劉俊新，劉 鵬，劉育田

（西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010）

前期名義固結(jié)壓力在巖石力學本科實驗教學中的應(yīng)用

劉俊新，劉 鵬，劉育田

（西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010）

自主研制了一種用于測量泥質(zhì)巖前期名義固結(jié)壓力試驗裝置，得到了其前期名義固結(jié)壓力，填補了巖石力學實驗和教學中的空白。通過試驗驗證了該裝置的適用性和可靠性，便于試驗操作，在以往裝置的基礎(chǔ)上填加了一個側(cè)限壓縮室，確保泥質(zhì)巖側(cè)向完全受限，通過分析獲取了前期名義固結(jié)壓力，并探究了其脆轉(zhuǎn)延特性。該裝置將前期名義固結(jié)壓力應(yīng)用于巖石力學教學中，豐富了實驗教學內(nèi)容，完善了知識框架體系，是對巖石力學課程內(nèi)容的拓展補充，適合在實驗教學環(huán)節(jié)中培養(yǎng)學生動手實踐能力。

巖石力學；固結(jié)試驗；單軸應(yīng)變實驗；前期名義固結(jié)應(yīng)力；脆轉(zhuǎn)延

巖石力學是一門理論性、應(yīng)用性和實踐性都很強的工科學科，其實驗教學是巖石力學教學體系中的重要組成部分，主要有現(xiàn)場實驗和室內(nèi)物理實驗［1］。然而巖石力學課程具有涉及內(nèi)容較多、經(jīng)驗公式多、實驗內(nèi)容多等特點，在學習過程中需要把理論與實際密切結(jié)合起來［2］。隨著近年來新工藝和科學技術(shù)的發(fā)展，該課程克服了傳統(tǒng)教材知識面和適應(yīng)性過窄的弊端，打破了行業(yè)界線，逐漸與人們?nèi)找骊P(guān)注的環(huán)境、生態(tài)和能源等熱點問題相結(jié)合，不斷適應(yīng)社會發(fā)展的最新需求，研究內(nèi)容不斷拓展和豐富，體現(xiàn)了巖石力學學科與時俱進的特點。目前在工科高等學校，很多都主要依賴于實驗室物理實驗［3］，因此完善巖土力學實驗室物理實驗在目前基礎(chǔ)教學中是十分必要的。

作為3種組成地球巖石圈主要巖石之一的沉積巖，地球地表占比有70，所含有的礦產(chǎn)也占全部世界礦產(chǎn)蘊藏量的80以上，對其固結(jié)成巖機理和受力特性的研究是不可或缺的。沉積巖在固結(jié)成巖過程中，先是由沉積物沉淀，而后經(jīng)上覆沉積物壓縮、脫水固結(jié)，再經(jīng)成巖作用而形成。在研究泥質(zhì)巖的演化性能及脆延轉(zhuǎn)換過程中，文獻［4］將前期名義固結(jié)壓力引入對黏土巖、泥頁巖進行了研究，為定量研究泥質(zhì)巖蓋層封閉性動態(tài)演化評價提出了OCR法，并指出前期名義固結(jié)壓力與OCR法是評定此類巖石蓋層的重要指標。而為了確定OCR值，關(guān)鍵就在于如何獲取前期名義固結(jié)壓力［5］。

式中，pc為前期名義固結(jié)壓力，σ′vo為當前有效固結(jié)壓力。對泥質(zhì)巖進一步研究，文獻［6］發(fā)現(xiàn)其前期名義固結(jié)壓力不僅受到由于地層的侵蝕（抬升）和沉積作用引起的力學加載與卸載影響，還與成巖、膠結(jié)、礦物成分改變和長期的次固結(jié)壓縮（即蠕變）等地質(zhì)構(gòu)造演化作用有關(guān)。對于部分成巖作用較弱的黏土巖、泥頁巖等，由于在其成巖作用中晚期受到老化、膠結(jié)、礦物成分轉(zhuǎn)換與變異等因素的影響，會表現(xiàn)出超固結(jié)特性，超固結(jié)的出現(xiàn)一般會使巖石表現(xiàn)出硬脆特征，進而可能對其整體結(jié)構(gòu)的密封性造成不利影響［4］，因此前期名義固結(jié)壓力就成為評判蓋層密封性的一個重要指標。巖石蓋層作為油氣上覆遮擋構(gòu)造，是油氣藏得以形成和保存的重要條件，其密封性能優(yōu)劣是決定油氣藏豐度、儲量及保存時間的關(guān)鍵因素［7］。由此可見，作為評定有關(guān)巖石蓋層重要指標的前期名義固結(jié)壓力與OCR法的研究和推廣意義變得越來越重要，這也是巖石力學理論研究和工程應(yīng)用不斷結(jié)合的體現(xiàn)。

