周　莉,　韓朝龍,　夢祥民,　于亨達

(黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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砂巖單面吸水強度軟化實驗

周莉,韓朝龍,夢祥民,于亨達

(黑龍江科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

為了更附合巷道圍巖吸水的實際狀態(tài)，通過對兩組單面吸水后的砂巖試件進行單軸抗壓強度實驗，研究其隨吸水時間變化的強度軟化特征。結(jié)果表明：兩組試件單軸壓縮σ-ε曲線線形相似，屬于塑性-彈性-塑性變形類型，試件抗壓強度隨吸水時間呈負指數(shù)衰減趨于飽水強度，強度軟化系數(shù)與吸水時間呈負相關(guān)性。試件宏觀破壞形式主要為楔劈型張剪破壞和拉伸破壞，而且吸水一端總是首先破壞。砂巖在單面吸水狀態(tài)下，強度軟化機制為黏土礦物遇水膨脹機制與微觀力學(xué)機制。

砂巖; 單面吸水; 單軸壓縮; 強度軟化

0　引　言

深部軟巖巷道發(fā)生塑性大變形,除了與巖體的應(yīng)力狀態(tài)、巖石的結(jié)構(gòu)、礦物成分、膠結(jié)類型等有關(guān)外,還與巷道所處的環(huán)境條件,尤其是水環(huán)境有關(guān)。深部開采處于高地應(yīng)力環(huán)境,巷道圍巖由于開挖卸荷而發(fā)生應(yīng)力釋放與應(yīng)力調(diào)整,在改變巖體應(yīng)力狀態(tài)和強度的同時,也改變了圍巖水文地質(zhì)條件。巖體中原本閉合的結(jié)構(gòu)面張開、滑移,產(chǎn)生大量的裂隙,圍巖通過巖壁表面和裂隙吸取大量工程用水和巷道潮濕環(huán)境中的水分,促使巖體強度降低,加速圍巖變形,巷道破壞失穩(wěn)。只有對巷道圍巖及時采取封堵和支護措施,方可確保巷道安全穩(wěn)定。于是,圍巖強度衰減程度成為把握施工時機的重要依據(jù),學(xué)者們對圍巖強度隨吸水時間的變化規(guī)律展開研究。

國內(nèi)外學(xué)者[1-4]在對巖石力學(xué)性能隨吸水時間變化的研究中,大多采用浸水法制備含水試件進行力學(xué)測試研究。事實上，巷道圍巖是通過圍巖表面吸水,浸水法難以模擬圍巖表面吸水狀態(tài)。為此,筆者采用單面吸水方式使試件吸水,其后再進行強度測試。

1　實驗方案及儀器

1.1實驗方案

對不同延時單面吸水后的試件進行單軸壓縮強度測試,以獲得巖石隨時間變化的強度衰減規(guī)律。實驗方案如下:

(1)選取試件。實驗選用了結(jié)構(gòu)致密,質(zhì)地均勻,節(jié)理裂隙不發(fā)育,無明顯層理且表面完整的中砂巖和細砂巖兩組試件。為了避免出現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)離散性大的問題,制取試件后,先采用CTS-35型非金屬超聲波檢測儀進行聲波速度篩選,選用聲波速度相近的試件進行實驗。中砂巖試件選自鶴崗南山礦8煤底板,共計9塊,細砂巖試件選自山東萊州,共計6塊。

(2)試件制作。根據(jù)GB/T 50266—1999《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》將試件制備成φ50 mm×100 mm的圓柱體,吸水實驗前,先將試件置于烘箱內(nèi),在105～110 ℃條件下烘干備用。

(3)吸水實驗時間序列設(shè)定。每組試件中均預(yù)留一個干燥試件,其余試件進行吸水實驗。根據(jù)文獻[5]砂巖吸水特征曲線特點,在兩段曲線中均勻取點,中砂巖吸水時間序列設(shè)定為6、12、24、96、170、310、460、650 h,細砂巖吸水時間序列設(shè)定為9、24、37、54、132 h。每組試件中最長吸水時間(650、132 h)為試件表面全部濕潤時間。

(4)強度測試。將每組試件中所預(yù)留的干燥試件和達到了規(guī)定吸水時間后的試件,進行單軸壓縮實驗,獲得各試件吸水后的強度值。

1.2實驗儀器

單面吸水實驗在中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部國家重點實驗室研發(fā)的深部軟巖水理作用測試系統(tǒng)上進行,采用有壓吸水測試方法。

單軸壓縮實驗采用長春新特技術(shù)有限公司生產(chǎn)的XTR01型微機控制電液伺服巖石三軸實驗儀,實驗時采用軸向應(yīng)變控制,應(yīng)變速率選擇2×10-3mm/s,試件軸向引伸計與徑向引伸計安裝如圖1所示。

