高溫后常規(guī)三向壓縮對(duì)粗砂巖力學(xué)特性的影響

高溫后常規(guī)三向壓縮對(duì)粗砂巖力學(xué)特性的影響

1高溫作用后粗砂巖力學(xué)特性地下采礦、地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)、煤礦磚瓦安全分離和充分利用、大型城市地下硐室和隧道工程火災(zāi)后的恢復(fù)和重建不可避免地與高溫作用后巖石的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。國(guó)內(nèi)外研究者在溫度對(duì)巖石力學(xué)和物理特性的影響方面進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究,取得了一系列有理論意義和實(shí)用價(jià)值的研究成果,歸納起來(lái)主要包括:(1)高溫作用后巖體基本物理參數(shù)(波速、密度等)試驗(yàn)測(cè)定、變形機(jī)制研究[1~5];(2)巖石破壞準(zhǔn)則、力學(xué)特性、本構(gòu)關(guān)系、熱裂化及巖石損傷破壞機(jī)制研究等[6~19]。以前多數(shù)學(xué)者對(duì)巖石(大理巖、花崗巖、巖鹽)在高溫后的物理力學(xué)特性相關(guān)研究主要是在單軸壓縮條件下進(jìn)行的,而對(duì)巖石在高溫后三軸壓縮條件下的研究甚少。因此,本文對(duì)焦作方莊煤礦戊組煤層粗砂巖試樣經(jīng)歷25℃~700℃高溫自然冷卻至室溫后,在MTS815.03電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn);分析了高溫作用后粗砂巖的波速、軸向峰值應(yīng)力、平均模量、變形模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角以及峰值應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)隨溫度變化規(guī)律。其研究結(jié)果可作為預(yù)測(cè)和評(píng)估煤炭地下氣化與城市大型地下工程火災(zāi)后圍巖穩(wěn)定性與修復(fù)加固支護(hù)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。2試驗(yàn)總結(jié)2.1試驗(yàn)試樣的制備和密度巖石試樣取自焦作方莊煤礦戊組煤層頂板粗砂巖,其主要成分為長(zhǎng)石和石英,含少量云母,呈灰黃色,層理明顯,鈣質(zhì)膠結(jié),粒徑為0.2~1.0mm,平均粒徑為0.5mm左右。按照規(guī)范的要求,將巖塊沿垂直層理方向加工成直徑為50mm,長(zhǎng)度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性和可比性,試樣加工成型后對(duì)其外觀仔細(xì)觀察,確定沒(méi)有明顯的節(jié)理及裂紋等缺陷,并挑兩端穩(wěn)定、不平行度小于0.05mm的作為試驗(yàn)試樣,以確保試樣之間沒(méi)有出現(xiàn)明顯的差異,同時(shí)對(duì)其進(jìn)行編號(hào)。高溫處理前對(duì)每個(gè)試樣的縱波波速、密度進(jìn)行了測(cè)定。所用試樣密度為2312~2410kg/m3,平均密度為2327kg/m3,離散系數(shù)為4.1%;縱波波速為3423~3677m/s,平均波速為3529m/s,離散系數(shù)為7.2%,滿足試驗(yàn)要求。2.2試驗(yàn)溫度設(shè)計(jì)試樣加溫設(shè)備為KSW–5D–12型高溫箱式電阻爐和電爐溫度控制器,該加溫設(shè)備是一套可以自動(dòng)控溫、升溫的多功能電爐設(shè)備。加溫采用硅炭棒作為加熱元件,高性能纖維為保溫材料,最高溫度可達(dá)1200℃。試驗(yàn)溫度設(shè)置為25℃(常溫),100℃,300℃,500℃,700℃五個(gè)等級(jí),每個(gè)溫度等級(jí)為1組,每組5個(gè)試樣。為了保證對(duì)試樣加溫均勻,加溫方法是按20℃/min的升溫速度加熱到預(yù)定溫度后保持恒溫5h,以保證試樣與爐膛溫度一致,然后在爐膛中自然冷卻至室溫,制成經(jīng)歷不同溫度的粗砂巖試樣。粗砂巖試樣經(jīng)歷不同溫度后的形態(tài)如圖1所示。粗砂巖試樣高溫后表觀顏色有所變化,常溫時(shí)試樣為灰黃色,經(jīng)歷100℃高溫后灰色有所加深,經(jīng)歷200℃~500℃高溫后由灰色逐漸向棕紅色變化,溫度越高棕紅色成分越深,而在700℃后粗砂巖試樣變成粉紅色。