雖然在泥質(zhì)巖研究中前期名義固結(jié)壓力的理論和工程作用日益凸顯，但其檢測方法少有人研究，也缺少準確可靠的實驗裝置來檢測。然而土力學中土體的前期名義固結(jié)壓力作為影響土的工程性質(zhì)的重要因素之一，無論是在理論教學還是在實驗教學中都有重點介紹，其測定方法也逐步發(fā)展成熟，主要有卡薩格蘭德（Casagrande）法、波密斯特（Burm ister）法、希默特曼（J.H.Schmertmann）法及日本的三笠氏法等，目前國內(nèi)各試驗規(guī)程仍然以卡薩格蘭德法為主［8］?？ㄋ_格蘭德法即土工試驗規(guī)范采用的測定土的固結(jié)試驗方法［9］，主要實驗儀器為壓縮固結(jié)儀，其特點是在曲線上尋找最小曲率半徑點，然后在此點上作水平線，切線和兩線的角平分線，角平分線與直線段延長線的交點所對應(yīng)的垂直壓力即為前期固結(jié)壓力。該法直觀簡單，易于理解，但是對于泥質(zhì)巖而言，土力學試驗設(shè)備加載能力有限，不能直接應(yīng)用于巖石力學實驗中。為探求泥質(zhì)巖前期名義固結(jié)壓力，并將它應(yīng)用于實驗教學中，參考土力學相關(guān)實驗原理，這里介紹了一套自主研制的針對泥質(zhì)巖的完全側(cè)限條件下單軸應(yīng)變試驗裝置，其關(guān)鍵技術(shù)問題是提供了一種側(cè)限壓縮室，能夠保證試樣環(huán)向有足夠剛度而使位移受到嚴格限制，確保了很高的試驗精度，進而準確得到前期名義固結(jié)應(yīng)力。通過試驗將前期名義固結(jié)應(yīng)力引入巖石力學教學和實驗，拓寬了學生的知識面，適應(yīng)了新時代對教學改革的要求，也有助于巖石力學理論與工程將不斷走向成熟。

1 實驗儀器和操作方法

1.1 儀器參數(shù)

自主研制的完全側(cè)限條件下巖石單軸應(yīng)變試驗裝置如圖1所示，用于測定泥頁巖的前期名義固結(jié)應(yīng)力。該裝置的環(huán)空柱形側(cè)限壓縮室為兩塊內(nèi)徑為25 mm、壁厚達15 mm、高140 mm的半圓環(huán)形不銹鋼沿母線對稱拼接而成，拼接處用6枚長40 mm、直徑10 mm的螺絲釘連接固定，確保環(huán)空柱形無間隙且不能發(fā)生任何側(cè)向變形。

圖1 試驗裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

側(cè)限壓縮室外側(cè)中央分別安裝4個電阻應(yīng)變片（前后兩面安裝，拼接的母線兩側(cè)的應(yīng)變片關(guān)于拼接母線呈軸對稱），應(yīng)變片通過導線與電阻應(yīng)變儀相連，應(yīng)變儀采用揚州泰司TS3862靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，與4個高精度的BF350型電阻式應(yīng)變片連接構(gòu)成應(yīng)變記錄系統(tǒng)，以此監(jiān)測環(huán)向變形。上端承壓板尺寸為上部直徑70 mm、厚10 mm，下部直徑49.5 mm、厚10 mm的“T”形組合柱體不銹鋼；承壓底座為上部直徑49.5 mm、厚35 mm，下部直徑120 mm的倒“T”組合柱體不銹鋼。承壓板和承壓底座用于向巖石試樣傳遞軸向壓力，試樣放置在承壓板下部柱形凸起和承壓底座上部柱形凸起之間。圖2和圖3為側(cè)向受限的巖石單軸應(yīng)變試驗裝置示意圖及實物圖，圖2中標注同圖1，圖4為操作圖。

