白堊系砂巖宏細觀凍融損傷特性試驗研究

趙 濤，楊更社，奚家米，申艷軍，陳新年，賈曉峰

（西安科技大學，建筑與土木工程學院，陜西 西安710054）

0 引 言

近年來，西部地區掀起礦井建設的熱潮，由于該地區煤炭資源大多上覆巨厚富水白堊系巖層，井筒建設多采用凍結法鑿井［1-2］。人工凍結作用下，巖石經歷一次凍融過程，凍融作用下，巖石物理力學特性參數會發生變化，若采用常溫下巖石的參數或經驗值進行工程設計，設計結果往往不盡合理［3］。因此，開展凍融作用下白堊系巖石的物理力學特性試驗研究對凍結巖石力學理論研究和工程實際都具有重要意義。

巖石受環境溫度影響的熱力效應長期以來是巖石熱力學理論與應用研究的熱點問題之一［4］。寒區巖土工程、人工凍結工程使得工程結構圍巖受到周期性低溫效應作用或長期處于低溫凍結狀態［5］，其強度特性與常溫狀態有很大的不同。鑒于此，國內外巖土工程及其相關領域的學者就低溫作用下巖石物理、力學特性變化方面已開展了大量的研究。李云鵬等對花崗巖開展了不同凍結溫度下的壓縮試驗，巖石抗壓強度、變形模量隨溫度降低呈增長趨勢，而泊松比變化相對較小［6］；徐光苗等分別對紅砂巖和頁巖開展了不同凍結溫度和不同含水狀態下的單軸壓縮與三軸壓縮試驗，兩種巖石的單軸抗壓強度與彈性模量隨溫度降低而增大，且巖石的含水狀態對巖石的凍結強度影響顯著［7］；張慧梅等基于損傷力學理論和試驗統計方法相結合，通過探討凍融損傷變量，受理損傷變量以及總損傷變量之間的關系，建立了凍融巖石的損傷本構模型與強度準則［8-9］；李棟偉等、Petrov等通過高圍壓固結、低溫凍結后再加卸載的試驗方法模擬白堊系凍結軟巖地下工程施工應力狀態變化過程，提出了凍結軟巖黏彈塑非線性蠕變本構力學模型［10-11］；Vaferi等通過對處于不同圍壓、低溫狀況下下砂巖熱物理參數分析，并基于神經網絡方法實現熱物理參數隨凍融參數的演化過程系統化模擬，為開展不同凍結溫度下的砂巖熱參數認知提供了方向［12］。劉瑩等對內蒙鄂爾多斯地區白堊系巖層開展了不同凍結溫度下的物理力學性能試驗，分析了單軸抗壓強度與溫度、含水率之間的相互影響關系［13］；周科平等、李杰林等、對經歷不同凍融循環次數的花崗巖進行了核磁共振和常規單軸壓縮實驗，得到了凍融循環后巖石的孔隙度、孔隙分布和單軸抗壓強度與循環次數的關系［14-15］；楊更社等分別以煤、砂巖、砂質泥巖為研究對象，開展了常溫和不同凍結溫度下巖石單軸壓縮和三軸壓縮試驗，獲得了不同溫度條件下巖石試件的基本力學參數，并探討了參數值與凍結溫度的關系［16-19］；Jia等研究了長期凍結條件下巖體中裂隙的擴展機制，并提出了開放裂隙中凍脹力的數學模型［20］。概而言之，現階段的研究主要為開展不同凍融次數下完整巖塊物理力學性質及其損傷演化規律，而目前，專門針對人工凍結狀況一次凍融下引起的富水軟巖物理力學影響的成果報道不足，特別是有關不同低溫凍結狀況下其力學特性的變化及其內在機制報道甚少。

依托甘肅新莊煤礦人工凍結風立井為工程背景，通過采集白堊系富水巖層穿越的粗粒砂巖、中粒砂巖，而后，分別開展在常溫、凍結后、解凍兩類砂巖的飽和吸水率試驗，并進行20，-30，20℃等不同凍結過程下的強度測試，探討經過一次凍結、融化影響下，粗粒砂巖、中粒砂巖飽和吸水率與單軸抗壓強度、彈性模量等指標的關系，分析凍融過程對富水巖層損傷影響過程，進而為富水巖層區開展人工凍結鑿井施工及設計提供基礎試驗依據。