2.3試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)方法常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)采用美國(guó)生產(chǎn)的MTS815.03電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)是目前國(guó)內(nèi)配置最高、性能最為先進(jìn)的巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備,主要測(cè)試高強(qiáng)度、高性能固體材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的力學(xué)性質(zhì);可進(jìn)行巖石的單軸壓縮試驗(yàn)、單軸直接拉伸試驗(yàn)、單軸間接拉伸試驗(yàn)、常溫和高溫下的三軸壓縮試驗(yàn)、循環(huán)壓縮試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)等。軸向最大荷載為2800kN,圍壓最大為80MPa;測(cè)試精度高,性能穩(wěn)定,可進(jìn)行高低速數(shù)據(jù)采集,具有良好的動(dòng)、靜態(tài)和系統(tǒng)剛度,能夠跟蹤巖石破壞的全過(guò)程,并得到巖石的全程應(yīng)力–應(yīng)變曲線。本試驗(yàn)采用位移控制方式,加載速率為0.005mm/s,采用5mm位移傳感器測(cè)量試樣的軸向位移,1000kN的力傳感器測(cè)量試樣的軸向荷載。將選取的25個(gè)粗砂巖試樣分為5組,每組5個(gè),每組試樣分別在5,10,15,20,25MPa的圍壓下進(jìn)行三軸試驗(yàn)。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1高溫后粗砂巖力學(xué)特性的變化圖2給出了圍壓一定的情況下,粗砂巖試樣在經(jīng)歷了25℃,100℃,300℃,500℃,700℃后的常規(guī)三軸壓縮全應(yīng)力–應(yīng)變曲線。從圖2可以看出,在圍壓一定的情況下,經(jīng)歷不同溫度后,粗砂巖常規(guī)三軸壓縮全應(yīng)力–應(yīng)變曲線變化規(guī)律大致經(jīng)歷壓密、彈性、屈服和破壞4個(gè)階段。首先為壓密階段,其曲線呈上凹型,隨應(yīng)力的增加,變形發(fā)展較快,這主要是粗砂巖內(nèi)部的微裂隙在外力作用下發(fā)生閉合所致;接著進(jìn)入彈性階段,該階段的曲線基本呈直線狀態(tài),應(yīng)力–應(yīng)變呈正比例關(guān)系,表現(xiàn)出材料的彈性特征;屈服階段是指試樣內(nèi)部強(qiáng)度較低的材料首先逐步屈服破壞,新的裂隙逐步產(chǎn)生同時(shí),周?chē)牧弦虺惺芨叩膽?yīng)力也逐步破壞,裂隙不斷演化、發(fā)展,使應(yīng)力–應(yīng)變曲線偏離直線,表現(xiàn)出試樣的初步損傷發(fā)展過(guò)程;破壞階段是指巖石試樣達(dá)到承載極限,試樣內(nèi)部裂隙貫通形成宏觀破裂,試樣整體失去承載能力。由于本文所取粗砂巖試樣自身的離散性較大,故從圖2可以看到,其全應(yīng)力–應(yīng)變曲線在某一局部結(jié)果(單一固定圍壓情況下)有較大的離散性,但整體來(lái)講(不同固定圍壓情況下),高溫后粗砂巖在三軸壓縮條件下的力學(xué)特性具有明顯的整體規(guī)律性。由圖3可知,在25℃~700℃范圍內(nèi),當(dāng)經(jīng)歷了相同的加熱溫度并冷卻至常溫后,常規(guī)三軸壓縮條件下粗砂巖試樣的三軸抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。經(jīng)歷了25℃,100℃,300℃,500℃,700℃五個(gè)等級(jí)溫度加熱后粗砂巖試樣三軸抗壓強(qiáng)度,在圍壓為5,10,15,20,25MPa時(shí),其平均值分別為152.81,183.39,216.50,228.34,237.22MPa。隨著圍壓由5MPa增加到25MPa,粗砂巖試樣在常規(guī)三軸壓縮條件下的抗壓強(qiáng)度相對(duì)圍壓為5MPa時(shí)的平均值分別增加了20.01%(10MPa),41.68%(15MPa),49.43%(20MPa),55.24%(25MPa)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)曲線擬合得到高溫后粗砂巖試樣常規(guī)三軸抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系(見(jiàn)圖3)。由圖3可知,經(jīng)歷不同溫度作用后,常規(guī)三軸壓縮條件下粗砂巖試樣的抗壓強(qiáng)度與圍壓之間關(guān)系為非線性的,可表示為圖4為高溫后粗砂巖平均模量與圍壓的關(guān)系。由圖4可知,經(jīng)歷過(guò)不同加熱溫度的粗砂巖試件,當(dāng)圍壓為5,10,15,20,25MPa時(shí)平均模量平均值分別為27.95,30.51,30.91,30.93,31.24GPa。隨著作用在粗砂巖試樣上的圍壓逐步增大,其平均模量相對(duì)于圍壓為5MPa時(shí)分別增加了9.16%(10MPa),10.59%(15MPa),10.66%(20MPa),11.77%(25MPa),圍壓對(duì)經(jīng)過(guò)高溫加熱后粗砂巖的平均模量影響較小。隨著圍壓的增大,粗砂巖的平均模量有小幅度的增加。