研究经历不同冻融 循环次数后岩石在不同围压下的强度和变形特性，分析冻融循环次数和围压对岩石强度和变形的影响规 律。研究结果表明，在冻融循环次数一定的条件下，随着围压的增加，岩石的三轴抗压强度、弹性模量 和峰值轴向应变逐渐增加，表明粗砂岩的破坏逐渐由脆性破坏向塑形破坏变化；在围压相同的情况下， 随着冻融循环次数的增加，岩石的三轴抗压强度、弹性模量逐渐减小，峰值应力对应的轴向应变逐渐增 加；随着冻融循环次数的增加，粗砂岩的黏聚力均呈指数衰减形式降低，内摩擦角变化很小。 关 键 词冻融循环；物理力学性质；变化规律 中图分类号TU45 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.05.019 Variation of physical and mechanical characteristics of coarse sandstone during freezing and thawing cycles XU Shuanhai1，2，4， TIAN Yanzhe2， LI Ning1，3，4 （1. Institute of Geotechnical Engineering， Xi′an University of Technology， Xi′an 710048， China； 2. Xi′an Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corp.， Xi′an 710077， China； 3. School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730000， China； 4. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering， Lanzhou 730000， China） Abstract Subjected to freezing and thawing cycles， the deation of rock’s physical and mechanical properties is the main cause of engineering disasters. Based on the analysis on different freezing and thawing cycles of triaxial compression test of sandstone， conclusions are drawn that under conditions of certain freezing and thawing cycles， with the increase of confining pressure， the tri- axial compressive strength， the elastic modulus and the axial strain increase gradually， indicating that the failure of rock changes from brittle failure to plastic failure； in the case of same confining pressure， with the increase of the number of freezing and thawing cycles， the triaxial compressive strength， the elastic modulus of rock decrease and the axial strain corresponding to peak stress in- creases gradually. With the increase of the number of freezing and thawing cycles， the cohesion of coarse sandstone and fine sand- stone decreases exponentially， the internal friction angle changes very little. Key words freeze-thaw cycles； physical and mechanical characteristics； variation law 近年来随着我国青藏高原地区煤炭资源的快速 开发，其特殊的大温差冻融环境成为该区露天煤矿边 坡稳定性的重要影响因素。岩体经受自然冻融循环过 程后，其物理力学性质的劣化是引起岩石工程灾害的 主要原因。