高圍壓條件下低溫砂巖的力學試驗研究

汪永雄

【摘 要】隨著國家對西部地區的開發建設，高寒地區的基礎建設得到前所未有的發展。中低溫條件下的砂巖的力學特性對工程的建設有著重要意義。本文以雅康高速二郎山凍融段為背景，現場取樣砂巖，進行了高圍壓（80MPa）不同溫度條件（-40℃，-20℃，130℃，200℃）下的三軸壓縮試驗。分別從溫度對砂巖的峰值強度、破壞面形式、彈性模量、抗壓強度、泊松比等方面進行討論，對砂巖的破壞機理進行分析，為高圍壓低溫條件下砂巖的力學特性提供借鑒意義。

【關鍵詞】砂巖;高圍壓;三軸壓縮試驗;低溫

一、引言

隨著國家對西部地區的開發建設越來越多，高寒地區的工程建設也得到巨大的發展[1]。凍土是指，溫度在0℃或處于0℃以下，含有冰的土壤或者是巖石。二郎山隧道位于四川省雅安市和甘孜州交界的二郎山，它起于天全縣龍膽溪川藏線，止于瀘定縣別托山川藏公路，其中，二郎山隧道4176米，洞口海拔2200米，是川藏線改造咽喉工程。該地區砂巖常年處于高圍壓和低溫條件下，所以對于高圍壓條件下中低溫砂巖的力學試驗研究很有意義。

楊更社等[2]對三向應力條件下凍結巖石力學特性進行了研究，得出巖石凍結時礦物收縮和冰本身的強度及凍脹壓力使得巖石峰值強度得到提高。李鵬等[3]認為紅砂巖在低溫、低水壓、高圍壓條件下的斷裂軌跡呈橫向斷裂，但并未對其力學特性進行探討。單仁亮等[4]得出了溫度是影響彈性模量的主要因素，泊松比受溫度影響較小。

二、試驗方案

試驗中所采用的新鮮完整砂巖試件是二郎山隧道段現場采集的，試件為圓柱體，尺寸為直徑Φ×高度H=50mm×100mm。室內三軸壓縮試驗是在巖石力學試驗機上完成的。試驗方法是將制備好的試樣放置在試驗機上，同時在上下兩端各加一個直徑與試件斷面相同的剛性對中墊塊，然后以恒定的位移速率沿軸向施加荷載，直至試件破壞，試驗采用量程2000kN的壓力傳感器測試軸向荷載，采用量程200mm的位移傳感器測試位移，還配有一組更加敏感的用于測試試件軸向與徑向變形的傳感器。

三、試驗設備

主要的儀器設備：巖石三軸實驗機、空壓機、低溫循環、液壓源槽、高溫三軸室、低溫三軸室、主機、圍壓增壓器、孔壓增壓器等。

四、巖石的三軸壓縮試驗

對于圍壓80MPa的情況下，四組不同溫度下（-40℃、-20℃、130℃、200℃）的抗壓強度分別是149.06MPa、96.91MPa、54.39MPa、49.59MPa，溫度從-40℃上升到-20℃時，對應的強度下降了15.7%;上升到130℃時，強度下降了68.9%;上升到200℃時，強度下降了86.3%，圍壓一定，溫度越低試樣的強度越高。在圍壓80MPa的條件下，溫度130℃和200℃的砂巖試樣，呈現明顯的塑性破壞;溫度-40℃和-20℃的砂巖試樣，呈現明顯的脆性破壞。對比不同溫度條件下砂巖試樣的破壞形態，200℃和130℃粉碎性破壞較多，破壞呈塑性，-20℃和-40℃破壞面形式較單一，呈脆性破壞。砂巖試樣在低溫時，由于試樣內部存在孔隙水凝結成冰，在孔隙內形成凍脹壓力，使得巖石強度得到提高;溫度上升時，由于礦石顆粒膨脹系數差異和相互約束，產生熱應力，礦物顆粒在巖石原有的微裂紋處應力集中，當應力超過顆粒間的粘結強度極限，產生裂紋，試樣破壞。所以，隨著溫度的升高，峰值應力對應的應變急劇減小，試樣呈塑性發展。

不同溫度條件下，四組不同試驗的破壞面形態，130℃和200℃試樣粉碎性破壞較多，-20℃和-40℃，試樣沿結構面呈規律性破壞。

表1 不同溫度條件下圍壓80MPa砂巖的力學特性

通過實驗可以發現，在高圍壓（80MPa）條件下隨著溫度的升高，彈性模量成線性減小。對比表1，溫度從-40℃升溫到-20℃，彈性模量由34.4GPa降低至22.4GPa，減小了34.8%;升到130℃，彈性模量由34.4GPa降低至22.4GPa，減小了43.6%;升到200℃，彈性模量由34.4GPa降低到14.0GPa，減小了59.2%，可見對于高圍壓條件下的砂巖，溫度對于砂巖的彈性模量影響顯著。

在高圍壓（80MPa）條件下，隨著溫度的升高，巖石的抗壓強度也呈現線性減小。對比表1，溫度從-40℃上升到-20℃，巖石的抗壓強度由149.06MPa降低至96.91MPa，減小了35%;溫度升到130℃，減小了63.5%;溫度上升到200℃，減小了66.7%，溫度對于砂巖的抗壓強度影響較大，可見高圍壓下砂巖的抗壓強度與彈性模量之間存在較模糊的正相關性。

對比表1中不同溫度高圍壓條件下砂巖的泊松比，在負溫時，砂巖泊松比較小，130℃到200℃時，泊松比增長較快，低溫下，溫度對于泊松比影響并不顯著。

四、結論

本文針對二郎山隧道地區砂巖進行了高圍壓（80MPa）下，不同溫度條件（-40℃～200℃）下的三軸壓縮試驗，并分別從溫度對于試樣峰值強度、破壞面狀態、彈性模量、泊松比、抗壓強度多個方面進行討論，總結如下：

（1）高圍壓條件下，溫度對于砂巖的影響明顯，低溫下砂巖呈脆性破壞，其三軸壓縮試驗經過四個明顯的階段，壓密階段、彈性階段、塑性階段，破壞階段。130℃、200℃時，砂巖呈塑性破壞，壓縮試驗彈塑性階段分界不明顯，且強度下降很快。

（2）高圍壓條件下，溫度越高，破壞面粉碎區域越大。

（3）高圍壓條件下，溫度越高，砂巖的彈性模量與抗壓強度越低。

（4）高圍壓下，溫度較低時，溫度對泊松比影響不大。

【參考文獻】

[1]李寧，程國棟，謝定義. 西部大開發中的巖土力學問題[J]. 巖土工程學報，2001，23（3）：268–272.

[2]楊更社，奚家米，李慧軍，程磊. 三向受力條件下凍結巖石力學特性試驗研究[J]. 巖土力學與工程學報，2010，29（3）：459–464.

[3]李鵬，饒秋華，馬雯波，蘇淑蘭，馬春德. 脆性巖石熱–水–力耦合斷裂的斷口分析[J]. 巖土力學與工程學報，2014，33（6）：1179–1186.

[4]單仁亮，楊昊，郭志明，劉校東，宋立偉. 負溫飽水紅砂巖三軸壓縮強度特性試驗研究[J]. 巖土力學與工程學報，2014，33（8）增2：3357–3364.