不同负温对冻结饱和砂岩力学特性的影响

赵涛 杨更社 任俊童 韩力 贾海梁

摘 要：寒区工程普遍面临低温带来的各种工程灾害问题，其中岩土体冻结后强度特性的变化是核心诱因之一。岩土体冻结后强度提高，有利于岩土体的稳定。但在其解冻过程中强度会发生显著弱化，可能会引发工程灾害，因此必须研究不同负温下冻结岩石的力学特性。对常温（20 ℃）及不同负温条件下（-2，-4，-6，-8，-10，-12，-15，-20 ℃）砂岩的抗压强度和抗拉强度特性进行测试。研究结果表明：冻结温度低于-10 ℃時，岩石主要出现脆性破坏;冻结温度高于-10 ℃时，岩石以塑-弹性破坏为主。冻结温度对抗拉强度和抗压强度均有显著影响，冻结温度越低，强度越大，-20 ℃时抗压强度是常温下的3倍，抗拉强度是常温下的4.8倍。不同温度范围内，抗拉强度和抗拉强度随温度的变化速率不同，-2～0 ℃时其变化速率均达到最大值，抗压强度变化速率为6 MPa/℃，抗拉强度变化速率为0.6 MPa/℃.冻结温度越低，弹性模量越大，0～-8 ℃时弹性模量变化速率为1.125 MPa/℃，-10～-20℃时变化速率为0.15 MPa/℃.综上分析，不同冻结温度下孔隙冰和未冻水的含量不同，导致不同温度下岩石抗压强度和抗拉强度差异巨大。关键词：砂岩;冻结温度;单轴抗压强度;抗拉强度;中图分类号：TU 458

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2020）06-0996-07

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0609开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Influence of temperatures on the mechanical properties

of frozen saturated sandstone

ZHAO Tao，YANG Geng-she，REN Jun-tong，HAN Li，JIA Hai-liang

（College of Civil and Architectural  Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）Abstract：

There often occur engineering disasters in cold area projects due to

by low temperature，and one of the core causes is the change of strength characteristics after rock and soil

freeze.Freezing strengthens saturated porous rocks which increases the stability of rock mass，on the other hand，thawing will significantly weaken frozen rocks and may well cause engineering disasters.In this paper，the compressive strength and resistance of sandstone under different temperature conditions（20，-2，-4，-6，-8，-10，-12，-15，-20 ℃） was tested as well as tensile strength.The results show that：when the freezing temperature is lower than -10 ℃，the rock mainly exhibits brittle failure;when the freezing temperature is higher than -10 ℃，the rock is mainly plastic-elastic failure.The freezing temperature has a significant effect on tensile strength and compressive strength.The lower the freezing temperature，the higher the strength.The compressive strength at -20 ℃ is three times that at normal temperature，and the tensile strength is 4.8 times at normal temperature.The tensile strength and tensile strength vary with temperature in different temperature ranges.The rates of both strength change reach the maximum at -2～0 ℃，0.6 MPa/℃ and 6 MPa/℃ respectively.The lower the freezing temperature，the larger the elastic modulus.The rate of change of elastic modulus at 0～-8 ℃ is 1.125 MPa/℃，and the rate of change at -10～-20 ℃ is 0.15 MPa/℃.In summary，the content of pore ice and unfrozen water at different freezing temperatures is different，resulting in a large difference in compressive strength and tensile strength of rock at different temperatures.Key words：sandstone;freezing temperature;uniaxial compressive strength;tensile strength

0 引 言

中国寒区分布广泛，主要集中在西北和东北地区。随着“一带一路”倡议及“西部大开发”战略的持续推进，越来越多的寒区工程将要在一带一路沿线地区开展，高寒地区工程活动必然会面对冻结岩石的强度特性问题[1-2]。人工冻结法是富水软岩地层中煤矿竖井支护的常用方法。冻结岩层的力学特性是冻结法施工设计的关键参数之一[3-4]。在冻结壁融化阶段冻结岩层的强度将顯著降低，竖井的稳定性将受影响。考虑到自然环境下温度条件的复杂多变，以及冻结法施工中不同位置岩层冻结温度的差异，研究不同负温下冻结岩石的力学特性具有重要的工程意义[5-8]。

