高圍壓條件下低溫砂巖的力學(xué)試驗(yàn)研究

汪永雄

【摘 要】隨著國(guó)家對(duì)西部地區(qū)的開發(fā)建設(shè)，高寒地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)得到前所未有的發(fā)展。中低溫條件下的砂巖的力學(xué)特性對(duì)工程的建設(shè)有著重要意義。本文以雅康高速二郎山凍融段為背景，現(xiàn)場(chǎng)取樣砂巖，進(jìn)行了高圍壓（80MPa）不同溫度條件（-40℃，-20℃，130℃，200℃）下的三軸壓縮試驗(yàn)。分別從溫度對(duì)砂巖的峰值強(qiáng)度、破壞面形式、彈性模量、抗壓強(qiáng)度、泊松比等方面進(jìn)行討論，對(duì)砂巖的破壞機(jī)理進(jìn)行分析，為高圍壓低溫條件下砂巖的力學(xué)特性提供借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】砂巖;高圍壓;三軸壓縮試驗(yàn);低溫

一、引言

隨著國(guó)家對(duì)西部地區(qū)的開發(fā)建設(shè)越來越多，高寒地區(qū)的工程建設(shè)也得到巨大的發(fā)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(qū)砂巖常年處于高圍壓和低溫條件下，所以對(duì)于高圍壓條件下中低溫砂巖的力學(xué)試驗(yàn)研究很有意義。

楊更社等[2]對(duì)三向應(yīng)力條件下凍結(jié)巖石力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得出巖石凍結(jié)時(shí)礦物收縮和冰本身的強(qiáng)度及凍脹壓力使得巖石峰值強(qiáng)度得到提高。李鵬等[3]認(rèn)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(duì)其力學(xué)特性進(jìn)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(yàn)方案

試驗(yàn)中所采用的新鮮完整砂巖試件是二郎山隧道段現(xiàn)場(chǎng)采集的，試件為圓柱體，尺寸為直徑Φ×高度H=50mm×100mm。室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)是在巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上完成的。試驗(yàn)方法是將制備好的試樣放置在試驗(yàn)機(jī)上，同時(shí)在上下兩端各加一個(gè)直徑與試件斷面相同的剛性對(duì)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(yàn)采用量程2000kN的壓力傳感器測(cè)試軸向荷載，采用量程200mm的位移傳感器測(cè)試位移，還配有一組更加敏感的用于測(cè)試試件軸向與徑向變形的傳感器。

三、試驗(yàn)設(shè)備

主要的儀器設(shè)備：巖石三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)、空壓機(jī)、低溫循環(huán)、液壓源槽、高溫三軸室、低溫三軸室、主機(jī)、圍壓增壓器、孔壓增壓器等。

四、巖石的三軸壓縮試驗(yàn)

對(duì)于圍壓80MPa的情況下，四組不同溫度下（-40℃、-20℃、130℃、200℃）的抗壓強(qiáng)度分別是149.06MPa、96.91MPa、54.39MPa、49.59MPa，溫度從-40℃上升到-20℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度下降了15.7%;上升到130℃時(shí)，強(qiáng)度下降了68.9%;上升到200℃時(shí)，強(qiáng)度下降了86.3%，圍壓一定，溫度越低試樣的強(qiáng)度越高。在圍壓80MPa的條件下，溫度130℃和200℃的砂巖試樣，呈現(xiàn)明顯的塑性破壞;溫度-40℃和-20℃的砂巖試樣，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞。對(duì)比不同溫度條件下砂巖試樣的破壞形態(tài)，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(shí)，由于試樣內(nèi)部存在孔隙水凝結(jié)成冰，在孔隙內(nèi)形成凍脹壓力，使得巖石強(qiáng)度得到提高;溫度上升時(shí)，由于礦石顆粒膨脹系數(shù)差異和相互約束，產(chǎn)生熱應(yīng)力，礦物顆粒在巖石原有的微裂紋處應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過顆粒間的粘結(jié)強(qiáng)度極限，產(chǎn)生裂紋，試樣破壞。所以，隨著溫度的升高，峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變急劇減小，試樣呈塑性發(fā)展。

不同溫度條件下，四組不同試驗(yàn)的破壞面形態(tài)，130℃和200℃試樣粉碎性破壞較多，-20℃和-40℃，試樣沿結(jié)構(gòu)面呈規(guī)律性破壞。

表1 不同溫度條件下圍壓80MPa砂巖的力學(xué)特性

通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，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(duì)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(duì)于高圍壓條件下的砂巖，溫度對(duì)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(qiáng)度也呈現(xiàn)線性減小。對(duì)比表1，溫度從-40℃上升到-20℃，巖石的抗壓強(qiáng)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(duì)于砂巖的抗壓強(qiáng)度影響較大，可見高圍壓下砂巖的抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間存在較模糊的正相關(guān)性。

對(duì)比表1中不同溫度高圍壓條件下砂巖的泊松比，在負(fù)溫時(shí)，砂巖泊松比較小，130℃到200℃時(shí)，泊松比增長(zhǎng)較快，低溫下，溫度對(duì)于泊松比影響并不顯著。

四、結(jié)論

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

（1）高圍壓條件下，溫度對(duì)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(yàn)經(jīng)過四個(gè)明顯的階段，壓密階段、彈性階段、塑性階段，破壞階段。130℃、200℃時(shí)，砂巖呈塑性破壞，壓縮試驗(yàn)彈塑性階段分界不明顯，且強(qiáng)度下降很快。

（2）高圍壓條件下，溫度越高，破壞面粉碎區(qū)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(qiáng)度越低。

（4）高圍壓下，溫度較低時(shí)，溫度對(duì)泊松比影響不大。

【參考文獻(xiàn)】

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[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(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（6）：1179–1186.

[4]單仁亮，楊昊，郭志明，劉校東，宋立偉. 負(fù)溫飽水紅砂巖三軸壓縮強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33（8）增2：3357–3364.