1 試驗過程及測試

1.1 試樣制作及對應設備

1.1.1 試樣制作

巖樣取自甘肅新莊煤礦人工凍結風立井白堊系富水軟巖區，首先，從施工現場取回包括粗粒砂巖、中粒砂巖兩種砂巖的新鮮完整大巖塊，并確保大巖塊滿足標準圓柱樣加工尺寸及精度要求，而后，用水鉆法將大巖塊加工成φ5×100 nm的圓柱形標準試樣，接著，先剔除外觀存在缺陷及視覺上差距明顯的試件，最后，通過RSM-SY5智能聲波檢測儀測定試件的縱波波速狀況，篩選波速相近的試件作為試驗巖樣，其中每3個為一組（圖1）。

1.1.2 試驗設備

圖1 2種代表性砂巖試件（取自人工凍結法施工的煤礦豎井）Fig.1 Two typical sandstone samples collected from a coal shaft constructed using artificial ground freezingmethod

結合本次試驗目的及要求，具體涉及到的試驗儀器包括：①電子天平（標稱精度確保小于±0.01 g）；②DZF型真空干燥箱（含真空抽氣罐）；③DWX-30低溫凍融循環試驗系統；④MTS-815型電液伺服試驗系統；⑤全自動比表面積分析儀。其中，全自動比表面積分析儀由美國麥克公司生產的ASAP系列，其基于吸附理論，在低于臨界溫度的條件下，可根據不同壓力下砂巖對氮氣的吸附量來反映其比表面積狀況，而后設備可自動計算出對應的比表面積、孔容及平均孔徑等孔隙狀態參數。

1.2 砂巖飽和吸水率狀況測試

依據國家標準GB/T23561.5-2009《煤和巖石吸水性測定方法》［21］關于巖石飽和吸水率測試要求，開展對砂巖試樣飽和，具體流程為：首先，將砂巖試樣置于真空干燥箱中，并將溫度設置到超過水分蒸發點溫度（110℃），連續烘烤時間為24 h，確保砂巖內水分充分蒸發；而后，將干燥完成試樣放置于室溫條件下冷卻6 h后稱量；然后，將試樣放置于專門的抽氣容器內進行抽氣2 h，每間隔2 h向抽氣裝置內注入蒸餾水，持續抽氣4 h直至無氣泡、水珠溢出，最后，將抽氣完完成的試樣放置水中連續浸泡24 h，最后完成取飽和后的試樣稱重。

而飽和吸水率測定試驗流程包括以下步驟：①為更好開展對照分析，分別將粗粒、中粒砂巖試樣各3塊，依據以上飽和方法分析對應室溫條件下各自的飽和吸水率狀況，并取得對應平均值；②將以上試樣放入低溫凍融循環試驗系統開展凍結。基于新莊煤礦現場人工凍結采用的鹽水溫度為-30℃的實際狀況，本次實驗將凍結溫度選擇為-30℃；③在以上溫度條件下連續凍結48 h，將試樣取出放置于室溫條件進行天然狀況下的解凍，待充分解凍完成后（24 h）開展其對應解凍后2類砂巖飽和吸水率狀況測定。

1.3 巖石單軸壓縮試驗

將兩類砂巖試樣分3組進行飽水處理，其中，第1組開展常溫狀況下的單軸壓縮測試；第2組首先開展低溫凍結試驗，保持恒溫凍結-30℃達48 h，而后，借助MTS-815型電液伺服試驗系統進行單軸壓縮。第3組則完成“-30℃凍結（48 h）+20℃解凍（48 h）”組合過程后，再對試樣進行單軸壓縮試驗。獲得以上3組試樣對應的單軸抗壓強度應力應變曲線，并藉此換算對于的彈性模量值。，其中，需要強調的是，單軸壓縮試驗采用軸向位移速率控制方法，對應的控制速率選擇為0.002 mm/s.