国内外学者对低温条件下岩石的力学特性已有若干研究。INADA等以花岗岩和安山岩为研究对象，分为干燥和饱和2种含水状态，对其进行了单轴压缩和巴西劈裂试验，探究了在-160～0 ℃这2种岩石的强度变化[9]。PARK等通过研究了岩石在-160～40 ℃温度范围内的单轴压缩强度、抗拉强度、断裂韧性，表明随着温度的降低这些力学性质都有增强的趋势，并且这一变化趋势对含水岩石比干燥岩石表现的更明显[10]。KODAMA等取日本的凝灰岩和安山岩为研究对象，探究含水量、温度、加载速率对冻结状态下该岩样的强度的影响作用[11]。徐光苗等对江西红砂岩、湖北页岩进行了低温条件下的单轴及三轴压缩试验，分析了试样破坏过程的变形规律，应力-应变关系，以及干燥和饱和条件下试样的单轴抗压强度、弹性模量，三轴抗压强度、剪切强度参数c，值随温度的变化关系[12]。单仁亮等以鄂尔多斯梅林庙矿的红砂岩为研究对象，针对不同冻结温度及不同围压条件下饱水红砂岩进行三轴压缩试验[13]。王开林等以北海道登别凝灰岩为研究对象，在5级不同的应变速率下，将试验所需的自然干燥岩样和饱和岩样分别冻结，冻结完成后进行单轴压缩试验，研究应变速率对冻结状态下的试样的强度、变形等力学性质的影响作用[14]。杨更社等对胡家河煤矿现场采集的煤岩和砂岩展开了单轴及三轴压缩试验，研究不同围压及不同温度条件下2种岩石的强度特性，并分析围压与温度的变化对岩石的影响规律[15]。奚家米等以砂质泥岩为研究对象，控制温度和围压2个变量进行单轴及三轴压缩试验，探究不同围压与不同温度条件下试样的强度特性和变形模量随两因素的变化规律[16]。訾凡等研究了含水量对冻结砂岩力学特性的影响，发现在低饱和度的状态下，冻结岩石的强度仍取决于孔隙中的未冻水含量;而在高饱和度的区间，孔隙冰的含量决定了其冻结强度;对于接近饱和的岩石，其冻结强度还受到冻胀损伤的影响[17]。杨更社等以白垩系地层富水软岩为研究对象，系统地对饱和砂岩进行单轴-三轴强度压缩，分析围压和温度对饱和砂岩强度的影响规律以及破坏形态，并提出适用此饱和砂岩考虑温度条件下的非线性强度准则[18]。

目前，国内外学者对冻结砂岩在不同负温条件下的力学性质已有不少研究，但大多选择3～5个冻结温度[19-20]，对其力学性质随着温度的变化趋势研究仍不够系统和精细。

文中以砂岩为研究对象，设定9个不同的测试温度（分别为室温20，-2，-4，-6，-8，-10，-12，-15，-20 ℃），进行饱和砂岩的单轴压缩及巴西劈裂试验，得到其强度和变形参数随冻结温度的变化规律[18]，并分析了不同负温对冻结砂岩力学特性的影响机制。

1 试样制备与试验方案

1.1 试样制备

试验所用试样取自一块新鲜的未风化岩块。根据《岩石物理力学性质试验规程》误差要求，将试样加工成直径50 mm、长度100 mm的标准圆柱样用于单轴抗压强试验;加工成直径50 mm、长度25 mm的圆盘样用于巴西劈裂试验。

采用NM-4B非金属超声检测分析仪对试样波速进行测试，选取波速相近、表面平整且无缺陷和裂隙的试样用于试验。试样的天然含水率平均值为0.24，孔隙率平均值为19.58%，波速平均值为2.67 km/s.试验样品如图1所示。

1.2 试验方案

1.2.1 不同负温下岩石单轴压缩强度

单轴压缩试验采用WES-300B/600B数显万能试验机及高精度环境箱（图2）。试验机量程为300 kN，精度≤显示值的1%，最大负荷为300 kN，最大拉伸空间为550 mm.该套设备在加压过程中可对温度进行精准控制，最大限度的还原了寒区负温地质环境条件。