圖2 試驗裝置立體示意圖

圖3 試驗裝置實物圖

圖4 單軸應(yīng)變試驗操作

1.2 操作步驟

1）將環(huán)空柱形側(cè)限壓縮室放置在承壓底座上，在環(huán)空柱形側(cè)限壓縮室中放入標準柱形巖石試樣，再將承壓板放置在環(huán)空柱形側(cè)限壓縮室上方；

2）環(huán)空柱形側(cè)限壓縮室連同上部承壓板和承壓底座一起放置在試驗機承壓平臺中心，將應(yīng)變片與電阻式應(yīng)變儀連接，開啟試驗機控制電腦和電阻式應(yīng)變儀，設(shè)置好參數(shù)即可開始試驗；

當?shù)刂饕N植水果、蔬菜及少量大田作物，以經(jīng)濟作物為主，常年都有用肥需求，以復合肥為主。受云南物流條件限制，企業(yè)要將產(chǎn)品發(fā)到市縣，需要付出過多的物流成本，加上種植結(jié)構(gòu)分散，更加大了成本。本月看似銷售有所上升，但實際上和去年相比呈現(xiàn)微幅下跌。企業(yè)逐步開始減少囤積農(nóng)資，避免貨物積壓，化肥庫存量同比有所下降。

3）試驗機控制電腦自動記錄試驗荷載與變形曲線，試驗完成后，取出環(huán)空柱形側(cè)限壓縮室，卸下螺絲釘，取出試樣。

4）仿照步驟1）～步驟3）放入新的巖石試樣進行側(cè)限條件下的單軸應(yīng)變試驗，直至完成所有試件的測試工作。

1.3 基本原理

依照上述試驗過程操作，利用電阻應(yīng)變儀測試記錄側(cè)限壓縮室外壁的環(huán)向應(yīng)變［10］：

式中，a、b、E1、v1分別為厚壁圓筒內(nèi)徑、外徑和套筒材料的楊氏模量及泊松比，值分別為23.5 mm、33.5 mm、2.061011Pa和0.28。

式中，kd為應(yīng)變片的動態(tài)靈敏度系數(shù)，Rg為應(yīng)變片電阻，Rc為應(yīng)變儀的標定電阻，ΔUc為標定電壓值，ΔUg為記錄脈沖波形采樣值。

按照厚壁圓筒（《彈性理論》，鐵摩辛柯，古地爾著）彈性理論［10］，可求取圓筒內(nèi)壁處的壓力［11］：

2 實驗應(yīng)用與結(jié)果分析

2.1 實驗應(yīng)用

為驗證完全側(cè)限條件下泥質(zhì)巖單軸應(yīng)變試驗裝置的可靠性和準確性，本文采用系統(tǒng)的試驗進行了驗證。本次試驗樣品來自鄂西—渝東地區(qū)的剛開挖的泥質(zhì)巖新揭露的露頭，涉及次一級地層為遂寧組（野外編號1140）、小河壩組（野外編號1141）；泥質(zhì)巖巖性涵蓋紅色泥巖、泥頁巖（如圖5所示）。所用試樣采用現(xiàn)場鉆取的直徑為49 mm的長柱，并選取從同一位置所取的巖心進行加工。先利用鋼鋸切出長度102mm左右的試樣，然后利用專用夾具配合細砂紙打磨成符合試驗規(guī)程的標準試樣（其尺寸為47 mm×100 mm），并迅速采用牛皮紙和膠帶進行包裝和蠟封。針對這兩種泥質(zhì)巖試樣每組4塊共計8塊開展了完全側(cè)限條件下單軸應(yīng)變試驗，得到了前期名義固結(jié)壓力，并分析了脆轉(zhuǎn)延性質(zhì)。

