凍結(jié)溫度與含水狀態(tài)對(duì)巖石力學(xué)特性的影響

凍結(jié)溫度與含水狀態(tài)對(duì)巖石力學(xué)特性的影響

1凍融環(huán)境與巖石力學(xué)性質(zhì)根據(jù)研究數(shù)據(jù)，冷帶巖石的自然冷凍循環(huán)過(guò)程是巖漿巖工程中造成巖石工程災(zāi)難的主要原因。例如，冷凍循環(huán)和環(huán)循環(huán)會(huì)導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡的風(fēng)化、剝離、不穩(wěn)定和滑動(dòng)。在寒區(qū)公路、鐵路隧道中，由于凍融循環(huán)將引起隧道圍巖的漏水、掛冰、凍裂，甚至?xí)鹚淼赖氖Х€(wěn)。同時(shí)，凍融循環(huán)作用也會(huì)導(dǎo)致路基的抬升、融沉和液化天然氣(LNG)低溫儲(chǔ)存中圍巖受超低溫影響的不穩(wěn)定性影響等。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于低溫、凍融條件下巖石的強(qiáng)度特征研究不多，已有的研究分別考慮了溫度、巖性、含水量及鹽溶液含量對(duì)巖石的凍融劣化及巖石強(qiáng)度參數(shù)的影響。如N.Matsuoka等著重研究了巖石的凍融破壞機(jī)理及巖石強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系；C.Park等通過(guò)試驗(yàn)研究了韓國(guó)典型花崗巖和砂巖的熱物理參數(shù)與溫度的關(guān)系；T.C.Chen等分別研究了含水量與未凍水含量對(duì)巖石凍融損傷強(qiáng)度的影響規(guī)律；Y.Inada和K.Yokota通過(guò)單軸壓縮和拉伸試驗(yàn)，分別研究了花崗巖和安山巖在干燥和飽和時(shí)，從-160℃～20℃的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，及經(jīng)歷1次和3次凍融循環(huán)后室溫下抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，他指出花崗巖和安山巖無(wú)論是飽和狀態(tài)還是干燥狀態(tài)，其拉、壓強(qiáng)度均隨溫度降低而增大；李寧等通過(guò)在砂巖中預(yù)制裂隙來(lái)模擬裂隙巖體，研究了其在干燥、飽水及飽水凍結(jié)情況下的低周疲勞損傷特性，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)對(duì)裂隙的低周疲勞特性影響較小，而裂隙對(duì)砂巖的疲勞損傷特性有很大影響；楊更社等對(duì)不同凍結(jié)溫度下的飽冰巖石進(jìn)行CT掃描，分析了凍結(jié)溫度、凍結(jié)速率對(duì)巖石損傷的影響。但迄今為止，關(guān)于低溫凍結(jié)環(huán)境下巖石基本力學(xué)性質(zhì)系統(tǒng)的研究較為鮮見(jiàn)。本文選取2種均勻性較好的典型性巖石，進(jìn)行不同溫度、不同含水狀態(tài)(飽和與干燥)的巖石單軸及三軸壓縮試驗(yàn)，以期獲得2種巖石在不同溫度及不同含水狀態(tài)下基本力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，為今后開(kāi)展低溫下巖體THM耦合過(guò)程分析提供良好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2巖樣的篩選和波速測(cè)試方法試驗(yàn)共選取2種巖石，即江西紅砂巖和湖北頁(yè)巖。紅砂巖為細(xì)粒結(jié)構(gòu)、棗紅色，粒徑分布均勻，主要成分為石英；頁(yè)巖為新鮮、灰色，硅質(zhì)膠結(jié)物與云母互層，層理分布均勻，不含原生裂紋，主要成分為云母。取樣方法均為現(xiàn)場(chǎng)取得新鮮完整大巖塊，再運(yùn)到工廠用水鉆法鉆取標(biāo)準(zhǔn)巖芯(φ50mm×100mm)，2種巖石試樣的取樣方向均為垂直于巖石沉積方向。試驗(yàn)前對(duì)巖樣進(jìn)行篩選，先剔除視覺(jué)上差別較大的個(gè)別巖樣，再采用巖石聲波儀測(cè)試各個(gè)巖樣的聲波波速，篩選出波速相近的巖樣進(jìn)行試驗(yàn)，以減少巖樣物理力學(xué)性質(zhì)上的離散性。試樣共用到干燥和飽和2種狀態(tài)的巖樣。干燥巖樣的制備方法是：將選好的巖樣放入烘箱中，在105℃溫度下烘48h至恒重(24h內(nèi)其質(zhì)量變化不超過(guò)0.1%)，然后稱量并記錄各巖樣的質(zhì)量。飽和巖樣的制備方法是：把選好的巖樣放入抽氣容器中，密封容器，抽取容器中的空氣，先抽氣2h后再向容器中放入蒸餾水，并繼續(xù)抽氣4h直至無(wú)氣泡溢出，然后將巖樣在水中浸泡24h以上，稱取飽和后的巖樣在空氣中質(zhì)量及水中質(zhì)量，以此得到巖樣的飽和含水量和孔隙度。