高围压条件下低温砂岩的力学试验研究

汪永雄

【摘 要】随着国家对西部地区的开发建设，高寒地区的基础建设得到前所未有的发展。中低温条件下的砂岩的力学特性对工程的建设有着重要意义。本文以雅康高速二郎山冻融段为背景，现场取样砂岩，进行了高围压（80MPa）不同温度条件（-40℃，-20℃，130℃，200℃）下的三轴压缩试验。分别从温度对砂岩的峰值强度、破坏面形式、弹性模量、抗压强度、泊松比等方面进行讨论，对砂岩的破坏机理进行分析，为高围压低温条件下砂岩的力学特性提供借鉴意义。

【关键词】砂岩;高围压;三轴压缩试验;低温

一、引言

随着国家对西部地区的开发建设越来越多，高寒地区的工程建设也得到巨大的发展[1]。冻土是指，温度在0℃或处于0℃以下，含有冰的土壤或者是岩石。二郎山隧道位于四川省雅安市和甘孜州交界的二郎山，它起于天全县龙胆溪川藏线，止于泸定县别托山川藏公路，其中，二郎山隧道4176米，洞口海拔2200米，是川藏线改造咽喉工程。该地区砂岩常年处于高围压和低温条件下，所以对于高围压条件下中低温砂岩的力学试验研究很有意义。

杨更社等[2]对三向应力条件下冻结岩石力学特性进行了研究，得出岩石冻结时矿物收缩和冰本身的强度及冻胀压力使得岩石峰值强度得到提高。李鹏等[3]认为红砂岩在低温、低水压、高围压条件下的断裂轨迹呈横向断裂，但并未对其力学特性进行探讨。单仁亮等[4]得出了温度是影响弹性模量的主要因素，泊松比受温度影响较小。

二、试验方案

试验中所采用的新鲜完整砂岩试件是二郎山隧道段现场采集的，试件为圆柱体，尺寸为直径Φ×高度H=50mm×100mm。室内三轴压缩试验是在岩石力学试验机上完成的。试验方法是将制备好的试样放置在试验机上，同时在上下两端各加一个直径与试件断面相同的刚性对中垫块，然后以恒定的位移速率沿轴向施加荷载，直至试件破坏，试验采用量程2000kN的压力传感器测试轴向荷载，采用量程200mm的位移传感器测试位移，还配有一组更加敏感的用于测试试件轴向与径向变形的传感器。

三、试验设备

主要的仪器设备：岩石三轴实验机、空压机、低温循环、液压源槽、高温三轴室、低温三轴室、主机、围压增压器、孔压增压器等。

四、岩石的三轴压缩试验

对于围压80MPa的情况下，四组不同温度下（-40℃、-20℃、130℃、200℃）的抗压强度分别是149.06MPa、96.91MPa、54.39MPa、49.59MPa，温度从-40℃上升到-20℃时，对应的强度下降了15.7%;上升到130℃时，强度下降了68.9%;上升到200℃时，强度下降了86.3%，围压一定，温度越低试样的强度越高。在围压80MPa的条件下，温度130℃和200℃的砂岩试样，呈现明显的塑性破坏;温度-40℃和-20℃的砂岩试样，呈现明显的脆性破坏。对比不同温度条件下砂岩试样的破坏形态，200℃和130℃粉碎性破坏较多，破坏呈塑性，-20℃和-40℃破坏面形式较单一，呈脆性破坏。砂岩试样在低温时，由于试样内部存在孔隙水凝结成冰，在孔隙内形成冻胀压力，使得岩石强度得到提高;温度上升时，由于矿石颗粒膨胀系数差异和相互约束，产生热应力，矿物颗粒在岩石原有的微裂纹处应力集中，当应力超过颗粒间的粘结强度极限，产生裂纹，试样破坏。所以，随着温度的升高，峰值应力对应的应变急剧减小，试样呈塑性发展。

不同温度条件下，四组不同试验的破坏面形态，130℃和200℃试样粉碎性破坏较多，-20℃和-40℃，试样沿结构面呈规律性破坏。

表1 不同温度条件下围压80MPa砂岩的力学特性

通过实验可以发现，在高围压（80MPa）条件下随着温度的升高，弹性模量成线性减小。对比表1，温度从-40℃升温到-20℃，弹性模量由34.4GPa降低至22.4GPa，减小了34.8%;升到130℃，弹性模量由34.4GPa降低至22.4GPa，减小了43.6%;升到200℃，弹性模量由34.4GPa降低到14.0GPa，减小了59.2%，可见对于高围压条件下的砂岩，温度对于砂岩的弹性模量影响显著。

在高围压（80MPa）条件下，随着温度的升高，岩石的抗压强度也呈现线性减小。对比表1，温度从-40℃上升到-20℃，岩石的抗压强度由149.06MPa降低至96.91MPa，减小了35%;温度升到130℃，减小了63.5%;温度上升到200℃，减小了66.7%，温度对于砂岩的抗压强度影响较大，可见高围压下砂岩的抗压强度与弹性模量之间存在较模糊的正相关性。

对比表1中不同温度高围压条件下砂岩的泊松比，在负温时，砂岩泊松比较小，130℃到200℃时，泊松比增长较快，低温下，温度对于泊松比影响并不显著。

四、结论

本文针对二郎山隧道地区砂岩进行了高围压（80MPa）下，不同温度条件（-40℃～200℃）下的三轴压缩试验，并分别从温度对于试样峰值强度、破坏面状态、弹性模量、泊松比、抗压强度多个方面进行讨论，总结如下：

（1）高围压条件下，温度对于砂岩的影响明显，低温下砂岩呈脆性破坏，其三轴压缩试验经过四个明显的阶段，压密阶段、弹性阶段、塑性阶段，破坏阶段。130℃、200℃时，砂岩呈塑性破坏，压缩试验弹塑性阶段分界不明显，且强度下降很快。

（2）高围压条件下，温度越高，破坏面粉碎区域越大。

（3）高围压条件下，温度越高，砂岩的弹性模量与抗压强度越低。

（4）高围压下，温度较低时，温度对泊松比影响不大。

【参考文献】

[1]李宁，程国栋，谢定义. 西部大开发中的岩土力学问题[J]. 岩土工程学报，2001，23（3）：268–272.

[2]杨更社，奚家米，李慧军，程磊. 三向受力条件下冻结岩石力学特性试验研究[J]. 岩土力学与工程学报，2010，29（3）：459–464.

[3]李鹏，饶秋华，马雯波，苏淑兰，马春德. 脆性岩石热–水–力耦合断裂的断口分析[J]. 岩土力学与工程学报，2014，33（6）：1179–1186.

[4]单仁亮，杨昊，郭志明，刘校东，宋立伟. 负温饱水红砂岩三轴压缩强度特性试验研究[J]. 岩土力学与工程学报，2014，33（8）增2：3357–3364.