1.4 巖石微觀結構測試

分別取兩種巖石試樣各1個，首先在每個樣品上切下一小塊（要求單體質量大于20 g），之后，將樣品進行飽水處理，并開展一次凍融循環，對應的凍融條件為：-30℃凍結48 h，之后自然融化48 h.在凍融后的樣品上再切下一小塊（同樣要求質量大于20 g），并將凍融前的小塊樣品一起放入真空干燥箱進行烘干（110℃，24 h）。將烘干后的樣品分別粉碎過篩，取粒徑0.28～0.45 mm的樣品5～10 g裝入樣品袋并編號。之后利用ASAP型全自動比表面積分析儀進行氮氣吸附實驗，詳細的實驗流程參考規范GB/T19587-2004《氣體吸附BET法測定固態物質比表面積》［22］。

2 結果分析

2.1 不同凍結、融化狀態下砂巖飽和吸水率對比

通過飽和吸水率指標可較好反映砂巖內部不同孔隙大小的空間發育狀況，對于了解其孔隙狀況具有重要參考［15］。具體可參考以下公式計算各自對應的在凍結后的飽和吸水率狀況。

式中 ωp為巖石的飽和吸水率，%；mp為巖石飽和后的質量，g；ms為巖石的干質量，g.

根據表1實驗結果，從同一種巖石試樣來看，不同試樣凍融前后的飽和吸水率有差異，兩組粗粒砂巖試樣凍結前飽和吸水率差值為0. 4%，凍融后差值增加到0. 8%，2組中粒砂巖凍結前和凍融后的飽和含水率差值均為0. 2%，但總的來說同一種巖石個體試樣之間飽和吸水率差異不大。從不同巖石來看，無論是凍結前還是凍融后，粗粒砂巖飽和吸水率都大于中粒砂巖。2類砂巖在進行一次凍結、解凍后的飽和吸水率狀況均有增大趨勢，其中，粗粒砂巖飽和吸水率（32. 1%）較中粒砂巖（15. 3%）增幅更為顯著，反映出孔隙率狀況對飽和吸水率的影響作用。巖石試樣經歷凍結融解后飽和吸水率增加是由于孔隙裂隙水結冰產生凍脹力，使得原有的孔隙裂隙微觀結構發生很大變化，有新的微細裂紋產生。巖石的飽和吸水率的變化本質上由于其孔隙率的變化［23］，因此，巖石試件凍融前后飽和吸水率變化幅度反映了其內部凍融損傷的劇烈程度。巖石凍融損傷的大小取決于其強度和凍脹力的相對大小。粗粒砂巖凍融前后飽和吸水率變化幅度相對較大，說明在凍結過程中較大的飽和含水率產生了較大的凍脹力，從而產生了更為顯著的結構化損傷。

表1 凍融前后2類砂巖飽和吸水率狀況對比分析Table 1 Saturated water absorption rate of rock samples before and after freezing and thaw ing

2.2 不同凍結、融化狀態下砂巖微觀結構對比

本次實驗采用ASAP型全自動比表面積分析儀進行氮氣吸附實驗，并基于孔隙內氣體BET吸附理論、毛細孔凝聚方程獲得粗粒砂巖、中粒砂巖經過一次凍結、融化后對應的比表面積、孔容和平均孔徑變化狀況［24-26］，詳細測試結果見表2，3.其中，需要強調的是，以上測試指標相關物理含義為：比表面積（m2/g）指單位質量多孔固體物質所具有的表面積，孔容（cm3/g）指多孔固體物質單位質量所具有的細孔總容積，平均孔徑（nm）指吸附總孔體積與BET法比表面積的比值［27］。

表2 粗粒砂巖凍融前后孔隙結構變化Table 2 Changes of pore structure of coarse sandstone sam ples before and after one freeze-thaw cycle

表3 中粒砂巖凍融前后孔隙結構變化Table 3 Changes of pore structure of fine sandstone samp les before and after one freeze-thaw cycle

