溫度與含水率對砂巖動靜態力學特性影響研究

姚 威，陳佩圓，葛進進，盧龍剛，顧柯柯，徐 穎,2

(1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學省部共建深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

正在規劃建設的川藏鐵路對我國的長治久安和西藏經濟社會發展具有重大而深遠的戰略意義。然而，川藏鐵路沿線地質環境復雜，不良地質極為發育，分布有大面積的季節性凍土，邊坡失穩對鐵路路塹設計、施工以及安全運營均產生不利影響[1]。為滿足特殊環境條件下基礎建設的需要，對凍結巖石的問題研究顯得越發有必要。因此，高原凍巖開挖問題已成為一大關鍵、迫切且必須解決的課題。

有關低溫巖石的力學特性，國內外已經有不少的探索，楊更社等[2]研究了三向受力情況下凍結巖石力學特性，得出了隨著溫度降低巖石出現弱、脆性增強的結論。A. B. Hawkins等[3]研究了砂巖不同含水率與巖石強度的關系，得出了近80%的強度損失發生在含水率較低的狀態下。劉波等[4]研究了不同初始含水率凍結砂巖的強度特性，得出了含水砂巖試樣的單軸抗壓強度隨凍結溫度的降低而線性增長的結論。張二鋒等[5]通過對泥質粉砂巖進行三軸壓縮得到了彈性模量受含水率的影響較大，從干燥到強制飽和狀態峰值強度減少超過75%，從干燥狀態到2%含水狀態彈性模量減少超過49%，且含水率與巖樣的峰值強度呈現一定的線性函數關系，與彈性模量呈現一定的指數函數關系且隨著圍壓增大這種指數關系也就越明顯；奚家米等[6]研究了凍融過程對白堊系常見巖層物理力學特性的影響，提出了凍融作用下巖石產生新的裂紋(損傷)，從而導致巖石單軸抗壓強度和彈性模量降低、飽和吸水率增加; 相同凍結溫度下，巖石含水率大小是凍融損傷程度的關鍵因素。

諸多研究結果表明，含水率對低溫環境下砂巖力學特性影響很大，但是針對不同溫度與不同含水率耦合作用下的砂巖試件力學特性研究較少，遂本文以川藏鐵路建設工程為背景，對多個溫度條件下具有不同含水率的灰砂巖進行單軸壓縮和動態沖擊試驗，以及破裂斷面掃描，探討溫度和含水率對砂巖試件單軸抗壓強度、動態沖擊強度、能量演化特征、斷裂破壞形態的影響[7-36]。

1 試驗

1.1 試件制備

本文選取均勻性較好的大塊灰砂巖，利用直徑50 mm取芯機、切割機、打磨機分別加工成Φ50×100 mm和Φ50×25 mm的標準試塊(符合國際巖石力學學會規定的2.0～2.5比例要求)兩端面不平整度小于0.02 mm。將加工好的試樣放入烘箱以105 ℃的熱風吹，每隔12 h拿出后稱其質量，吹48 h后變化小于0.1%則認為試塊已完全干燥，得到干燥狀態試塊；將試塊放進抽氣機抽氣1 h，然后往抽氣機內加入純凈水，繼續抽氣直至無氣泡溢出，打開氣閥，靜置48 h，用高精度電子秤(0.01 g)稱得其質量變動小于0.1%，則認為試塊已經飽和，得到飽水試塊，并將其用保鮮膜包裹好。將飽水試塊取出靜置，每隔一段時間測量其重量，直至含水率降至20%(不同低溫的含水試塊制作方法相同)，試樣的低溫控制由低溫冰箱(溫度可調控)實現。

試驗巖樣的物理參數平均值如表1所示。

表1 巖石物理參數

1.2 試驗方案

1)靜態壓縮試驗。根據高原地區氣候條件，并結合實際實驗條件，將試塊溫度區間設定為常溫(20 ℃)、-20 ℃和-30 ℃。當前關于巖石含水率的研究主要集中在其干燥、飽水2個狀態，因此將試驗含水率設定為：干燥狀態、20%含水率、飽水。試驗設計為9組，每組3個平行試塊。砂巖試件和試驗過程分別如圖1、圖2所示。