圖5 巖樣圖片

2.2 試驗結(jié)果及分析

通過對試樣開展單軸壓縮試驗，利用Addis法確定泥質(zhì)巖前期名義固結(jié)壓力，即單軸應(yīng)變試驗曲線上斜率K0發(fā)生轉(zhuǎn)折的點所對應(yīng)的縱坐標值為前期名義固結(jié)壓力［12］。對試樣試驗結(jié)果整理分析得到單軸應(yīng)變試驗典型曲線（如圖6和圖7所示），可以看出曲線大致分成4段：1）壓密階段，由于外力較小，泥巖內(nèi)部存在天然錯位和孔隙等因素的影響，此階段只是孔隙、裂縫的空間被部分壓縮；2）彈性階段，由于壓力不斷增大，泥巖與套筒逐漸緊密壓縮；3）彈塑性階段，曲線為發(fā)生偏轉(zhuǎn)，超過前期名義固結(jié)壓力；4）塑性流動階段，對曲線擬合得到，第二與第三階段兩直線段交點所對應(yīng)的軸向應(yīng)力值即為該泥巖的前期名義固結(jié)壓力值pc，第三和第四階段兩直線段交點所對應(yīng)的軸向應(yīng)力值即為該泥巖發(fā)生塑性流動而不能承擔剪應(yīng)力的壓力值σv，max，由于在本次試驗中只研究發(fā)生前期名義固結(jié)壓力，所以該階段我們暫不做處理。對比試驗結(jié)果還可以初步得到以下結(jié)論：針對試樣堅硬程度而言，巖石越堅硬，巖性越強，前期名義固結(jié)壓力pc值較大；反之，pc值則較小。由此說明巖石的巖性與前期名義固結(jié)壓力存在一定關(guān)聯(lián)。

圖6 單軸應(yīng)變試驗典型曲線

圖7 部分試樣典型前期名義固結(jié)壓力曲線圖

從巖石力學的角度而言，巖石的脆性一方面受到其本身性質(zhì)影響；另一方面受制于所處的應(yīng)力條件［13］。當圍壓超過某數(shù)值（轉(zhuǎn)換壓力）后，巖石便從脆性轉(zhuǎn)換為延性，且隨著圍壓的升高延性更加明顯。從上述單軸應(yīng)變試驗結(jié)果看出，隨著圍壓的增大，試樣發(fā)生了生脆轉(zhuǎn)延現(xiàn)象，故前期名義固結(jié)壓力可視為巖石發(fā)生脆轉(zhuǎn)延性的起始點，超過該點之后，巖石的變形呈現(xiàn)延性狀態(tài)，承擔剪切能力也隨之減弱。

3 結(jié)束語

在土力學實驗基礎(chǔ)上，自主研制了一種針對泥質(zhì)巖的完整側(cè)向受限單軸應(yīng)變試驗裝置，該裝置提供了一種側(cè)限壓縮室，對泥質(zhì)巖進行側(cè)限條件下的單軸壓縮試驗，通過試驗實例分析確定了其前期名義固結(jié)應(yīng)力－應(yīng)變曲線中第二與第三階段兩直線段交點所對應(yīng)的軸向應(yīng)力值，同時初步得到前期名義固結(jié)壓力為巖石發(fā)生脆轉(zhuǎn)延性的起始點這一結(jié)論。對于土木工程、地質(zhì)工程專業(yè)的學生而言，該裝置易于操作、便于學習，結(jié)合的知識點豐富，新引入的巖石前期名義固結(jié)應(yīng)力不僅是對以往教學內(nèi)容的補充，還適用于實驗教學，能全面提高學生的理論知識學習和動手實踐能力，與實際工程聯(lián)系緊密。

泥頁巖前期名義固結(jié)壓力的研究與油氣藏能源等熱點問題相結(jié)合，使得教材的內(nèi)容和思想與現(xiàn)實工程實際發(fā)展同步，是巖石力學教材知識面和適應(yīng)性不斷拓展的結(jié)果，也是教學改革的必然要求，同時還拓寬了學生畢業(yè)后的就業(yè)渠道和競爭能力，適應(yīng)了新形勢下國家對人才的培養(yǎng)要求?，F(xiàn)階段前期名義固結(jié)壓力還有一定的局限性，為完善其理論，后期將對成巖作用更強的巖石進行研究論證這一理論知識的實用性。

［1］楊文東，張艷美，俞然剛，等.復雜地質(zhì)建模前處理方法在巖石力學數(shù)值實驗教學中的應(yīng)用［J］.實驗管理與技術(shù)，2014，31（9），179－183.

