單軸壓縮測試條件下泥巖的力學特性綜述

曹磊

摘 要：本文簡要介紹泥巖力學特性指標及其在實際中的研究方法，通過對前人在不同地區、不同條件下對泥巖進行的單軸壓縮測試所得到的應力-應變曲線進行對比，總結出典型泥巖應力-應變曲線的總體特征。通過不同形式的泥巖單軸壓縮測試對比歸納，總結出泥巖力學特性的主要影響因素，包括礦物組成（成分、含量和結構）、水（含水率和浸水時間）、pH、溫度，并對各影響因素及之間的關系進行簡單分析。

關鍵詞：泥巖;單軸壓縮測試;力學特性;應力-應變曲線;影響因素

中圖分類號：TD313文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）14-0135-06

A Review of the Mechanical Properties of Mudstone Under Uniaxial Compression Tests

CAO Lei

（Hebei Geological Workers University，Shijiazhuang Hebei 050081）

Abstract： The mechanical properties of mudstone and its practical research methods was briefly introduced in this paper， and the overall characteristics of typical mudstone stress-strain curves were summarized by comparing the stress-strain curves obtained by the previous uniaxial compression tests on mudstones in different regions and under different conditions. Through the comparison of different forms of mudstone uniaxial compression test， the main influencing factors of mudstone mechanical properties were summarized， including mineral composition （composition， content and structure）， water （water content and immersion time）， pH， temperature， and the influencing factors and the relationship between them were simply analyzed.

Keywords： mudstone;uniaxial compression test;mechanical properties;stress-strain curve;influencing factors

黏土巖類是地球分布面積最廣的沉積巖，約占沉積巖總量的60%[1]，而泥巖是黏土巖類的代表性巖石。在我國，泥巖層在沉積巖發育區域中廣泛存在，如揚子地臺、華北地臺、塔里木盆地、松遼盆地、鄂爾多斯盆地等[2-5]。

泥巖常因含有機質呈灰黑色、黑色，或含鐵質而呈褐紅色、棕紅色;結構按粒度分泥質結構、含粉砂泥質結構、粉砂泥質結構、砂泥狀結構等;無明顯層理，無頁理或不明顯，常呈塊狀。泥巖主要由黏土礦物（高嶺石、蒙脫石、伊利石等）構成，其次為陸源碎屑礦物（石英、長石、云母等）和少量自生非黏土礦物（方解石、白云石、石英、海綠石、石膏等）。泥巖由弱固結的黏土經過中等程度的成巖作用和后生作用（如壓固、脫水、重結晶等）而強固結形成。不同地質年代、不同地區的泥巖組分差別較大。

泥巖層常出現在烴源巖和油氣儲集層的上蓋層或下底板位置，且由于泥巖具有突破壓力高、中值半徑小、滲透率低、熱導率低等特點[6]，如能利用泥巖的特性阻隔烴源巖和油氣儲集層開采過程中產生的污染物質，形成封閉型隔層，則對地表土壤及地下水體形成保護作用，并減少開采后期的環境恢復治理成本。另外，由于泥巖富含黏土礦物，具有易吸水膨脹等特點，在烴源巖和油氣儲集層開采過程中，外界施工擾動等會造成儲層巖石的彈性形變或塑性形變，使泥巖強度變低，誘發泥巖層軟化及崩解現象，對烴源巖和油氣儲集層的開采造成破壞[7-8]。

綜上所述，泥巖的力學特性在烴源巖和油氣儲集層開采過程中成為必要的研究對象。國內外很多學者對泥巖的力學特性進行了大量的試驗研究，系統地分析泥巖的在各種試驗條件下的蠕變性、膨脹性、崩解性等，并通過實測數據建立起泥巖特性數學模型[9-13]。篇幅所限，本文僅對前人在單軸壓縮測試條件下泥巖的力學特性及影響因素進行綜述，并進行簡要分析總結。

1 泥巖的力學特性指標及研究方法

巖石的強度指巖石試件在各種載荷作用下達到破壞時所能承受的最大荷載應力，主要包括抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度。由于泥巖在自然狀態下一般承受壓應力的作用，受拉應力的情況較少，因此在研究中，以抗壓強度和抗剪強度的測試最為常見。