圖1　三軸實驗儀引伸計安裝Fig. 1　Extensometer installation for triaxial apparatus

2　實驗結(jié)果分析

2.1單面吸水實驗

按照設(shè)定的時間序列對試件進行吸水實驗,當(dāng)某一試件吸水歷時達到了設(shè)定的時間后,立刻結(jié)束吸水實驗。圖2為兩組試件的吸水過程(lnQ-t)曲線,Q為吸水量,t為吸水時間。從圖2中可見,每組試件吸水過程曲線特征基本一致,規(guī)律性較強, 與文獻[5]吸水過程曲線特征相似,即呈減速吸水和等速吸水兩個階段,各試件在規(guī)定時間內(nèi)的最終吸水量見表1。

圖2　吸水過程ln Q-t曲線Fig. 2　Soaking curves of ln Q-t表1　砂巖隨吸水時間變化的強度特性Table 1　Variation of sandstone strength with soaking time

組別試件編號t/hQ/mLσc/MPaη中砂巖H5-14H3-1H5-13H5-15H6-2H2-7H2-12H3-3H2-10 6.012.024.096.0170.0310.0460.0650.00 0.551.051.382.623.353.256.357.33133.50120.80108.1093.4383.7764.0061.5046.4241.640 0.9040.8090.7000.6270.4790.5280.4830.311細砂巖XH-0XH-2XH-1XH-4XH-3XH-50 9.024.037.054.0132.00 1.703.905.305.8511.00 67.0665.9656.7756.3252.4854.880 0.9840.8470.8400.7830.818

2.2單軸壓縮實驗

2.2.1單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(σ-ε)曲線特征

對兩組吸水后試件及每組一塊干燥試件進行單軸壓縮實驗,各試件σ-ε關(guān)系曲線見圖3,其中,εl為軸向應(yīng)變,εd為徑向應(yīng)變。由圖3可見,每組試件的σ-εl曲線線形大體相似。σ-εl曲線在峰值前均似S形,整條曲線呈現(xiàn)四個階段,即曲線初始平緩上升階段(上凹)、線性階段、非線性階段(向下凹)和峰后下降階段。曲線平緩上升階段,主要受試件內(nèi)部原有孔隙、裂隙與節(jié)理所控制,由于巖石試件中微裂隙或節(jié)理面被逐步壓實閉合[6],因此,各個曲線此階段的彎曲曲率與長度均有所不同。中砂巖此段曲線曲率大于細砂巖。

σ-εd整條曲線也分四個階段,與σ-εl曲線不同的是,初始階段曲線陡升,εd近似為0,說明此階段試件體積變小,試件因內(nèi)部微裂隙與節(jié)理面的閉合而產(chǎn)生塑性變形。

在微裂隙、弱節(jié)理面都閉合后,σ-εl、σ-εd曲線逐漸變?yōu)橹本€,進入線彈性階段。試驗中由于各試件吸水時間不同,吸水量與濕潤厚度隨吸水時間增加而增加,試件處于非均勻含水狀態(tài)。在中砂巖試件中,σ-εl、σ-εd曲線的線性部分長度則隨吸水時間的增加呈縮短趨勢,吸水時間較短的試件線性部分相對較長,吸水時間較長的試件線性部分相對較短。這一現(xiàn)象在細砂巖中不明顯,兩組試件的這一區(qū)別,筆者認為與其礦物組成對水的敏感性和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖3　單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(σ-ε)曲線Fig. 3　σ-ε curves of sandstone under uniaxial compression test

當(dāng)σ-εl、σ-εd曲線進入到非線性即彈塑性階段,試件內(nèi)部裂紋出現(xiàn)不穩(wěn)定擴展和產(chǎn)生新的裂隙,試件強度降低,曲線呈向下彎曲特征。由于水的作用使此階段的彎曲曲率有所改變,即隨吸水時間的延長而增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，水在巖石中所產(chǎn)生的潤滑與水楔作用使裂隙在擴展過程中結(jié)晶崩坍,造成某些裂隙閉合。

當(dāng)應(yīng)力達到峰值,σ-εl、σ-εd曲線轉(zhuǎn)向下降,試件進入應(yīng)變軟化的塑性變形階段,干燥試件(H5-14和XH-0)顯示出了明顯的脆性,其他砂巖試件隨吸水時間的延長,曲線峰后延性明顯增強。

2.2.2單軸壓縮強度軟化特征

為研究砂巖單軸壓縮強度軟化特征，進行強度衰減和強度軟化系數(shù)實驗，結(jié)果如下。

(1)強度衰減實驗

圖4為兩組試件單軸壓縮強度(σc)與吸水時間的關(guān)系曲線，可以看出,隨吸水時間的增長,試件的單軸壓縮強度呈衰減趨勢。吸水時間短的試件,壓縮強度相對較高；吸水時間長的試件,壓縮強度相對較低。中砂巖試件強度值,從干燥件H5-14的133.5 MPa,降低到吸水650 h的試件H2-1的41.64 MPa,下降幅度為68.9%;細砂巖從干燥件XH-0的67.06 MPa,降低到吸水132 h的試件XH-5的54.88 MPa,下降幅度為18.15%,見表1。