用于单轴压缩试验的试样共9组，温度点分别为20 ℃（室温）、-2，-4，-6，-8，-10，-12，-15，-20 ℃，每个温度3个样。将试样饱和后用保鲜膜包裹，并置于-20 ℃环境箱中冻结24h后方可用于试验。

单轴压缩试验中，将压力机上的环境箱温度设定为目标温度，将试样放入环境箱并保持5 h后，以5 kN/min的速率对试验压缩至破坏。

1.2.2 不同负温下岩石抗拉强度

用于巴西劈裂的试验共9组，温度点分别为20 ℃（室温）、-2，-4，-6，-8，-10，-12，-15，-20 ℃，每个温度3个试样。将试样饱和后用保鲜膜包裹，并置于-20 ℃环境箱中冻结24 h后方可用于试验。

劈裂试验仍采用图2所示的压力系统，采用弧形压头。将压力机上的环境箱温度设定为目标温度，将试样放入环境箱并保持2 h后，以5 kN/min的速率加载至试样破坏。记录各个岩样的峰值荷载，并计算抗拉强度。

2 试验结果

2.1 不同负温下砂岩应力应变曲线

不同温度下岩石峰值强度随着温度的升高而降低，且峰值应变均未大于3%，随温度的降低，峰值应变呈先增大后减小的趋势变化（图3）。-10 ℃～常温的岩石应力-应变曲线表现为塑-弹性，峰值后，岩样具有残余强度;-12～-20 ℃应力-应变曲线弹性段较长，岩石的压密阶段逐渐变短，曲线应力降较短，岩样表现为脆性断裂。

2.2 不同负温下砂岩单轴抗压强度

岩石单轴抗压强度随冻结温度的变化如图4所示，从图中可以看出，冻结温度越低，单轴抗压强度越大，冻结温度越高，单轴抗压强度越小。且不同温度范围内单轴抗压强度随温度的变化速率不同，冻结温度在-20～-15 ℃范围内时，单轴抗压强度随温度变化很小，约为1 MPa/℃，冻结温度在-15～-2 ℃范围内时单轴抗压强度随温度变化速率相对较快，约为1.77 MPa/℃.冻结温度在-2～0 ℃范围内时单轴抗压强度随温度变化速率最快，约为6 MPa/℃.冻结温度为-20 ℃时岩石强度是常温状态下的3倍。

2.3 不同负温下砂岩弹性模量

岩石的弹性模量随冻结温度的变化如图5所示。冻结温度越低，弹性模量越大，冻结温度越高，弹性模量越小。且在不同的温度范围内弹性模量随温度的变化速率不同，冻结温度在-20～-10 ℃范围内时，弹性模量随温度的变化速率缓慢，约为0.15 MPa/℃;冻结温度在-8～0 ℃范围内时，弹性模量随温度变化速率较快，约为1.125 MPa/℃.冻结温度为-20 ℃时岩石的弹性模量约为常温状态下的1.5倍。

2.4 不同负温下砂岩的抗拉强度试验

岩石的抗拉强度随冻结温度的变化如图6所示，冻结温度越低，抗拉强度越大，冻结温度越高，抗拉强度越小，且在不同的温度范围内抗拉强度随温度的变化速率不同。凍结温度在-20～-15 ℃范围内时，抗拉强度基本不随温度变化;冻结温度在-15～-2 ℃范围内时，抗拉强度随温度变化速率相对较慢，约为0.12 MPa/℃;冻结温度在-2～0 ℃范围内时，抗拉强度随温度降低速率最快，约为0.6 MPa/℃.冻结温度为-20 ℃时岩石的抗拉强度约为常温状态下的4.8倍。

2.5 冻结砂岩破环模式

单轴压缩过程中不同冻结温度下试样破坏以剪切破坏为主，破裂面与荷载方向呈一定夹角（图7（a）），也有部分试样产生沿荷载方向的劈裂而发生劈裂破坏（图7（b））。

不同冻结温度下，巴西劈裂破坏均为标准破坏模式，主要出现沿荷载方向的劈裂破坏（图7（c））。

3 不同负温对砂岩力学特性的影响机制定义

Rc/t

为不同温度下的岩石强度强化系数，表示为

Rc/t=σc/t

σ0c/t

（1）

式中

σc/t为各负温下的抗压和抗拉强度，MPa;