基于以上結果，可較好反映出2類砂巖孔隙結構變化情況。表2顯示粗粒砂巖在一次凍融循環前后比表面積由凍結前2.44 m2/g增加到解凍后的3.55 m2/g（增幅45.5%）；孔容由凍結前6.4*10-3cm3/g增加到解凍后的7.3*10-3cm3/g（增幅14.1%）；孔徑由凍結前的10.48 nm降至解凍后的8.22 nm（降幅21.6%）。以上結果表明：粗粒砂巖在凍融過程中的損傷主要表現為小孔隙數量的增加，即孔容的增加。結合孔隙類巖石的凍融損傷機制分析［28］，具體而言：其在-30℃下除孔隙中的自由水結冰外，細孔中的毛細水也發生了部分凍結，產生了較大的凍脹力，導致砂巖內部產生許多新的微細孔隙。平均孔徑的減小應是由比表面積增加導致的。此外，通過表3同樣可反映出中粒砂巖在一次凍融循環前后的變化情況，其中，比表面積由凍結前0.56增至0.63 m2/g（增幅12.5%）；孔容由凍結前2.7*10-3cm3/g變為解凍后的2.5*10-3cm3/g，相對降幅不大；同樣，其平均孔徑由19.08 nm降至16.01 nm，大體降幅為16.1%，相較粗粒砂巖降幅也明顯降低。具體而言，中粒砂巖在凍融過程中的損傷主要表現為介孔、大孔的增加，即：孔隙水一次凍結過程導致細孔擴展為介孔和大孔，而對應新產生的細孔數量較少，因此總比表面積增加但孔容減小。同時，平均孔徑的減小與比表面積增加關系密切。

2.3 凍融作用下巖石力學特性

2.3.1 一次凍融作用下砂巖應力-應變曲線對比

圖2反映的是粗粒砂巖、中粒砂巖的在單軸壓縮狀況下對應的應力-應變曲線圖，詳細標注出在常溫、凍結、解凍后各自的應力 -應變變化狀況。

由圖2可知，粗粒砂巖、中粒砂巖在3種不同狀態下其應力-應變曲線呈現大體相似的變化規律。但具體對比而言，凍結狀態下2類砂巖的壓密階段和塑性屈服階段相對較短，彈性階段斜率相對較大；而解凍后砂巖壓密階段相對較長，彈性階段斜率相對較小。深入剖析原因可歸納為以下2點：①相對常溫狀態下的多孔隙砂巖試樣，其凍結狀態下孔隙內的自由水逐步凝結成冰，并誘發水熱遷移至更為細小的孔隙內，導致砂巖內部孔隙多被裂隙冰充填，進而導致砂巖的整體脆性狀況增強，整體強度提升；②解凍后的砂巖試件因孔隙水的一次凍結、融化過程，會產生典型的“冰塞效應”，誘發裂隙端部的張開、斷裂，導致其內部出現新的不可逆損傷，即大量微裂紋叢集發生，從而導致其整體強度偏低，且其壓密變形階段延長。此外，尚可觀察到的現象有：砂巖單軸抗壓強度凍結時最大，常溫次之，而解凍后強度最小，說明對于多孔隙砂巖而言，一次凍結、融化過程對于其強度影響依然非常顯著。

2.3.2 一次凍融作用下砂巖峰值抗壓強度

基于應力-應變曲線進一步分析粗粒砂巖、中粒砂巖常溫（+20℃）、凍結（-30℃）和解凍后常溫（+20℃）狀態下各自對應的峰值抗壓強度對比結果，討論一次凍結、融化過程對砂巖的影響作用，如圖3所示。

圖3 不同凍結、融化狀態下2類砂巖試件峰值抗壓強度對比Fig.3 Peak compressive strength of two types of sandstone with different freezing condition

由圖3可以定量得到兩種巖石在不同狀態下單軸抗壓強度的變化情況。常溫狀態下，粗粒砂巖單軸抗壓強度大于中粒砂巖。砂巖在凍結狀態下的單軸抗壓強度均有所提高，但提高幅度不盡相同。與常溫狀態下巖石單軸抗壓強度相比，粗粒砂巖凍結時的平均單軸抗壓強度由常溫時的28.01 MPa增大到38.98 MPa，提高了10.97 MPa（約39%）；中粒砂巖平均單軸抗壓強度由17.78 MPa增大到 25.86 MPa，提高了 8.08 MPa（約45%）。對比發現：凍結作用對中粒砂巖的峰值強度影響效應應大于與粗粒砂巖。而與常溫狀態下巖石單軸抗壓強度相比，粗粒砂巖解凍后的峰值強度由出現了顯著降低（降幅約42.6%）；但中粒砂巖降幅并不大，僅約12.2%.由此可以得出，經歷一次凍融后，粗粒砂巖單軸抗壓強度減小幅度較大，而一次凍融對中粒砂巖的單軸抗壓強度影響較小。