国内外许多学者对冻融环境下岩石的物理 力学性质的劣化做过一定的研究， 徐光苗等［1-2］通过试 验得出了砂岩和页岩的单轴抗压强度随不同冻融循环 次数的变化规律，且两种岩石的单轴抗压强度均随冻 融循环次数的增加而降低； 张慧梅等［3-5］对饱水红砂岩 和页岩在-20℃～20℃进行了 100 次冻融循环试验后进 ChaoXing 第 5 期 徐拴海等 冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律 103 行劈裂抗拉试验得出两种岩石的劈裂抗拉强度均随 着冻融循环次数的增加而减小。 苏伟等［6-7］对西藏玉龙 铜矿的花岗斑岩冻融循环后进行单轴压缩和抗拉试验 发现冻融后试样单轴抗压强度降低，但随着次数的 增加，试样抗拉强度逐渐降低，幅度远大于单轴抗压 强度。许玉娟［8］、谭贤君等［9］对对经历不同冻融循环 次数后的花岗岩进行单轴压缩试验后建立了岩石的单 轴抗压强度和孔隙度之间的数学表达式。 对于冻融循环条件下岩石的强度和变形的衰减规 律大都通过单轴压缩试验得到， 而通过三轴压缩试验得 到岩石强度和变形规律的很少， 然而天然岩体大都处于 三轴应力状态下， 用单轴压缩试验结果得到的数据并不 足以反映实际工况，因此，研究经历不同冻融循环次数 后岩石在三轴压缩荷载作用下的强度和变形特性对于 寒区岩体高边坡的稳定性分析和评价具有重要的理论 价值和工程实践意义。 本文借助于 MTS815 液伺服岩石 试验系统对经历不同冻融循环次数的粗砂岩进行三轴 压缩试验， 研究经历不同冻融循环次数后岩石在不同围 压下的强度和变形特性， 分析不同冻融循环次数和不同 围压对粗砂岩强度和变形的影响规律。 1 试验概况 1.1 试样制作 本次试验选用粗砂岩岩样，取自青海木里露天 采场境界内边坡钻孔中， 所有岩样均经过钻取岩心、 切割、打磨几道工序，加工为标准岩样，岩样制备 严格符合国际岩石力学学会关于试验规范的要求。 试件制备完毕后，对加工好的标准试件进行观察、 筛选， 尽可能的减少试样离散性对试验结果的影响。 最终用于试验的岩样为粗砂岩 20 块。 1.2 试验设备 电子天平称（精度0.01g），游标卡尺、干燥箱、 真空抽气设备等。XT5405FSC 系列冻融循环箱， MTS 815 电液伺服岩石力学试验系统， RSM-SY5（N） 型数字式超声波仪。 1.3 试验方案 a. 冻融温度范围 根据露天矿实测气温年变化，通过相似比原则， 将该区典型年气温变化反映在一个试验周期内（16 h）的 温度变化。本研究考虑冬季平均最低气温和夏季平均 最高气温，将冻融循环温度范围界定为-25℃～25℃。 b. 冻融循环次数 参考露天矿服务年限， 并考虑到冻融循环作用对岩 石的破坏程度， 本次冻融试验设计的最大次数为120 次。 c. 冻融循环时间 考虑到试验岩石的岩性， 本次冻融循环试验冻结 时间为 8 h，融解时间为 8 h，一个冻融循环周期为 16 h。 d. 围压的大小 考虑到下1煤底板标高 27.53 m、下中煤底板标 高 90.69 m、下2煤底板 136.11 m，采用重液地压公 式 PKγH， P 为地压， K 为侧应力系数， 取 K0.013， H 为计算深度，试验设置的围压值分别为 1 MPa、2 MPa、3 MPa 三个等级。 1.4 试验步骤 对加工好的标准岩样进行观察、筛选后进行编 号，然后按以下步骤进行试验 a. 对初选好的标准岩样测取天然状态下的质 量，直径和高度，采用烘干法制备干燥岩样测取岩 样的干燥质量，采用真空抽气法制备饱和岩样，称 取岩样的饱和质量、水中质量和波速。 b. 对未冻融条件下的岩石置于 MTS 电液伺服 试验机承压板中心，调整好轴向位移传感器和环向 应变传感器， 以 0.005 m/s 的应变速率施加轴向荷载 直至试样破坏，取出试验，进行记录描述。 c. 将剩余岩样放入冻融循环试验箱按照试验 方案进行冻融循环试验，对于完成设计冻融循环次 数的岩样测量质量、水中质量和波速，然后进行三 轴压缩试验直至试验完毕。 2 冻融循环条件下粗砂岩的物理试验 岩石在冻融循环过程中，由于组成粗砂岩矿物颗 粒的热膨胀系数不同，当温度降低或升高时，在岩石 中赋存的裂隙水和孔隙水的作用下，使岩石内矿物的 收缩和膨胀产生差异，本章分析粗砂岩的质量，饱和 含水率，孔隙率和纵波波速随着冻融循环次数的变化 规律， 并对引起粗砂岩物理指标变化的原因进行分析。 通过对不同冻融循环次数的饱和粗砂岩的物理 指标分析可知（图1图4） 随着冻融循环次数的增加， 图 1 冻融循环条件下岩石质量损失 Fig.1 Mass loss of rock specimens during freezing and thaw- ing cycle ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 2 冻融循环条件下岩石孔隙率 Fig.2 Porosity of rock samples during freezing and thawing cycles 图 3 冻融循环条件下岩样饱和含水率 Fig.3 Saturable moisture of rock samples during freezing and thawing cycle 图 4 冻融循环条件下岩样纵波波速变化 Fig.4 P-wave velocity of rock samples during freezing and thawing cycle 粗砂岩的波速均呈下降趋势，质量、饱和含水率、孔 隙率呈上升趋势。