2種巖樣的物理參數(shù)平均值見(jiàn)表1。3在低溫下，單軸巖石壓縮試驗(yàn)3.1巖樣內(nèi)部溫度控制取干燥或飽和巖樣，用乳膠套密封好，并逐一編號(hào)，放入超低溫控溫箱中(DTS–021)并緩慢降溫，降溫速率為0.02℃/min。當(dāng)達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)溫度后，繼續(xù)恒溫24h，以保證巖樣內(nèi)部溫度達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的溫度。與此同時(shí)，材料試驗(yàn)機(jī)(MTS810)上的壓力室也開(kāi)始同步降溫到預(yù)定的試驗(yàn)溫度。壓力室的降溫是通過(guò)2個(gè)循環(huán)冷浴裝置對(duì)桶體內(nèi)的液壓油進(jìn)行降溫，并且在壓力室內(nèi)埋設(shè)溫度傳感器，以對(duì)壓力室內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)巖樣凍結(jié)時(shí)間滿足規(guī)定的要求后，從控溫箱中拿出巖樣并立即放入試驗(yàn)機(jī)壓力室中，繼續(xù)恒溫至少2h以上，以減少巖樣運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的溫度誤差。DTS–021超低溫控溫箱如圖1(a)所示，其溫度控制精度為0.1℃，最低溫度可降至-80℃。MTS810試驗(yàn)機(jī)控溫系統(tǒng)如圖1(b)所示。3.2單軸壓縮試驗(yàn)低溫下巖石單軸壓縮試驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上完成的。該試驗(yàn)機(jī)的最大軸向荷載為250kN，最大圍壓為20MPa。試驗(yàn)機(jī)壓力室的試驗(yàn)溫度控制誤差不超過(guò)±0.5℃。單軸壓縮試驗(yàn)采用軸向位移速率控制方式，控制速率為0.002mm/s。干燥狀態(tài)下巖樣的試驗(yàn)溫度為20℃，0℃，-20℃共3級(jí)，飽和狀態(tài)下巖樣試驗(yàn)溫度為-20℃，-10℃，-5℃，0℃及20℃共5級(jí)，每級(jí)溫度下本文至少取3塊巖樣進(jìn)行平行試驗(yàn)，以取得不同溫度下單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量的平均值。3.3單軸抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系由試驗(yàn)可得出2種巖石在不同含水狀態(tài)和不同溫度下的軸向應(yīng)力–應(yīng)變曲線，飽和和干燥巖石的代表性曲線分別如圖2,3所示。由圖2,3可知，無(wú)論對(duì)于飽和狀態(tài)還是干燥狀態(tài)，2種巖石的單軸抗壓強(qiáng)度在-20℃～20℃范圍內(nèi)隨溫度降低而增大。根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，2種巖石單軸抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系見(jiàn)圖4(σb為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa)。由圖4可知，對(duì)于飽和狀態(tài)，紅砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度在-20℃～20℃范圍內(nèi)隨溫度的降低逐漸增大，并基本呈負(fù)指數(shù)關(guān)系；而頁(yè)巖溫度為-5℃～20℃內(nèi)其單軸抗壓強(qiáng)度變化不大，當(dāng)溫度低于-5℃時(shí)，其單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度降低急劇增大。對(duì)于干燥狀態(tài)，溫度為-20℃～20℃時(shí)，紅砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度降低呈線性增大，而頁(yè)巖的單軸壓縮強(qiáng)度在0℃～20℃范圍內(nèi)變化不大，而隨溫度進(jìn)一步降低，其強(qiáng)度也明顯增大。另外，由圖4(a)，(b)可知，溫度在-20℃～20℃時(shí)，紅砂巖在飽和狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度大于頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度；而在干燥狀態(tài)下，紅砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度明顯小于頁(yè)巖單軸抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，含水狀態(tài)對(duì)頁(yè)巖凍結(jié)強(qiáng)度的影響明顯大于對(duì)紅砂巖的影響。