不同含水率下弱膠結巖石力學特性研究

賀慶豐，孫利輝,2，宋家樂，丁 斌，王宗澤

（1.河北工程大學礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭資源綜合開發與利用協同創新中心，河北 邯鄲 056038）

0 引言

弱膠結地層是廣泛分布在我國西部礦區侏羅系、白堊系地層中的一類特殊沉積砂巖地層。該地層具有弱膠結、低強度、遇水后泥化崩解、擾動敏感等特性，力學性質極不穩定。巖層開挖后在外界水環境作用下，易軟化和膨脹，巖質迅速劣化，巷道大冒頂、高片幫、嚴重底鼓等工程災害頻繁發生。因此，揭示不同含水率對弱膠結巖石變形破壞特征的影響，對于弱膠結軟巖巷道圍巖穩定性控制具有重要意義。

一般來說，水會降低巖石強度，這就是水的軟化作用[1]。為了研究水對巖石力學行為的影響，眾多學者[2]對不同巖性（灰巖、砂巖、板巖、花崗巖、石膏巖、泥巖、鹽巖等）、不同加載條件（單軸、三軸、巴西劈裂）、不同干濕循環次數的巖石材料開展了大量的試驗研究。1981 年Chugh 和Missavage[3]通過調查和研究認為巖石單軸抗壓強度與彈性模量隨濕度的增加而減小。何滿潮等[4]研究了水對巖石軟化特征的影響，分析了巖石力學性能與含水率的關系。Erguler[5]在對不同類型含粘土巖石的室內試驗，定量研究了含水量對其力學性質的影響，實驗結果表明，當隨著含水量的增加，巖石逐漸吸水直和，但是其至飽單軸抗壓強度、彈性模量和抗拉強度都出現了降低的現象。孟召平、彭蘇萍等[6]發現在低含水率情況下，巖石在峰值強度后表現為脆性和剪切破壞，但隨著含水量的增加，主要表現為塑性破壞。張春會等[7]研究了在三軸條件下飽水度對砂巖力學特性的影響，發現隨著飽水度增加，砂巖模量、峰值強度和殘余強度均降低。劉新榮等[8]通過試驗模擬研究了砂巖黏聚力、內摩擦角的劣化規律，結果表明隨著含水率的增加，其峰值應力、黏聚力、內摩擦角和彈性模量都逐漸降低。

綜上所述，對于水對巖石的力學特征的影響，前人做了大量的研究，但是對于不同含水率下弱膠結巖石的力學特征鮮有研究。因此，本文以紅慶河煤礦的巖層的弱膠結巖石作為研究對象，開展不同含水率下單軸壓縮試驗，分析弱膠結巖石的力學特征與含水率的關系。

1 試驗設備及試樣制備

本文單軸壓縮力學試驗是在SAS-2000 電液伺服巖石試驗機上進行的。該試驗機可以使用試驗力控制、位移加載等多種控制方式[9]，具有操作簡便、精確度高、靈活性高等優點。

弱膠結砂巖試樣取自內蒙古紅慶河煤礦，巖性為粗粒砂巖，泥質膠結，孔隙較為疏松，水平層理或直線型斜層理。孔取樣后立即進行保水封存，之后進行取芯、切削、打磨，巖樣加工嚴格執行《工程巖石試驗方法標準》[10]。

將加工好的巖樣放置恒溫恒濕箱中進行干燥處理，干燥結束后用電子天平測量其質量，并使用游標卡尺測量試樣高度后記錄初始數據。然后將干燥試樣進行泡水處理并與烘干時的質量進行計算，得出含水率，計算公式如式1 所示，需要指出的是，浸泡試件所用的水，以及后面提到的“水環境”都指的都是蒸餾水，不涉及到化學成分[11]。