在測試中，一般將試件制作成圓柱體，在室內通過在壓力機上進行加壓試驗而測得。巖石的抗壓強度包括單軸抗壓強度和三軸抗壓強度。單軸抗壓強度指巖石試件在單軸壓縮荷載作用下被破壞時所承受的最大壓應力;三軸抗壓強度指巖石試件在三軸壓縮載荷作用下被破壞所承受的最大壓應力。其中，單軸壓縮測試可分為天然單軸抗壓強度測試、飽和單軸抗壓強度測試、風干單軸抗壓強度測試等;三軸壓縮測試分為真三軸壓縮測試和常規三軸壓縮測試。單軸壓縮測試和常規三軸壓縮測試較為常見[14]。

本文僅對泥巖單軸壓縮測試結果進行分析，總結其應力-應變曲線變化特征，并探究各條件（如巖石成分、含水率、溫度等）發生變化時對泥巖抗壓強度的影響，總結泥巖力學特性的主要影響因素。

2 典型的泥巖應力-應變曲線特征

巖石的應力-應變曲線，表征了巖石受外應力后從開始變形，逐漸破壞，到最終失去承載能力的整個過程。本文所述單軸壓縮測試，是指僅在軸向逐級連續加載應力-應變關系，即連續遞增荷載施加于巖樣上，以得到巖樣的應力-應變關系、彈性模量、泊松比等力學參數。

肖尊群等[15]選取巴東組典型微風化紅色粉砂質泥巖試樣進行室內單軸壓縮測試，得到泥巖應力-應變曲線，如圖1所示。其結論認為，巴東組飽和粉砂質泥巖具有典型的軟巖力學特征：最初為微裂隙閉合階段，該階段孔隙率減小，應變變化明顯;隨后為彈性變形階段，峰值前應力-應變并非完全呈線性關系;之后進入塑性變形階段和塑性剪切破壞階段，而且塑性變形階段不明顯。

郭瑞等[16]選取寧夏神華寧煤現場砂質泥巖試樣，黃志全等[17]選取寧夏固原地區飲水工程中的白堊系泥巖試樣，付宏淵等[18]選取湖南長沙市岳麓山中泥盆統棋梓橋組強風化粉砂質泥巖邊坡的粉砂質泥巖試樣，分別進行泥巖單軸壓縮測試，得到應力-應變曲線，如圖2、圖3和圖4所示。

通過以上應力-應變曲線對比分析，雖各泥巖試樣所取地區不同，巖石成分、賦存條件、風化程度等因素存在差別，曲線峰值、彈性模量、泊松比等參數有差異，但曲線總體起伏趨勢相似，可認為泥巖應力-應變曲線具有典型變化特征。

典型泥巖應力-應變曲線可劃分為4個階段：第1階段為裂隙壓密階段，此階段在應力變化較小的條件下，應變變化較大，可認為表現為塑性;第2階段為彈性變形階段，此階段曲線為直線或近似直線，表現為彈性或近似彈性，由此階段曲線斜率可得到泥巖彈性模量;第3階段為塑性變形階段，此階段不同泥巖試樣表現出不同特征，曲線斜率或逐漸增大（見圖2、圖3）或逐漸減小（見圖1、圖4），但最終都達到曲線峰值;第4階段為破壞階段，此階段曲線明顯下降，表明泥巖的內部結構完全被破壞，抗壓強度沒降為零，說明還有一定的殘余強度。綜上所述，泥巖應力-應變曲線符合塑-彈-塑性巖石的特征。

3 影響泥巖力學特性變化的主要因素

雖不同地區單軸壓縮測試條件下的泥巖應力-應變曲線總體特征相似，但各力學特性參數和具體表現仍有不同。以下對影響泥巖力學特性變化的主要因素進行分析，以闡明泥巖應力-應變曲線發生變化的原因。

3.1 巖石成分及結構

根據泥巖中礦物組分及含量不同，可分為含粉砂泥巖、粉砂質泥巖、鈣質泥巖、硅質泥巖、鐵質泥巖、炭質泥巖、錳質泥巖等常見類型。馬萬祥等[19]對棗泉煤礦東翼采區和西翼采區測點進行煤巖體原位泥巖單軸壓縮測試，結果表明，泥巖類型不同，抗壓強度相差較大。孟召平等[20]對淮南新集井田含煤巖系主采煤層頂底板泥巖進行單軸壓縮強度測試（見圖5），發現在泥巖中，隨著SiO2含量的增大，泥巖的力學特性總體呈增大趨勢;在相同SiO2含量的情況下，SiO2在泥巖中的賦存狀態對巖石力學性質有著重要的影響。上官力等[21]對粉砂質泥巖進行測試，也發現試樣的天然單軸壓縮強度、飽和單軸壓縮強度隨著石英含量的增大而增大，隨著黏土含量的增大而減小。