主要原因是水冰相变产生 9％的体 积膨胀使岩石受到束缚而导致裂隙的扩展贯通，同时 在水分冻结过程中，由于温度梯度等势能的影响，使 得水分向分凝冰处迁移， 由此造成分凝冰的不断增长。 3 冻融循环条件下粗砂岩的三轴压缩试验 由三轴压缩试验得到粗砂岩在不同冻融循环次 数和不同围压下的偏应力-应变曲线（图 5）。 图 5 不同冻融循环次数下粗砂岩的偏应力-轴向应变图 Fig.5 Deviatoric stress and axial strain of coarse sandstone under different number of freezing and thawing cycles 根据三轴压缩偏应力-应变曲线得到了粗砂岩 在经历不同冻融循环次数和不同围压下的最大主应 力试验结果（表 1）。 3.1 冻融循环次数对粗砂岩强度和变形的影响 3.1.1 冻融循环次数对粗砂岩三轴抗压强度的影响 由图 5 可以看出，随着冻融循环次数的增加， 粗砂岩的三轴抗压强度不断降低，为了更加形象地 看出粗砂岩在围压相同的条件下，冻融循环次数对 三轴抗压强度的影响，分别将粗砂岩在不同围压下 ChaoXing 第 5 期 徐拴海等 冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律 105 表 1 粗砂岩三轴压缩试验结果 Table 1 Triaxial compressive test results of coarse sandstone σ1/MPa 冻融循 环次数 σ3 1 MPa σ32 MPa σ33 MPa 0 109.4 116.6 121.8 30 94.8 100.1 107.4 60 87.9 94.2 100.5 90 81.1 87.3 93.6 120 72.6 78.8 85.1 的三轴抗压强度和冻融循环次数绘成散点图（图 6）， 并进行了数据拟合。 图 6 冻融循环次数对粗砂岩强度的影响 Fig.6 Influence of the number of freezing and thawing cycles on the strength of coarse sandstone σ1 0.001N2-0.408 1N 108.38 R20.968 2 σ1 0.001 2N2-0.437 5N 115.22 R20.972 2 σ1 0.000 9N2-0.403N 120.81 R2 0.969 1 式中 σ1为粗砂岩的三轴抗压强度，MPa；N 为冻融 循环次数。 3.1.2 冻融循环次数对粗砂岩峰值轴向应变的 影响 由表 2 可以看出，随着冻融循环次数的增加， 粗砂岩峰值强度对应的峰值轴向应变逐渐增加。主 要原因为随着冻融循环的反复进行，已有裂缝的扩 展、连接、贯通和新裂缝的产生导致粗砂岩的刚度 逐渐降低，随着荷载的施加，岩石的轴向应变逐渐 增加。 3.2 围压对粗砂岩强度和变形影响规律分析 3.2.1 围压对粗砂岩三轴抗压强度特性的影响 由图 7 可以看出，随着围压的增加，粗砂岩 的三轴抗压强度逐渐增加。为了更加形象地看出 围压对粗砂岩三轴抗压强度的影响，绘制了围压 与粗砂岩三轴抗压强度的散点图，并进行了数据 拟合，得到 表 2 冻融循环次数对粗砂岩峰值轴向应变的影响 Table 2 Influence of the number of freezing and thawing cycles on the peak axial strain of coarse sandstone 峰值轴向应变 ε1/％ 冻融循 数 σ31 MPa σ32 MPa σ33 MPa 0 1.431 1.482 1.506 30 1.483 1.563 1.600 60 1.523 1.586 1.709 90 1.598 1.731 1.834 120 1.786 1.844 1.865 σ1 6.2σ3 103.53 R2 0.973 8 （N0） σ1 6.3σ3 88.167 R2 0.997 9 （N30） σ1 6.3σ3 81.600 R2 0.998 4 （N60） σ1 6.25σ3 74.833 R2 0.983 5 （N90） σ1 6.25σ3 66.333 R2 0.999 3 （N120） 式中 σ1为粗砂岩的三轴抗压强度， MPa； σ3为围压， MPa。 图 7 围压对粗砂岩三轴抗压强度的影响 Fig.7 Influence of the confining pressure on the triaxial com- pressive strength of coarse sandstone 3.2.2 围压对粗砂岩峰值轴向应变的影响 随着围压增大，粗砂岩峰值强度对应的峰值应 变减小（图 8）， 说明粗砂岩的变形表现为低围压下的 脆性破坏向高围压下的塑性破坏转化的特征。 