σ0c/t为初始抗压和抗拉强度，MPa.不同温度下的岩石强度强化系数如图8所示。从图中可以看出，冻结温度越低，岩石抗压强度和抗拉强度强化系数越大，且不同冻结温度下岩石抗拉强度的强化幅度比抗压强度大。

在-2～0 ℃的负温范围内时，岩石单轴抗压强度和抗拉强度强化系数均随温度的变化幅度较大。在-2～-15 ℃范围内时岩石抗拉强度和单轴抗压强度强化系数随温度增长幅度相对较小，冻结温度在-15～-20 ℃范围内时岩石抗拉强度强化系数基本不变，单轴抗压强度强化系数缓慢增加。

岩石在不同温度下冻结后，部分孔隙水冻结形成孔隙冰，未冻的孔隙水以未冻水膜的形式存在，未冻水膜厚度决定了冰对岩石矿物颗粒骨架的胶结强度。不同的负温条件下冰和液态水所占的比例不同，对砂岩强度的影响也不同。砂岩中的孔隙冰主要有支撑和胶结2种作用。

在-2℃～0℃的负温范围内时，部分孔隙水冻结以冰的形式存在，孔隙冰的支撑作用使得岩石单轴抗压强度升高，此时孔隙冰对岩石骨架具有一定的粘结作用，岩石抗拉强度升高[27]。冻结温度在-2～-15 ℃时，冰与岩石骨架之间的未冻水膜变薄，冰对岩石骨架的胶结强度升高，岩石抗拉强度和单轴抗压强度逐渐升高。温度在-15～-20 ℃时，孔隙冰生长速率很慢，岩石单轴抗压强度和抗拉强度变化小[28]。

上述结果表明，在-2～0 ℃的负温范围内时冻结岩石的强度变化最为剧烈。对于采用冻结法施工的工程，在冻结阶段应确保设计冻结范围内岩层温度低于-2 ℃，如此才能确保岩层强度的显著提高，起到应有的加固效果。而在融化阶段，当冻结岩层温度处于此区间时应进行重点监测，以防强度的快速降低引发工程灾害。此外，在-15～-20 ℃的负温范围内，岩石的强度基本没有变化。这意味着在冻结法施工设计时，地层的冻结温度并不是越低越好，可适当提高设计冻结温度来降低经济成本。

4 结 论

对不同负温下岩石单轴抗压强度、抗拉强度进行测试，结合强度随温度变化规律，分析了不同负温对岩石强度的影响机制，主要得到以下结论。

1）-20 ℃～常温的岩石峰值应变均小于3%;-10 ℃～常温的应力-应变曲线表现为塑—弹性;-12～-20 ℃岩样表现为脆性断裂。

2）-20～0 ℃时，单轴抗压强度均随温度的变化显著，-20 ℃时岩石单轴抗压强度是常温时的3倍。且不同温度区间内强度随温度的变化速率不同，冻结温度在-20～-15 ℃时，其变化速率很小，约为1 MPa/℃;冻结温度在-15～-2 ℃时，其变化速率相对较快，约为1.77 MPa/℃;冻结温

度在-2～0 ℃时，其变化速率最快，约为6 MPa/℃.

3）温度在-20～0 ℃，抗拉强度随温度的变化显著，-20 ℃时抗拉强度约为常温状态下的4.8倍。且在不同的温度范围内抗拉强度随温度的变化速率不同。冻结温度在-20～-15 ℃时，抗拉强度基本不随温度变化;冻结温度在-15～-2 ℃时，其变化速率相对较慢，约为0.12 MPa/℃;冻结温度在-2～0 ℃时，其变化速率最快，约为0.6 MPa/℃.

4）冻结温度对岩石弹性模量的影响较大，冻结温度越低，弹性模量越大;常温～-8 ℃时，其变化速率很快，约为1.125 MPa/℃;-10～-20 ℃时，其变化速率相对较慢，约为0.15 MPa/℃.

5）不同负温下岩石单轴压缩过程中的破坏模式主要有剪切破坏和劈裂破坏，破坏模式基本不受冻结温度的影响。

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