綜上所述，泥巖的力學特性受泥巖的礦物成分及含量的影響。一般情況下，地下賦存狀態基本相同的泥巖，由于礦物組分及含量不同，對泥巖的抗壓強度有較大影響。例如，石英（SiO2）硬度較大，其含量愈高，巖石的強度愈高。

另外，泥巖在成巖作用階段的壓實作用亦對力學特性產生明顯影響。這與泥巖顆粒間的連接以及內部的微裂隙有關。壓實作用強的巖石，由于發生失水作用和顆粒定向排列作用，顆粒結合緊密，內聚力強，導致膠結和致密程度增加，泥巖的強度增高[20]。

3.2 水

3.2.1 含水率。鄒晨陽等[22]的試驗樣品取自江西省不同地區二疊紀至三疊紀泥巖，巖性包括泥板巖、泥頁巖等，該研究測試不同含水率泥巖的單軸抗壓強度，如圖6所示。結果顯示，隨著含水率增加，泥巖的單軸抗壓強度及峰值應力均呈現急劇降低的趨勢。通過數據擬合，含水率與泥巖的單軸壓縮強度之間近似服從指數關系;與泥巖的彈性模量之間近似服從線性關系。上官力等[21]、楊建林等[23]試驗也得到相似結果。

馬福榮等[24]試驗泥巖試樣取自南寧盆地中部，將天然狀態與飽和狀態下泥巖試件對比，證明試件在長期浸泡下受水作用，強度大大降低。李應濤等[25]試驗表明，與自然風干的巖石相比，完全干燥的巖石強度有所增加，飽和狀態的巖石強度則減低。

（a） 泥板巖

（b） 泥頁巖

3.2.2 浸水時間。車平等[26]試驗選取安徽巢湖鳳凰山地區墳頭組中段海相粉砂質泥巖層采石場采出的新鮮巖石，對不同浸水時間巖樣進行單軸抗壓強度測定。結果表明，隨浸水時間增加，泥巖含水率呈遞增趨勢，單軸抗壓強度則有明顯下降，衰減趨勢逐漸變緩。原巖石表面無肉眼可見的裂隙，隨著浸水時間的增加，裂隙數目增加并貫通。楊曉杰等[27]也認為，單軸抗壓強度和浸水時間存在一定的對應關系。

何葉[28]選取三疊系中統百逢組泥巖試樣進行干濕循環處理，隨后進行單軸壓縮測試。測試結果表明，干濕循環對泥巖強度指標影響明顯，循環一次后單軸壓縮強度折減率達到了36.6%，隨著循環次數的增加，各項強度指標都呈較平穩的下降趨勢，折減規律基本符合指數分布。

以上結果均表明，隨著含水率及浸水時間的增加，泥巖的單軸抗壓強度和彈性模量明顯降低。對其變化進行分析，降低程度受巖石本身物質組成、結構、構造等因素的影響。

泥巖主要由蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石等強親水性礦物組成，遇水后礦物發生膨脹和軟化現象。例如，蒙脫石易分解為斑脫土，弱化巖石固體骨架的強度;在飽和狀態下，水吸附于裂隙表面，起到一定的潤滑作用，降低試件的摩擦系數[17];泥巖浸水-失水過程引起黏土顆粒體積的急劇膨脹-收縮，宏觀上總體積大于原干燥泥巖的體積，泥巖內部產生次生孔隙或微裂隙等損傷，破壞了泥巖內部結構，降低其結構連接[23];如果浸水過程中泥巖發育出貫通裂隙，則導致抗壓強度進一步降低[26]。

此外，當水浸潤泥巖的方向垂直層理面時，由于良好的隔水性，水分不易進入泥巖內部;當水浸潤泥巖的方向平行層理面組時，水分易順層理方向進入泥巖內部，導致含水率上升[29]。

綜上所述，水對泥巖的單軸壓縮強度、彈性模量等力學特性具有顯著影響作用。黏土礦物含量、泥巖結構及構造的變化是根本原因，含水率、浸水時間等因素作用明顯：含水率越高、浸水時間越長，泥巖抗壓強度越低，應力-應變曲線變緩，彈性模量降低。

