白垩系砂岩宏细观冻融损伤特性试验研究

摘要：为研究人工冻结对白垩系砂岩物理力学特性的影响，以粗粒、中粒砂岩为研究对象，分别开展了一次冻融前后砂岩饱和吸水率试验、氮气吸附实验;并进行20，-30，20 ℃等不同冻结过程下的强度测试。试验结果表明：2种岩石经历冻融作用后饱和吸水率均有所增大，粗粒砂岩饱和吸水率增加幅度较大。一次冻融循环后粗粒砂岩比表面积和孔容都增大而平均孔径减小，而中粒砂岩区别于粗粒砂岩的是，其孔容呈现减小趋势。冻融作用下两种岩石单轴抗压强度和弹性模量均有不同程度的降低，粗粒砂岩单轴抗压强度和弹性模量降低幅度大于中粒砂岩。低温冻结提高了试验岩石的单轴抗压强度，粗粒砂岩单轴抗压强度提高幅度大于中粒砂岩。揭示了饱和砂岩物理力学特性劣化内在机理，指出了岩体结构特征及饱和状况是控制不同冻结过程损伤状况的主要指标。

关键词：白垩系砂岩;冻融损伤;细观结构;强度特征;控制指标

中图分类号：TU 45文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0209文章编号：1672-9315（2019）02-0241-08

0引言

近年来，西部地区掀起矿井建设的热潮，由于该地区煤炭资源大多上覆巨厚富水白垩系岩层，井筒建设多采用冻结法凿井[1-2]。人工冻结作用下，岩石经历一次冻融过程，冻融作用下，岩石物理力学特性参数会发生变化，若采用常温下岩石的参数或经验值进行工程设计，设计结果往往不尽合理[3]。因此，开展冻融作用下白垩系岩石的物理力学特性试验研究对冻结岩石力学理论研究和工程实际都具有重要意义。

岩石受环境温度影响的热力效应长期以来是岩石热力学理论与应用研究的热点问题之一[4]。寒区岩土工程、人工冻结工程使得工程结构围岩受到周期性低温效应作用或长期处于低温冻结状态[5]，其强度特性与常温状态有很大的不同。鉴于此，国内外岩土工程及其相关领域的学者就低温作用下岩石物理、力学特性变化方面已开展了大量的研究。李云鹏等对花岗岩开展了不同冻结温度下的压缩试验，岩石抗压强度、变形模量随温度降低呈增长趋势，而泊松比变化相对较小[6];徐光苗等分别对红砂岩和页岩开展了不同冻结温度和不同含水状态下的单轴压缩与三轴压缩试验，两种岩石的单轴抗压强度与弹性模量随温度降低而增大，且岩石的含水状态对岩石的冻结强度影响显著[7];张慧梅等基于损伤力学理论和试验统计方法相結合，通过探讨冻融损伤变量，受理损伤变量以及总损伤变量之间的关系，建立了冻融岩石的损伤本构模型与强度准则[8-9];李栋伟等、Petrov等通过高围压固结、低温冻结后再加卸载的试验方法模拟白垩系冻结软岩地下工程施工应力状态变化过程，提出了冻结软岩黏弹塑非线性蠕变本构力学模型[10-11];Vaferi等通过对处于不同围压、低温状况下下砂岩热物理参数分析，并基于神经网络方法实现热物理参数随冻融参数的演化过程系统化模拟，为开展不同冻结温度下的砂岩热参数认知提供了方向[12]。刘莹等对内蒙鄂尔多斯地区白垩系岩层开展了不同冻结温度下的物理力学性能试验，分析了单轴抗压强度与温度、含水率之间的相互影响关系[13];周科平等、李杰林等、对经历不同冻融循环次数的花岗岩进行了核磁共振和常规单轴压缩实验，得到了冻融循环后岩石的孔隙度、孔隙分布和单轴抗压强度与循环次数的关系[14-15];杨更社等分别以煤、砂岩、砂质泥岩为研究对象，开展了常温和不同冻结温度下岩石单轴压缩和三轴压缩试验，获得了不同温度条件下岩石试件的基本力学参数，并探讨了参数值与冻结温度的关系[16-19];Jia等研究了长期冻结条件下岩体中裂隙的扩展机制，并提出了开放裂隙中冻胀力的数学模型[20]。概而言之，现阶段的研究主要为开展不同冻融次数下完整岩块物理力学性质及其损伤演化规律，而目前，专门针对人工冻结状况一次冻融下引起的富水软岩物理力学影响的成果报道不足，特别是有关不同低温冻结状况下其力学特性的变化及其内在机制报道甚少。

依托甘肃新庄煤矿人工冻结风立井为工程背景，通过采集白垩系富水岩层穿越的粗粒砂岩、中粒砂岩，而后，分别开展在常温、冻结后、解冻两类砂岩的饱和吸水率试验，并进行20，-30，20 ℃等不同冻结过程下的强度测试，探讨经过一次冻结、融化影响下，粗粒砂岩、中粒砂岩饱和吸水率与单轴抗压强度、弹性模量等指标的关系，分析冻融过程对富水岩层损伤影响过程，进而为富水岩层区开展人工冻结凿井施工及设计提供基础试验依据。

1试验过程及测试

1.1试样制作及对应设备

1.1.1试样制作

岩样取自甘肃新庄煤矿人工冻结风立井白垩系富水软岩区，首先，从施工现场取回包括粗粒砂岩、中粒砂岩两种砂岩的新鲜完整大岩块，并确保大岩块满足标准圆柱样加工尺寸及精度要求，而后，用水钻法将大岩块加工成5×100 nm的圆柱形标准试样，接着，先剔除外观存在缺陷及视觉上差距明显的试件，最后，通过RSMSY5 智能声波检测仪测定试件的纵波波速状况，筛选波速相近的试件作为试验岩样，其中每3个为一组（图1）。

1.1.2试验设备

结合本次试验目的及要求，具体涉及到的试验仪器包括：①电子天平（标称精度确保小于±0.01 g）;②DZF型真空干燥箱（含真空抽气罐）;③DWX30低温冻融循环试验系统;④MTS815型电液伺服试验系统;⑤全自动比表面积分析仪。其中，全自动比表面积分析仪由美国麦克公司生产的ASAP系列，其基于吸附理论，在低于临界温度的条件下，可根据不同压力下砂岩对氮气的吸附量来反映其比表面积状况，而后设备可自动计算出对应的比表面积、孔容及平均孔径等孔隙状态参数。

1.2砂岩饱和吸水率状况测试

依据国家标准GB/T23561.5-2009《煤和岩石吸水性测定方法》[21]关于岩石饱和吸水率测试要求，开展对砂岩试样饱和，具体流程为：首先，将砂岩试样置于真空干燥箱中，并将温度设置到超过水分蒸发点温度（110 ℃），连续烘烤时间为24 h，确保砂岩内水分充分蒸发;而后，将干燥完成试样放置于室温条件下冷却6 h后称量;然后，将试样放置于专门的抽气容器内进行抽气2 h，每间隔2 h向抽气装置内注入蒸馏水，持续抽气4 h直至无气泡、水珠溢出，最后，将抽气完完成的试样放置水中连续浸泡24 h，最后完成取饱和后的试样称重。

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