圖1 弱膠結砂巖吸水曲線Fig.1 Water absorption curve of weakly cemented sandstone

浸水不同時長的試樣基本參數見表1。

表1 弱膠結砂巖基本參數Table 1 Basic parameters of weakly cemented sandstone

2 含水率對巖樣單軸壓縮力學性能影響分析

圖2 為不同含水率弱膠結砂巖單軸壓縮應力-應變曲線圖，表2 為單軸壓縮力學參數。從圖中不難看出，弱膠結砂巖在不同含水狀態下其應力應變經歷了壓密階段、線彈性階段、屈服塑性階段和峰后跌落等4 個階段。通過比對不同含水狀態下試件應力- 應變曲線可以發現，隨著含水率的增加，砂巖在加載初期的非線性變化更加明顯，經歷了更長的壓密階段；砂巖在干燥狀態和低含水率下時（ω=0，2.31%） 在峰后的變形極不穩定，表現為延性破壞，甚至發生了重復加載現象。高含水率試件（ω=5.47%，7.72%） 在峰后表現出明顯的脆性跌落特征，無明顯殘余強度。隨著含水率增加，巖石逐漸由延性破壞向脆性破壞轉變。從圖表中可以明顯看出，隨著含水率的增加，試件的峰值應力與彈性模量均有所減小。砂巖在含水率為0、2.31%、5.47%、7.72%時，單軸強度分別為22.20、16.59、11.63、9.06 MPa；彈性模量分別為2.98、2.23、1.61、1.53 GPa。對比不同含水狀態時的峰值軸向應變沒有明顯的變化。

表2 不同含水率弱膠結砂巖單軸壓縮力學參數Table 2 Mechanical parameters of weakly cemented sandstone with different water content under uniaxial compression

圖2 弱膠結砂巖單軸壓縮應力- 應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of weakly cemented sandstone in uniaxial compression

根據所得力學試驗數據，將含水率與弱膠結砂巖峰值強度、彈性模量的關系進行擬合，擬合后的關系如圖3 所示。從圖中可以看出，紅砂巖的抗壓強度和彈性模量隨含水率的升高而降低，大致表現為線性降低的規律。峰值強度與含水率擬合關系為：σc=21.39-1.68ω，擬合曲線相關系數R2=0.98；彈性模量與含水率擬合關系為：E=2.98-0.280ω，擬合曲線相關系數R2=0.92。

圖3 含水率對弱膠結砂巖力學參數影響Fig.3 The influence of water content on the mechanical parameters of weakly cemented sandstone

3 含水率對弱膠結砂巖破裂模式影響分析

圖4 為不同含水率弱膠結砂巖破裂形態。不同含水率弱膠結巖樣在單軸壓縮荷載作用下，主要發生拉伸破壞和剪切破壞，破壞后試樣完整性較差。弱膠結單軸壓縮破壞形態隨含水率的不同而顯著變化。干燥試件單軸壓縮時，呈現明顯的拉伸破壞如圖4（a） 所示。而隨著試件含水率的增加，破壞模式逐漸由劈裂破壞向剪切破壞轉變，圖4（b）同時發生了劈裂破壞和剪切破壞。而高含水率試件表現為單一的剪切破壞如圖4（c）、圖4（d） 所示。這是由于含水的巖樣受到水的作用，內部的結構被破壞，巖樣內聚力降低，產生較大的壓剪塑性變形，削弱了巖樣的抗剪能力，因此壓縮過程中巖樣內部的剪應力比拉應力更先達到其極限強度，巖樣發生剪切破壞，而且隨著含水率的增加，剪切面的面積也隨之增大。

圖4 單軸壓縮下弱膠結砂巖破壞形態Fig.4 Failure mode of weakly cemented sandstone under uniaxial compression

4 結論

（1） 含水率對弱膠結巖石的應力- 應變曲線有顯著的影響。隨著含水率的增加，弱膠結砂巖在加載前期的非線性及峰后脆性跌落現象更加明顯。

（2） 弱膠結砂巖峰值強度、彈性模量隨含水率的增加而減少，含水率為0、2.31%、5.47%、7.72%，峰值強度分別為22.20、16.59、11.63、9.06 MPa，彈性模量分別為3.18、2.23、1.81、1.49 GPa；與干燥試樣相比含水率為2.31%、5.47%、7.72%的試樣，峰值強度降低了25.2%、47.6%、59.2%，彈性模量分別降低了29.9%、43.1%、53.1%。不同含水率下峰值應變無明顯變化。

（3） 通過對不同含水率下弱膠結砂巖單軸壓縮破裂形態進行分析，得出巖樣的破裂形態隨含水率不同而發生變化。隨著含水率的增加，弱膠結砂巖的破壞模式由張拉破壞向剪切破壞轉變。