圖1 試件Fig.1 Test-piece圖2 試驗過程Fig.2 Test process

利用本校國家重點實驗室的電液伺服單軸壓力試驗機(最大試驗力可達1 000 kN)對處理完的試件進行單軸抗壓試驗，試驗以位移控制的方式進行，加載速率為0.5 mm/min。試驗過程中，當峰后應力下降到峰值應力的50%時，停止加壓。

2)動態沖擊試驗。為了進一步探究低溫下含水率對砂巖的動態力學特性影響，利用霍普金森桿對加工而成的Φ50×25 mm標準試件進行沖擊試驗。在試驗開始前，為了尋找合適的氣壓，對試件進行了試沖。試沖發現凍結巖石的強度相對較高，因此，將試驗氣壓定為0.6 MPa。在試驗的過程當中，將砂巖試件放在入射桿與透射桿之間，使得三者在同一水平線上，以保證應力波在傳播過程中不會發生散射，并且在試件兩端涂抹凡士林，以保證試件與壓桿緊密接觸。動態沖擊試件如圖3所示。

圖3 動態沖擊試件

根據SHPB測試的基本原理，使用三波法對試件數據進行處理，其中應力、應變和應變率計算如下：

(1)

(2)

(3)

2 試驗結果

2.1 單軸抗壓、動態沖擊強度

對試驗數據進行整理，得到多種溫度環境下不同含水率砂巖試件單軸抗壓和動態沖擊強度如表2所示。

表2 抗壓/沖擊試驗結果

由表2可以看出，相同的試塊強度差異不大，可認為實驗數據可靠。為分析多種含水率下，不同溫度對巖石試件靜態抗壓和動態沖擊強度影響的變化規律，將得到的試驗數據取平均值繪成柱狀圖(見圖4)。

圖4 單軸抗壓、動態沖擊強度變化

根據DYKE C G等研究[7]，常溫(20 ℃)下隨著含水率的增大，試件的抗壓強度值逐漸降低。導致其強度降低的主要原因是巖石含水至飽水的過程中，巖石裂隙擴張延伸和裂隙內部壓力增大。由此生成的孔隙水壓力，降低了巖體強度；而在-20 ℃和-30 ℃溫度環境下，試件的單軸抗壓強度隨著含水率的增大而呈現先增大后減小的規律。楊更社等[2]的研究表明，對巖石影響比較大的主要是液態水和固態水，固態水主要是巖石在低溫下由液態相變而來，在其相變過程中體積膨脹, 產生凍脹力，對巖石原來的結構產生一定的影響。因為試件內的孔隙水隨著溫度的降低逐漸變成冰塊，填充了試件內部的空隙，增大了試件承載能力，從而試件的抗壓強度隨著溫度的降低逐漸升高。但是隨著含水率到達飽水狀態時，內部孔隙水的體積與裂隙體積接近，水凍成冰后體積變大，在試塊內部產生了巨大的凍脹力，當凍脹力大過巖體本身的抗拉強度時，巖體內產生了更多的裂縫，反而降低了試塊的強度。顯然，隨著溫度的降低，干燥狀態下的試件強度在逐步提升，這是由于隨著溫度的降低，使得巖石內部的顆粒體積產生收縮，結構更加密實，從而增加了一些抗壓強度；在-20 ℃和-30 ℃溫度環境下，20%含水率的試塊平均強度為最高，其次為干燥狀態試塊平均強度，飽水狀態下的試件強度最低，證明了一定量的裂隙水和孔隙水在低溫下可以提高試塊的強度，而低溫下試塊吸滿足量的水之后，反而降低了試塊的強度。

由圖4可知，在20 ℃的情況下，隨著含水率的增加，試件的抗沖擊強度逐漸減小，而在-20 ℃和-30 ℃的情況下，試件的抗沖擊強度隨著含水率的增加呈現先增加后下降的現象。這一現象正與試件的靜態抗壓強度規律相同，進一步驗證了上文中結論的可靠性。