2.3.3 一次凍融作用下砂巖彈性模量對比

為更好反映一次凍融對砂巖彈性模量的影響效果，文中選取瞬時抗壓強度的50%與其所對應的應變ε50的比值作為試樣的彈性模量值進行對比計算。具體而言，根據應力-應變曲線可以得到粗粒砂巖和中粒砂巖分別在3種不同溫度狀況下：常溫（+20℃）、凍結（-30℃）和解凍后常溫（+20℃）狀態下彈性模量變化情況，如圖4所示。

圖2 2類代表性砂巖在不同凍結、融化狀態下的應力-應變曲線Fig.2 Relationship between stress and strain of two types of sandstone under different conditions

由圖4可知，兩類砂巖在經過一次凍融循環后，各自的彈性模量均出現一定程度的降低，其中，粗粒砂巖的彈性模量降幅最為顯著，從常溫狀況下約4.4 GPa減小到一次凍融后的1.9 GPa，降幅約68%；而中粒砂巖從常溫狀況下約2.0 GPa減小到一次凍融后的1.4 GPa，降幅約30%.同樣印證了一次凍融對粗粒砂巖彈性模量的影響遠大于中粒砂巖。

圖4 砂巖試件在不同溫度狀態下的彈性模量Fig.4 Elasticmodulus of sandstone samples under different temperature states

以上試驗結果表明，飽和狀態下粗粒砂巖和中粒砂巖凍結時單軸抗壓強度均有不同程度的提高，其提升原因與裂隙水、孔隙水發生冰水相變，提升其整體強度；同時冰的充填作用間接起到對孔隙的粘結效果。此外，溫度的降低也會導致巖石顆粒體積產生收縮，顆粒之間排列更加緊密，從而使得巖石試件強度略有提高。但是，3種巖石經歷凍融后，其單軸抗壓強度和彈性模量均有所降低，其主要原因是：凍結過程中，飽和巖石試件內部孔隙裂隙水結冰產生凍脹力，當凍脹力大于巖石結構強度時，會對試件產生新的損傷，從而降低其強度特性。粗粒砂巖因其飽和含水率，比表面積和孔容都較大，凍結對試件的損傷也更大，因此，其單軸抗壓強度和彈性模量減小幅度也相應較大，而該結果在飽和吸水率、微觀結構觀測中也得到很好印證。由此可知，砂巖內部孔隙分布結構和含水率是影響凍融損傷的兩大重要因素。

4 結 論

人工凍結法鑿井是西部地區富水軟巖地層井筒建設的主要技術手段，凍融作用下白堊系巖石物理力學特性的研究關系到凍結壁、井壁設計的科學性。文中開展2種代表性砂巖的在常溫、凍結、解凍后等3種不同狀態下的飽和吸水率、微觀結構試驗及單軸壓縮試驗，獲得其凍融前后的飽和吸水率、孔隙結構、單軸抗壓強度和彈性模量變化，探討了一次凍融作用下砂巖的損傷效果。

1）凍融對2種巖石飽和吸水率均有不同程度的影響，2種巖石經歷凍融作用后飽和吸水率均有所增大，粗粒砂巖飽和吸水率增加幅度較大；

2）一次凍融循環后粗粒砂巖比表面積和孔容都增大而平均孔徑減小，而中粒砂巖則表現為：比表面積增大，孔容和平均孔徑減小；

3）一次凍融作用下，2類砂巖的單軸抗壓強度和彈性模量均有不同程度的降低，其中，粗粒砂巖峰值抗壓強度、彈性模量降幅均大于中粒砂巖；

4）低溫凍結提高了試驗巖石的單軸抗壓強度，粗粒砂巖單軸抗壓強度提高幅度大于中粒砂巖；

5）基于以上試驗結果可知，對于多孔隙砂巖而言，其內部孔隙分布結構、含水率狀況是導致其凍融損傷效果的主要控制因素。