3.4安裝過(guò)程在上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本文給出2種巖石在不同含水狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度與溫度的試驗(yàn)擬合關(guān)系式。3.4.1紅砂巖(1)飽和狀態(tài)時(shí)紅砂巖的擬合關(guān)系式為式中：T為溫度(℃)。(2)干燥狀態(tài)時(shí)紅砂巖的擬合關(guān)系式為3.4.2溫度對(duì)2種巖石彈性模量的影響(1)飽和狀態(tài)時(shí)頁(yè)巖的擬合關(guān)系式為(2)干燥狀態(tài)時(shí)頁(yè)巖的擬合關(guān)系式為根據(jù)不同溫度下巖石單軸抗壓試驗(yàn)曲線，可獲得不同溫度下2種巖石的彈性模量，2種巖石彈性模量與溫度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。由圖5可知，溫度為-20℃～20℃時(shí)，2種巖石的彈性模量隨溫度的變化趨勢(shì)基本與圖4相同。但值得一提的是，無(wú)論是干燥狀態(tài)或是飽和狀態(tài)，不同溫度下紅砂巖的彈性模量均比頁(yè)巖的要大。4圍壓對(duì)巖石三軸抗壓強(qiáng)度的影響不同溫度下的巖石三軸壓縮試驗(yàn)也是在MTS810試驗(yàn)機(jī)上完成的。試驗(yàn)所用巖樣均為飽和巖樣，三軸壓縮試驗(yàn)的準(zhǔn)備過(guò)程與單軸壓縮試驗(yàn)相同。在20℃，-5℃，-10℃共3種溫度下進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，每級(jí)溫度基本對(duì)應(yīng)4個(gè)圍壓(σ3=0,4,7,10MPa)，個(gè)別情況做5個(gè)圍壓(σ3=0,4,7,10,15MPa)。三軸壓縮試驗(yàn)控制方式均為軸向位移控制，控制速率為0.002mm/s，由試驗(yàn)得到2種巖石在不同溫度下的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖6,7)，并繪制出不同溫度下的莫爾圓及其包絡(luò)線(見(jiàn)圖8)，不同溫度下2種巖石三軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)如表2所示。由圖6～8及表2的試驗(yàn)結(jié)果可知，在飽和狀態(tài)下，2種巖石的三軸抗壓強(qiáng)度都隨圍壓增大而增大；2種巖石的三軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角?)隨溫度的降低而增大。由于巖性、孔隙率及含水量之間的差異，江西紅砂巖隨溫度降低，其三軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比湖北頁(yè)巖變化大，這與單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果相符。5飽和溫度對(duì)紅砂巖單軸強(qiáng)度的影響本文針對(duì)江西紅砂巖和湖北頁(yè)巖，在低溫范圍內(nèi)(-20℃～20℃)及不同含水狀態(tài)下，分別設(shè)計(jì)并實(shí)施2種巖石的單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)，研究2種典型巖石在不同凍結(jié)溫度、不同含水狀態(tài)的基本力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，總結(jié)如下：(1)從低溫下巖石單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，無(wú)論對(duì)于飽和狀態(tài)還是干燥狀態(tài)，2種巖石的單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量在-20℃～20℃范圍內(nèi)基本上隨溫度的降低而增大，然而溫度變化對(duì)紅砂巖的影響程度大于頁(yè)巖。(2)飽和狀態(tài)下，紅砂巖在-20℃～20℃時(shí)，其單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨溫度降低逐漸增大；頁(yè)巖在-5℃～20℃范圍內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量幾乎沒(méi)什么變化，而當(dāng)溫度為-5℃～