不同含水率下弱胶结岩石力学特性研究

贺庆丰，孙利辉,2，宋家乐，丁 斌，王宗泽

（1.河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北省煤炭资源综合开发与利用协同创新中心，河北 邯郸 056038）

0 引言

弱胶结地层是广泛分布在我国西部矿区侏罗系、白垩系地层中的一类特殊沉积砂岩地层。该地层具有弱胶结、低强度、遇水后泥化崩解、扰动敏感等特性，力学性质极不稳定。岩层开挖后在外界水环境作用下，易软化和膨胀，岩质迅速劣化，巷道大冒顶、高片帮、严重底鼓等工程灾害频繁发生。因此，揭示不同含水率对弱胶结岩石变形破坏特征的影响，对于弱胶结软岩巷道围岩稳定性控制具有重要意义。

一般来说，水会降低岩石强度，这就是水的软化作用[1]。为了研究水对岩石力学行为的影响，众多学者[2]对不同岩性（灰岩、砂岩、板岩、花岗岩、石膏岩、泥岩、盐岩等）、不同加载条件（单轴、三轴、巴西劈裂）、不同干湿循环次数的岩石材料开展了大量的试验研究。1981 年Chugh 和Missavage[3]通过调查和研究认为岩石单轴抗压强度与弹性模量随湿度的增加而减小。何满潮等[4]研究了水对岩石软化特征的影响，分析了岩石力学性能与含水率的关系。Erguler[5]在对不同类型含粘土岩石的室内试验，定量研究了含水量对其力学性质的影响，实验结果表明，当随着含水量的增加，岩石逐渐吸水直和，但是其至饱单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度都出现了降低的现象。孟召平、彭苏萍等[6]发现在低含水率情况下，岩石在峰值强度后表现为脆性和剪切破坏，但随着含水量的增加，主要表现为塑性破坏。张春会等[7]研究了在三轴条件下饱水度对砂岩力学特性的影响，发现随着饱水度增加，砂岩模量、峰值强度和残余强度均降低。刘新荣等[8]通过试验模拟研究了砂岩黏聚力、内摩擦角的劣化规律，结果表明随着含水率的增加，其峰值应力、黏聚力、内摩擦角和弹性模量都逐渐降低。

综上所述，对于水对岩石的力学特征的影响，前人做了大量的研究，但是对于不同含水率下弱胶结岩石的力学特征鲜有研究。因此，本文以红庆河煤矿的岩层的弱胶结岩石作为研究对象，开展不同含水率下单轴压缩试验，分析弱胶结岩石的力学特征与含水率的关系。

1 试验设备及试样制备

本文单轴压缩力学试验是在SAS-2000 电液伺服岩石试验机上进行的。该试验机可以使用试验力控制、位移加载等多种控制方式[9]，具有操作简便、精确度高、灵活性高等优点。

弱胶结砂岩试样取自内蒙古红庆河煤矿，岩性为粗粒砂岩，泥质胶结，孔隙较为疏松，水平层理或直线型斜层理。孔取样后立即进行保水封存，之后进行取芯、切削、打磨，岩样加工严格执行《工程岩石试验方法标准》[10]。

将加工好的岩样放置恒温恒湿箱中进行干燥处理，干燥结束后用电子天平测量其质量，并使用游标卡尺测量试样高度后记录初始数据。然后将干燥试样进行泡水处理并与烘干时的质量进行计算，得出含水率，计算公式如式1 所示，需要指出的是，浸泡试件所用的水，以及后面提到的“水环境”都指的都是蒸馏水，不涉及到化学成分[11]。