采用模糊穩(wěn)健回歸分析方法[7],對每組試件的吸水時間與單軸抗壓強度進行擬合分析。選擇負指數(shù)函數(shù)形式作為砂巖單面吸水狀態(tài)下強度衰減函數(shù):

σt=σas+(σc-σas)×e-ktst，

(1)

式中:σt——隨吸水時間變化的單軸壓縮強度值,MPa;

σas——試件吸水飽和時單軸壓縮強度值,MPa;

σc——干燥試件單軸壓縮強度值,MPa;

t——吸水時間,h;

kts——水理作用強度衰減系數(shù)。

兩組試件σt與t具有較好的相關(guān)性,中砂巖擬合相關(guān)系數(shù)為0.942 6,細砂巖為0.905 2,見圖4。

圖4　單軸壓縮強度隨吸水時間衰減趨勢Fig. 4　Attenuated relation between single axial compressed strength and soaking time

式(1)的物理意義為:在單面吸水狀態(tài)下,隨吸水時間的延長,砂巖單軸壓縮強度呈負指數(shù)變化趨近于飽水強度。在測定了巖石干燥和飽水強度的基礎(chǔ)上,kts決定巖石強度衰減速率。由于巖石礦物組成和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以kts差異性較大,關(guān)于kts的取值問題有待進一步研究。

(2)強度軟化系數(shù)實驗

巖石的軟化性是巖石浸水后強度降低的特性,通常用軟化系數(shù)表示,即巖石飽和狀態(tài)下的單軸抗壓強度與干燥單軸抗壓強度之比。為研究砂巖單面吸水狀態(tài)下的強度軟化特性,將軟化系數(shù)定義為時間的函數(shù):

η(t)=σt/σc。

(2)

兩組試件隨吸水時間變化的η實測值見表1。

由圖5可見,在單面吸水狀態(tài)下,砂巖η與t具有負相關(guān)性,即η隨吸水時間呈遞減趨勢。中砂巖吸水6～650 h 軟化系數(shù)從0.904降低到0.311,表明強度下降幅度為9.60%～68.90%;細砂巖吸水9～132 h軟化系數(shù)從0.984降低到0.818,表明強度下降幅度為1.60%～18.15%。在圖5中還可觀察到,在短時間吸水后強度下降幅度較大,如:在吸水24 h后,中砂巖η為0.700,細砂巖η為0.847,表明強度分別下降了30.00%和15.30%。這一現(xiàn)象對深井巷道施工具有一定的指導(dǎo)意義,即巷道圍巖揭露后應(yīng)及時進行疏干排水,及時采取封閉措施,防止由于巖體吸水強度驟減而產(chǎn)生底臌、收邦、冒頂?shù)却笞冃维F(xiàn)象。

圖5　吸水時間與軟化系數(shù)關(guān)系Fig. 5　Relationship between soaking time andsoftening coefficient

2.2.3單軸壓縮變形宏觀破壞形式

巖石壓縮破壞形式復(fù)雜多變,通過對試件破壞形式的觀察,最終歸納為楔劈型張剪破壞和拉伸破壞兩種。在實驗過程中觀察到,隨著荷載的增加,試件中陸續(xù)出現(xiàn)的微裂紋,不斷積累、擴展,匯集成楔形體的兩個側(cè)面,試件發(fā)生楔劈型張剪破壞,見圖6a。當(dāng)試件中產(chǎn)生多條縱向條狀微裂紋,經(jīng)不斷積累、擴展形成縱向劈裂面,且絕大多數(shù)劈裂面都是始于試件的一端而終止于另一端,從而形成拉伸破壞,見圖6b。

圖6　典型破壞形式Fig. 6　Typical failure for speciments

就整個試件而言,由于采用單面吸水方式使試件吸水,試件并未達到完全飽水狀態(tài),吸水后試件含水狀態(tài)也不是均勻的,靠近吸水面處的截面吸水率相對較高,遠離吸水面處的截面吸水率相對較低,甚至仍然為干燥狀態(tài)。從破壞后的試件觀察到,單軸壓縮實驗過程中,無論試件吸水端朝上還是朝下,裂紋總是較早出現(xiàn)在吸水端,而且靠近吸水面一端裂紋相對較多,試件總是從吸水端首先破壞,破壞面處吸水端礦物顆粒碎屑較多,粒緣裂隙發(fā)育,破壞面微結(jié)構(gòu)松散。