［2］馬建興，馬強.巖石力學實驗課的教學改革研究［J］.實驗室科學.2011，14（02）：32－35.

［3］王述紅，唐春安，朱萬成，等.數(shù)值試驗在巖石力學實驗教學中的應(yīng)用［J］.實驗管理與技術(shù)，2003，20（6），140－143.

［4］NYGARD R，GUTIERREZ M，BRATLI R K，et al．Brittle－ductile transition，shear failure and leakage in shales and argillaceous rocks［J］.Marine and Petroleum Geology，2006（23）：201－212.

［5］GUTIERREZ M，NYGARD R，HOEG K，et al．Normalized undrained shear strength of clay shales［J］．Engineering Geology，2008，99（1／2）：31－99.

［6］BJ RLYKKE K，H EG K.Effects of burial diagenesis on stresses，compaction and fluid flow in sedimentary basins［J］．Marine and Petroleum Technology，14（3）：2191－2199.

［7］何光玉，張衛(wèi)華.蓋層研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.世界地質(zhì)，1997，16（2）：28－33.

［8］王冠英.不同地區(qū)海積軟土前期固結(jié)壓力與結(jié)構(gòu)強度的關(guān)系及其成因分析［D］.吉林：吉林大學，2004.

［9］CASAGRANDE A.The determination of the pre－consoli dation load and its practical significance［C］／／Proceedings of the First International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering.［S.l.］：［s.n.］，1936.

［10］施紹裘，王禮立.材料在準一維應(yīng)變下被動圍壓的SHPB試驗方法［J］.試驗力學，2000，15（4）：377－384.

［11］李祥龍，劉殿書，馮明德，等.鋼質(zhì)套筒被動圍壓下混凝土材料的沖擊動態(tài)力學性能［J］.爆炸與沖擊，2009，29（5）：463－467.

［12］ADDIS M A.Mechanisms for sediment compaction re sponsible for oil field subsidence［D］.London：Universi ty of London，1987.

［13］周輝，孟凡震，張傳慶等.基于應(yīng)力－應(yīng)變曲線的巖石脆性特征定量評價方法［J］.巖石力學與工程學報，2014，33（6）：1114－1122.

Application of Apparent Preconsolidation Stress in the Undergraduate Experiment Teaching of Rock M echanics

LIU Junxin，LIU Peng，LIU Yutian
（School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang621010，China）

A preliminarymethod formeasuring the initial consolidation pressure ofmudstone is self－developed，and obtained its initial consolidation pressure data，which fills the gaps in the experimentand teaching of rockmechanics.The applicability and reliabil ity of this device are verified by experiments.It is convenient for the testoperation.Based on the previous device，we filled with a later al compression chamber to ensure that themudstone is completely limited side by side.Through the experimental analysis，we got the apparent preconsolidation stress of the shale and explored the brittle transition properties.The application of the initial consolidation pressure in the rock mechanics teaching，enrich the experimental teaching content，improve the knowledge framework system，which is the expansion of rock mechanics curriculum content.It is very suitable for the students to practice in the experiment teaching.

rock mechanics；consolidation test；uniaxial strain test；apparent preconsolidation stress；brittle to fragile

TU45

A

10.3969／j．issn．1672－4550.2017.03.019

2015－10－29；修改日期：2016－01－05

2013年土建類高等教育教學改革項目土木工程專業(yè)卓越計劃專項——《面向西部區(qū)域特色的土木工程卓越計劃人才培養(yǎng)模式研究》（2013010）。

劉俊新（1976－），男，博士，主要從事巖土工程與防護工程研究。