图1 弱胶结砂岩吸水曲线Fig.1 Water absorption curve of weakly cemented sandstone

浸水不同时长的试样基本参数见表1。

表1 弱胶结砂岩基本参数Table 1 Basic parameters of weakly cemented sandstone

2 含水率对岩样单轴压缩力学性能影响分析

图2 为不同含水率弱胶结砂岩单轴压缩应力-应变曲线图，表2 为单轴压缩力学参数。从图中不难看出，弱胶结砂岩在不同含水状态下其应力应变经历了压密阶段、线弹性阶段、屈服塑性阶段和峰后跌落等4 个阶段。通过比对不同含水状态下试件应力- 应变曲线可以发现，随着含水率的增加，砂岩在加载初期的非线性变化更加明显，经历了更长的压密阶段；砂岩在干燥状态和低含水率下时（ω=0，2.31%） 在峰后的变形极不稳定，表现为延性破坏，甚至发生了重复加载现象。高含水率试件（ω=5.47%，7.72%） 在峰后表现出明显的脆性跌落特征，无明显残余强度。随着含水率增加，岩石逐渐由延性破坏向脆性破坏转变。从图表中可以明显看出，随着含水率的增加，试件的峰值应力与弹性模量均有所减小。砂岩在含水率为0、2.31%、5.47%、7.72%时，单轴强度分别为22.20、16.59、11.63、9.06 MPa；弹性模量分别为2.98、2.23、1.61、1.53 GPa。对比不同含水状态时的峰值轴向应变没有明显的变化。

表2 不同含水率弱胶结砂岩单轴压缩力学参数Table 2 Mechanical parameters of weakly cemented sandstone with different water content under uniaxial compression

图2 弱胶结砂岩单轴压缩应力- 应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of weakly cemented sandstone in uniaxial compression

根据所得力学试验数据，将含水率与弱胶结砂岩峰值强度、弹性模量的关系进行拟合，拟合后的关系如图3 所示。从图中可以看出，红砂岩的抗压强度和弹性模量随含水率的升高而降低，大致表现为线性降低的规律。峰值强度与含水率拟合关系为：σc=21.39-1.68ω，拟合曲线相关系数R2=0.98；弹性模量与含水率拟合关系为：E=2.98-0.280ω，拟合曲线相关系数R2=0.92。

图3 含水率对弱胶结砂岩力学参数影响Fig.3 The influence of water content on the mechanical parameters of weakly cemented sandstone

3 含水率对弱胶结砂岩破裂模式影响分析

图4 为不同含水率弱胶结砂岩破裂形态。不同含水率弱胶结岩样在单轴压缩荷载作用下，主要发生拉伸破坏和剪切破坏，破坏后试样完整性较差。弱胶结单轴压缩破坏形态随含水率的不同而显著变化。干燥试件单轴压缩时，呈现明显的拉伸破坏如图4（a） 所示。而随着试件含水率的增加，破坏模式逐渐由劈裂破坏向剪切破坏转变，图4（b）同时发生了劈裂破坏和剪切破坏。而高含水率试件表现为单一的剪切破坏如图4（c）、图4（d） 所示。这是由于含水的岩样受到水的作用，内部的结构被破坏，岩样内聚力降低，产生较大的压剪塑性变形，削弱了岩样的抗剪能力，因此压缩过程中岩样内部的剪应力比拉应力更先达到其极限强度，岩样发生剪切破坏，而且随着含水率的增加，剪切面的面积也随之增大。

图4 单轴压缩下弱胶结砂岩破坏形态Fig.4 Failure mode of weakly cemented sandstone under uniaxial compression

4 结论

（1） 含水率对弱胶结岩石的应力- 应变曲线有显著的影响。随着含水率的增加，弱胶结砂岩在加载前期的非线性及峰后脆性跌落现象更加明显。

（2） 弱胶结砂岩峰值强度、弹性模量随含水率的增加而减少，含水率为0、2.31%、5.47%、7.72%，峰值强度分别为22.20、16.59、11.63、9.06 MPa，弹性模量分别为3.18、2.23、1.81、1.49 GPa；与干燥试样相比含水率为2.31%、5.47%、7.72%的试样，峰值强度降低了25.2%、47.6%、59.2%，弹性模量分别降低了29.9%、43.1%、53.1%。不同含水率下峰值应变无明显变化。

（3） 通过对不同含水率下弱胶结砂岩单轴压缩破裂形态进行分析，得出岩样的破裂形态随含水率不同而发生变化。随着含水率的增加，弱胶结砂岩的破坏模式由张拉破坏向剪切破坏转变。