2.2 動態強度增長因子

為了對比不同應變率條件下動態強度相對于靜態強度的增長幅度，將動態強度與靜態強度的比值定義為動態強度增長因子DIF[8],即

(4)

式中：σfs為巖石試件的準靜態抗壓強度，MPa；σf為巖石試件的動態抗壓強度。動態強度增長因子統計如表3所示。

表3 動態強度增長因子

由表3可知，當含水率不變時，干燥狀態下，試件的動態強度增長因子會隨著溫度的降低呈現先增長后下降的趨勢，而在20%含水率和飽水狀態下，試件的動態增長因子會隨著溫度的降低而變大；當溫度不變時，20 ℃和-20 ℃情況下的動態增加因子會隨著含水率的增加而降低，而在-30 ℃的情況下，則會呈現先增長后下降的趨勢。

2.3 應力-應變

灰砂巖試塊在不同低溫，不同含水率下的單軸抗壓和動態沖擊應力-應變分別如圖5、圖6所示。

圖5 不同溫度下砂巖試件應力-應變

圖6 不同溫度下砂巖動態沖擊應力應變

由圖5和圖6可以看出，在20 ℃的情況下，隨著含水率的逐步增加，試件的峰值抗壓強度和動態沖擊強度均在慢慢變低；即干燥狀態下的試件峰值強度最高，20%含水率次之，飽水狀態下最低。但是在-20 ℃和-30 ℃的情況下，試件的峰值強度會隨著含水率的增加出現先增長后下降的趨勢，20%含水率下的試件峰值抗壓強度最高，干燥狀態下次之，飽水狀態下最低。

從圖5和圖6可知，在含水率相同的情況下，隨著溫度的降低，試件的峰值均強度會逐漸增加。同時，靜態壓縮試件破壞時的峰值應變隨著溫度的降低逐漸減小，由應力公式σ=Eε計算可知，試件的彈性模量會隨著溫度的降低變大；而動態沖擊破壞時試件的峰值應變率，20 ℃情況下最小，-20 ℃時最大。

從2組試驗整體對比來看，隨著凍結溫度的降低，達到零下后，巖石的峰值應變在不斷的減小，彈性模量在逐漸增大。由此建立不同含水率試件在低溫下的靜態壓縮應力-應變模型(見圖7)。

圖7 應力-應變模型

從圖7可以看出，不同溫度、含水率下砂巖試件其單軸壓縮破壞可分為5個階段，即OA、AB、BC、CD、DE；而動態沖擊破壞相比靜態壓縮減少了DE段，即OA、AB、BC、CD。 OA壓密階段，試件內的空隙和顆粒逐漸被壓密，并相互摩擦錯動，張開的結構面慢慢閉合；AB彈性增長段，基體的硬化應變機制迅速發揮主要作用，這個階段的試塊繼續被壓密，試件進入彈性階段；BC裂縫穩定擴展段，試塊開始產生裂隙，試塊開始被破壞，試件吸收能量以塑性應變能、裂紋表面能和孔隙貫通能及其他形式的能量耗散釋放；CD破壞階段，峰值應力過后，由于變形過大，眾多微裂縫、孔隙匯聚成宏觀裂縫；DE是試塊破壞后階段，當試件受準靜態荷載壓縮時，試件內的殘余能量釋放，試件完全破壞。

3 討論

3.1 單軸壓縮荷載下凍結巖石能量演化特征

根據熱力學第一定律，假設單軸壓縮試驗過程中與外界沒有熱交換，即外力所做功可認為全部被用來破壞巖石，單位體積內的應力功及能量計算公式為

U=Ud+Ue

(5)

式中:U為試驗機對單位體積做功輸入的總能量(單位體積吸收總能量)；Ue為單位體積內儲存的可釋放彈性應變能，這部分能量形成于巖體單元發生彈性應變階段；Ud為加載過程中單位體積內所耗散的能量，用于形成巖體單元內部損傷和塑形變形。巖體單元i的應力-應變如圖8所示。

圖8 巖體單元中能量耗散和可釋放應變能的量值關系

試驗過程中，入射波、反射波和透射波具有的能量分別為WI、WR、WT，以及吸收的能量WA可由以下計算公式進行計算[9]:

(6)

(7)

(8)

WA=WI-WR-WT

(9)

根據應力功及能量計算公式，得到試件在不同低溫、含水率條件下的能量演化曲線如圖9年示。

圖9 不同溫度下砂巖試件能量演化

由圖9a可知，20 ℃情況下，干燥狀態下的巖石破壞吸收的能量最多，飽水狀態下最少，呈現出隨著含水率的增加，巖石破壞所吸收的能量總量減小[9]。這是因為水對巖體內部有著侵蝕損傷的作用，使得巖體的內聚力不斷減小，從而降低了巖體的凝聚力；而隨著含水量的增加，這種損傷作用在不斷擴大，最終導致巖體破壞所吸收的能量越來越小。圖9b和圖9c顯示-20 ℃和-30 ℃情況下，20%含水率的狀態下試件破壞吸收的能量值最多，飽水狀態下破壞吸收能量值最小。-20 ℃情況下，20%含水率的試件由于內部孔隙水變成冰塊適當的填充了其內部的孔隙，使得試件內部更加緊密、貼合，由此在破壞過程中增加了破壞冰塊時冰塊吸收的能量；而在飽水情況下，由于冰塊膨脹體積大于試件內部的孔隙，發生了凍脹反應，在未壓縮前已經使得巖石內部發生了部分破壞和損傷，最終降低了壓縮破壞過程中巖石所吸收能量的最大值。-30 ℃情況下，由于溫度的進一步降低，試件內部分沒有變成冰塊的孔隙水進一步變成冰塊，較-20 ℃情況相比，整體增大了吸收能量的總值。

3.2 宏-細觀破裂特征

3.2.1 宏觀破裂形狀

對于不同低溫、不同含水率的試塊，其破壞形式也不太一樣，在單向軸力的作用下，試塊的破裂模式可分為：拉張型破裂、剪切型破裂和滑移型破裂；破裂形式可大致分為：軸向近乎平行的劈裂破壞、單面剪切破壞、呈X型共軛剪切破壞、巖石側面的壓斷破壞。本文挑選幾個具體代表性的破壞形態試件，利用橡皮筋對單軸壓縮試驗后砂巖試件進行簡單約束，以便觀察和分析其破裂形貌(見圖10)。

圖10 宏觀破裂形狀

干燥狀態試塊在壓縮過程中，首先出現的單向剪切裂縫，隨后表面開始剝落，隨著加載力的增大，巖石一側發生了小范圍的整體剝落；另一側從巖石頂端出現一條裂縫，隨著載荷的變大，裂縫自上向下發展，最終貫穿整個試塊。這是因為軸向壓力的不斷變大，巖石內部產生的橫向拉應力逐漸變大，最終超過了極限抗壓強度，從而產生了自上而下的貫穿裂縫。由20%含水率狀態下的試塊破壞后整體形態(見圖10b和圖10c)可知，由于含水率的增加，冰塊凍結后適當地填充了試塊內部的縫隙，增加了與試塊間的膠結力，從而使得試塊破壞后能大致保持原本的形貌。由飽水試塊破壞后形態(見圖10d)可知，隨著含水率的進一步增加，低溫下狀態下試塊內部發生了凍脹反應，壓縮過程中使得破壞面上的剪應力超過了其剪切強度，試件整體呈X型共軛剪切破壞。

3.2.2 微觀斷口形貌特征

巖石的宏觀裂縫是由微觀裂縫和孔隙不斷擴展，最終匯聚在一起。由此可以將宏觀裂縫和微觀裂縫結合起來，根據其宏觀破裂模式的不同，觀察其微觀形貌特征變化。對單軸壓縮破壞的試件進行取樣，借助SEM電鏡掃描設備，可得到微觀下的斷口形貌(見圖11)。

圖11 微觀破裂形貌

灰砂巖是由各種砂粒膠結而成的沉積巖，顆粒直徑在0.05～2 mm，其中砂粒含量要大于50%，結構穩定，主要含硅、鈣、黏土和氧化鐵[10]。選取試件編號為D1、E1、F1破壞后的試件碎片為掃描樣品進行掃描分析：