2.3砂巖單面吸水強度軟化機制

國內(nèi)外學(xué)者[8-11]對水巖作用強度軟化機制的研究表明:巖石的軟化機制主要為黏土礦物遇水膨脹與崩解機制、微觀力學(xué)與化學(xué)動力學(xué)機制、離子交換作用與礦物溶解和礦物生成機制等。在各種機制的綜合作用下,巖石力學(xué)性質(zhì)下降。在特定條件下,各種機制將不同程度存在。在砂巖單面吸水強度軟化實驗中,筆者認為，黏土礦物吸水膨脹與微觀力學(xué)機制占主導(dǎo)地位。主要原因，一是吸水時間較短,而且實驗用水為蒸餾水。二是砂巖主要礦物組成為晶體礦物和黏土礦物,除少量易溶性晶體礦物外(如方解石),晶體礦物水敏性遠落后于黏土礦物。膨脹性是黏土礦物親水性的重要表現(xiàn),如具有分子內(nèi)膨脹特性的蒙脫石水敏性極強,一般情況下,完全浸泡在水中的鈣蒙脫石晶層間可進入3到4個水分子層的水,鈉蒙脫石中水分子可不受限制地進入到晶層間,致使層間距增加而產(chǎn)生體積膨脹。即使是具有外膨脹性的高嶺石,也因?qū)訝畋∑g及顆粒邊緣吸附水的存在而產(chǎn)生膨脹。黏土礦物膨脹使巖石內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力,降低了晶體顆粒間的黏結(jié)力,在外力的作用下,巖石將因晶體顆粒產(chǎn)生滑移而破壞。三是試件在單面吸水狀態(tài)下,試件的濕潤厚度隨吸水時間而增加。吸水時間越長,試件的濕潤厚度越厚,亦即試件中將有更多的黏土礦物因吸水而產(chǎn)生膨脹,致使強度降低幅度越來越大。

兩種砂巖粉晶X-射線衍射分析結(jié)果見表2。中砂巖中黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.5%,主要黏土礦物為伊/蒙混層,相對含量為100%,混層比為15%,混層中的蒙脫石為膨脹性強的鈉蒙脫石[12],因此強度下降幅度相對較大;細砂巖中黏土礦物含量較低,為11.8%,主要黏土礦物為綠/蒙混層,即蒙脫石向綠泥石轉(zhuǎn)換的中間礦物,相對含量為73%,混層比為55%,混層中綠泥石屬中等膨脹性黏土礦物,蒙脫石為膨脹性相對較弱的鈣蒙脫石[13],因此,強度下降幅度相對較小。

表2礦物X-射線衍射分析結(jié)果

Table2X-raydiffractionresultsformineral%

注:I/S為伊利石/蒙脫石混層；I為伊利石；K為高嶺石；C/S為綠泥石/蒙脫石混層。

3　結(jié)　論

(1)砂巖試件單面吸水后,兩組試件單軸壓縮σ-ε曲線線形相似,屬于塑性-彈性-塑性變形類型,σ-εd曲線在第一塑性變形階段呈陡升狀,εd值近似于0,說明此時試件體積變小。

(2)單軸抗壓強度隨吸水時間呈負指數(shù)衰減趨于飽水強度,強度衰減速率取決于強度衰減系數(shù)。

(3)強度軟化系數(shù)與吸水時間呈負相關(guān)性,而且經(jīng)短時間吸水后,軟化系數(shù)降低明顯。

(4)單軸壓縮宏觀破壞形式主要有楔劈型張剪破壞和拉伸破壞。

(5)砂巖單面吸水強度軟化機制為黏土礦物遇水膨脹機制與微觀力學(xué)機制。

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(編輯徐巖)

Softening experiment on single-side absorption strength for sandstone

ZHOULi,HANChaolong,MENGXiangmin,YUHengda

(College of Civil Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at a greater conformity with the actual state of roadway surrounding rock water uptake, this paper introduces uniaxial compressive strength test of the two groups of sandstone specimens, which absorb water only on single side to obtain the softening characteristic varying with absorption time. The result shows that the two groups of speciments have the much similarσ-εcompressed curve, classified into plastical-elastical-plastical deformatoin type. The compressive strength for both specimens tend to the saturable strength with negative exponentially proportional to the absorption time, softening coefficient of compressive strength shows negative correlation to the absorption time. The mainly macroscopic crack for the specimens occur in the form of wedge-splitting and tensile failure, and the first cracking is always at absorbing side. It follows that the strength softening mechanism for the single-side absorpting sandstone could be described as absorption expansion mechanism and micromechanics mechanism.

sandstone; absorbting on one side; uniaxial compressive; strength softening

1671-0118(2012)03-0320-05

2012-05-02

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12511480)

周莉(1958-),女,黑龍江省寶清人,教授,博士,研究方向:巖土工程,E-mail:mengte5891@163.com。

TU458.3

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