图 8 围压对粗砂岩峰值轴向变形的影响 Fig.8 Influence of the confining pressure on the peak axial deation of coarse sandstone ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 44 卷 3.3 粗砂岩黏聚力和内摩擦角随冻融循环次数 的变化规律 由粗砂岩典型的破坏形式可知，粗砂岩的破坏 模式以剪切破坏为主，根据 Mohr-Coulomb 强度准 则， 计算得到粗砂岩在经历不同冻融循环次数后的 黏聚力（c）、内摩擦角（φ）值，表 3。 表 3 粗砂岩经历不同冻融循环次数后的 c，φ 值 Table 3 c and φ value of coarse sandstone after different number of freezing and thawing cycles Mohr-coulomb 强度准则 冻融循 环次数 c/MPa φ/（） 0 20.69 46.39 30 17.48 46.70 60 16.26 46.55 90 14.97 46.40 120 13.27 46.40 由表 3 可以看出，随着冻融循环次数的增加， 粗砂岩的黏聚力逐渐降低，由冻融循环 0 次时黏聚 力 20.69 MPa 降低到冻融循环 120 次时的 13.27 MPa，降低了 7.42 MPa。而内摩擦角基本保持不变， 为了更加直观地看出粗砂岩的黏聚力与冻融循环次 数之间的关系，将粗砂岩的黏聚力和冻融循环次数 绘制成散点图，然后进行数据拟合（图 9）。 图 9 粗砂岩的黏聚力与冻融次数关系图 Fig.9 Relation between cohesion and number of freezing and thawing cycles of coarse sandstone 3.4 岩石的三轴抗压强度与冻融循环次数、围压 之间的关系 Mohr-Coulomb 准则是一种剪应力强度准则， 该 准则可以全面地反映了岩石强度特征，用最大主应 力和最小主应力表示为［10］ 22 21313 22 σσσσ στ ■■■■ ■■■■ ■■■■ - - 同时，通过岩石的黏聚力和摩擦角，Mohr- Coulom 表示为 13 cos1sin 2 1-sin1-sin c φφ σσ φφ 粗砂岩经历不同冻融循环次数、不同围压下粗 砂岩的三轴抗压强度为 0.0 13 04 100.80 e96.246 N σσ - 下面利用上式计算粗砂岩在 1 MPa、 2 MPa 和 3 MPa 三种围压条件下，经历不同冻融循环次数后的 强度曲线。 图 10 粗砂岩三轴抗压强度与冻融循环次数关系 Fig.10 The relationship between triaxial compressive strength and number of freezing and thawing cycles 4 结 论 a. 随着冻融循环次数的增加，饱和粗砂岩的波 速均呈下降趋势，质量、饱和含水率、孔隙率呈上 升趋势。 主要原因是水冰相变产生 9％的体积膨胀使 岩石受到束缚而导致裂隙的扩展贯通，同时在水分 冻结过程中，由于温度梯度等势能的影响，使得水 分向分凝冰处迁移，由此造成分凝冰的不断增长。 b. 饱和粗砂岩在三轴压缩荷载下的主要破坏形 式均为剪切破坏， 在冻融循环次数一定的条件下， 随 着围压的增加， 岩石的三轴抗压强度、 弹性模量和峰 值轴向应变逐渐增加， 表明岩石的破坏逐渐由脆性破 坏向塑形破坏变化； 在围压相同的情况下， 随着冻融 循环次数的增加， 岩石的三轴抗压强度、 弹性模量逐 渐减小，峰值荷载对应的轴向应变逐渐增加。 c. 随着冻融循环次数的增加，粗砂岩的黏聚力 均呈指数衰减形式降低，内摩擦角变化很小。表明 冻融循环作用主要影响粗砂岩的黏结强度，而对岩 石的摩擦强度影响相对较小。主要原因是在冻融循 环过程中，矿物颗粒之间水冰相变产生的膨胀拉应 力超过裂隙扩展阀值，造成岩石颗粒之间的黏结作 用力降低。 通过摩尔-库伦准则拟合了粗砂岩在不同 ChaoXing 第 5 期 徐拴海等 冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律 107 围压、 不同冻融循环次数下岩石三轴抗压强度公式， 并与试验结果进行了对比，验证了公式的合理性。 参考文献 ［1］ 徐光苗， 刘泉声. 岩石冻融破坏机制分析及冻融力学试验研究 ［J］. 岩石力学与工程学报，2005，24（17）3076-3082. 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