1)滑移破裂。干燥狀態下的試件，在低溫環境里由于內部節理裂隙比較發育，在抗壓縮過程中巖石面和主應力之間的夾角在一定范圍內時，在壓應力的作用下，首先會在巖層內節理較為發育的薄弱地段發生滑移破裂(見圖11A)。由于層理附近的孔隙較為發育，所以在層理裂隙的附近又會經常發生巖體的剪切破壞(見圖11B)。

2)剪切型破裂。20%含水率的試件在低溫環境下，由于水變成冰塊所提高的一些強度，同時適當的增強了冰塊與試件間的膠結力，使得試件較多的發生剪切破壞。加之巖體的層理發育較差，內部結構復雜，里面存在的一些微臺階(見圖11C)以及顆粒破碎(見圖11D)同樣為裂紋的擴展和發育創造了條件。由此在微臺階附近一般會出現由拉伸引起的剪切型破壞。

3)張性破裂。飽水狀態下的試件，在低溫環境里，當水變成冰塊時的體積膨脹產生的凍脹拉力超過試件本身抗拉強度時，沿著平行受力方向產生破壞裂縫，最終形成張性裂縫(見圖11E)，由于巖體中天然微裂隙較為發育，眾多細小的微裂縫在受力后，相互作用合并，最后匯聚成一條可見的主裂縫(見圖11F)。

3.3 破碎機理分析

申艷軍等[11]認為，導致巖體損傷破碎的主要因素是內部水分的凍脹融縮作用。溫度降低時，試件內部孔隙水逐漸變成冰，而水結成冰塊時會產生9%的體積膨脹，當內部孔隙達到一定的飽和度，形成了密閉空間的時候，體積膨脹所帶來的膨脹力就會對巖體發生損傷。損傷后的巖體多次的凍融效應又加劇了巖體的損傷，破碎后的巖體又再次為凍脹力的發展創造了良好的條件，由此的惡性循環使得巖體的穩定性越來越差。

水冰相變是導致低溫含水巖石膨脹損傷的主要原因，將試件內的大孔隙假設成一個圓，試件內的多數孔隙水存儲于內，當溫度逐漸降低時，巖體由外向內擴散冷氣，導致大孔隙周圍的節理裂隙存儲的水開始結成冰塊，同時有部分水開始向中間的大孔隙匯聚。隨著溫度的進一步下降，裂隙間的水分完全變成冰塊后，大孔隙內的水也相繼開始凍結，當大孔隙內凍結膨脹的冰塊體積超過大孔隙本身的體積時，冰塊與巖體之間便會擠壓，產生一定的拉力，當由于凍脹產生的拉力超過巖體自身的承受能力時，試件發生損傷破壞。凍脹理論模型如圖12所示。

圖12 凍脹理論模型

結合前文的試驗結果可知，灰砂巖試件在飽水狀態下，經過低溫凍結后，其抗壓強度均小于同溫度下20%含水率試件的抗壓強度，這一結果正好與上文提到的凍脹損傷理論相吻合。

4 結論

1)常溫(20 ℃)下隨著含水率的增大，試件的峰值抗壓縮和抗沖擊強度逐漸降低；而在-20 ℃和-30 ℃溫度環境下，試件的峰值抗壓縮和抗沖擊強度隨著含水率的增大而呈現先增大后減小的規律。一定量的裂隙水和孔隙水在低溫下可以提高試塊的強度，而低溫下試塊吸滿足量的水之后，反而降低試塊的強度。

2)在20 ℃的情況下，單軸壓縮試件吸收能量的總量會隨著含水率的增加而減小；在-20 ℃和-30 ℃情況下，隨著溫度的降低，試件吸收能量的總量會隨著含水率的增加出現先增加后減小的趨勢；當含水率一定時，試件吸收能量的總量會隨著溫度的降低而增大。

3)依據單軸壓縮破壞后的試件，得到宏觀破裂模式可分為拉張型破裂、剪切型破裂和滑移型破裂；通過SEM掃描電鏡，得到了微觀破裂類型主要分為拉張和剪切滑移2種。