3.3 pH

楊振峰等[30]選用粉砂質泥巖，在不同濃度、不同pH的KCl、HN03、H2S04、自來水等溶液中浸泡，結果發現，試件單軸抗壓強度均呈現不同程度的下降。試驗表明，靜水浸泡條件下，經水-巖化學作用后，試件中的金屬離子析出，造巖礦物被溶解，試件抗壓強度降低，但沉淀結晶作用對巖樣的力學性質有利;水-巖作用后期，強烈的沉淀結晶作用將導致試件出現裂紋，抗壓強度進一步下降。

3.4 溫度

奚家米等[31]砂質泥巖試件取自甘肅省新莊煤礦副井，進行不同溫度條件下的泥巖單軸壓縮測試。結果表明，砂質泥巖的抗壓強度隨著溫度的降低有增加的趨勢：正溫區間內，抗壓強度變化幅度較小;溫度降至0 oC以下時，抗壓強度隨著溫度的降低顯著提高。殘余強度增加幅度呈衰減趨勢，砂質泥巖彈性模量隨溫度的降低有增加的趨勢。劉巍等[32]、劉路路等[33]均得到相似結論。

付宏淵等[18]對粉砂質泥巖進行變溫循環和溫、濕度共同作用測試。結果表明，單軸抗壓強度和彈性模量均較初始值降低，且降幅隨著變溫循環次數的增加而增大，單軸壓縮強度和彈性模量隨變溫循環次數的變化關系呈指數關系;溫、濕度共同作用于粉砂質泥巖時具有增效作用，在相同條件下，溫、濕度共同作用引起粉砂質泥巖單軸壓縮強度和彈性模量降幅大于溫、濕度單獨作用時的降幅之和，且溫差變化幅度越大，溫、濕度共同互作用引起的粉砂質泥巖力學性能的降幅越大。經不同變水溫循環的粉砂質泥巖單軸力學指標如圖7所示。

以上結果表明，溫度（特別是負溫）是影響泥巖抗壓強度的一個重要因素。僅溫度變化條件下，在一定范圍內，彈性模量隨著溫度的降低顯著增長。這是由于泥巖凍結條件下，裂隙和孔隙內的水逐漸變成冰，體積膨脹，充填泥巖內部裂隙和孔隙，對裂隙壁和骨架產生擠壓，提高了試件內部微裂紋的黏結作用和巖顆粒之間的膠結作用，冰、巖石顆粒之間排列更加緊密，使試件抗壓強度升高;當溫度變化頻繁或溫、濕度共同影響泥巖時，泥巖的抗壓強度及彈性模量均較初始條件降低，這是由于泥巖在多因素影響下出現明顯的結構損傷，使泥巖逐漸向脆性轉化。

4 結論

典型泥巖應力-應變曲線可劃分為裂隙壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段、破壞階段四個階段，其應力-應變曲線符合塑-彈-塑性巖石的特征。泥巖組成（成分、含量和結構）、水（含水率和浸水時間）、pH、溫度等因素均對泥巖力學特性有明顯影響。泥巖中礦物成分和含量對其力學特性有直接影響，石英（SiO2）等硬度較大的礦物成分及含量影響較大。壓實作用可改變泥巖結構，從而改變泥巖抗壓強度。水是影響泥巖力學特性發生變化的主要因素。含水率越大，浸水時間越長，泥巖抗壓強度越低。泥巖中的蒙脫石、伊利石等強親水性礦物遇水后，發生膨脹作用和潤滑作用，弱化了巖石固體骨架的強度，內部產生了微孔隙、微裂縫等微觀損傷，降低泥巖的內聚力;水的持續作用可使巖石產生貫通裂隙，進一步降低泥巖的力學特性。

溶液pH不同，泥巖的單軸壓縮強度呈現不同程度的下降。泥巖中的礦物溶解，產生沉淀，改變泥巖的內部結構。溫度（特別是負溫）是影響泥巖抗壓強度的另一個主要因素。泥巖的抗壓強度隨著溫度的降低有增加趨勢。低溫作用下，巖石中水凝結成冰，充填了內部裂隙和孔隙，加強了巖石試件內部微裂紋的黏結作用;變溫循環則可使泥巖產生內部結構損傷，抗壓強度下降。各因素可對泥巖產生相互影響和綜合影響。泥巖中黏土礦物的成分、含量，影響含水率及浸水時間，使泥巖的力學特性發生變化;通過水-巖作用，可改變泥巖的成分、含量、結構，從而改變泥巖的力學特性。溫度、含水率等可共同影響泥巖內部結構，進而影響泥巖的應力-應變曲線和彈性模量。

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