3.2加熱溫度對(duì)粗砂巖流變動(dòng)力特性的影響粗砂巖試樣在經(jīng)歷不同溫度作用后,由常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析得到粗砂巖試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角與溫度的關(guān)系曲線分別見(jiàn)圖5,6。同時(shí),可進(jìn)一步分析得到圍壓一定時(shí)不同溫度作用后粗砂巖試樣的三軸抗壓強(qiáng)度、平均模量及軸向峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系曲線,分別見(jiàn)圖7~9。由圖5~9可以分析得出:圍壓恒定時(shí),試驗(yàn)所測(cè)得粗砂巖試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強(qiáng)度、軸向峰值應(yīng)變及平均模量結(jié)果有較大的離散性,但整體上仍具有明顯的規(guī)律性。在常規(guī)三軸壓縮條件下,經(jīng)歷不同溫度作用后,粗砂巖試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強(qiáng)度及平均模量在300℃前隨著加熱溫度的升高而呈二次非線性增加;300℃后,隨著加熱溫度的升高,黏聚力、內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強(qiáng)度及平均模量呈二次非線性減小,軸向峰值應(yīng)變則呈二次非線性單調(diào)增加。粗砂巖試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強(qiáng)度及平均模量的平均值分別由25℃時(shí)的36.903MPa,38.10°,209.79MPa,31.59GPa增加到300℃時(shí)的37.256MPa,39.85°,221.59MPa,32.27GPa,增加幅度分別為0.95%,4.59%,5.93%,2.47%;當(dāng)加熱溫度達(dá)到700℃時(shí),由于溫度應(yīng)力的損傷,其黏聚力、內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強(qiáng)度及平均模量的平均值分別減小到27.45MPa,34.60°,197.17MPa,27.22GPa,相對(duì)常溫時(shí)分別減少25.61%,9.19%,5.75%,13.83%。而粗砂巖試樣的軸向峰值應(yīng)變呈二次非線性單調(diào)增加,由25℃時(shí)的平均值8.11×10-3增加到700℃時(shí)的平均值10.14×10-3,增加幅度達(dá)到25.03%。4熱應(yīng)力對(duì)粗砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響由于巖樣的不均勻性、端部效應(yīng)及加工精度等因素,造成了數(shù)據(jù)的偏差和離散,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。但是,本文關(guān)于不同溫度后砂巖力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)研究結(jié)果仍具有一定的規(guī)律性。粗砂巖作為高空隙度巖石,組成粗砂巖的顆粒結(jié)合得不是十分緊密,顆粒之間存在較多空隙和裂隙,圍壓的存在使得巖石內(nèi)部這些空隙和裂隙得到壓密和減小,顆粒間的接觸關(guān)系得到改善,摩擦特性得到增強(qiáng),粗砂巖的承載能力提高,宏觀力學(xué)性質(zhì)得到優(yōu)化。與此同時(shí),粗砂巖內(nèi)部這些較大的空隙結(jié)構(gòu)在溫度不是很高(低于300℃)時(shí),經(jīng)過(guò)加熱后產(chǎn)生的溫度熱應(yīng)力起到容納變形和阻止裂紋擴(kuò)展的作用,礦物顆粒的受熱膨脹也可能造成粗砂巖中原生裂隙逐漸愈合,裂隙數(shù)量減少,密實(shí)程度提高,使得礦物顆粒之間的接觸關(guān)系得到改善,摩擦特性得以增強(qiáng),在溫度和圍壓共同作用下,粗砂巖的黏聚力、內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強(qiáng)度及平均模量在300℃前隨著加熱溫度的升高呈二次非線性增加。而在溫度較高(大于300℃)時(shí),由于粗砂巖礦物顆粒的不同熱膨脹率引起跨顆粒邊界的熱膨脹不協(xié)調(diào),各種礦物顆粒之間必然產(chǎn)生相互約束,從而造成顆粒間或顆粒內(nèi)部的拉或壓應(yīng)力,即結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力。一旦這種結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖石的強(qiáng)度極限,就會(huì)產(chǎn)生微裂隙,使粗砂巖試樣承載能力和抗變形能力減弱,而且隨溫度的升高,顆粒間或顆粒內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步增大,致使粗砂巖內(nèi)部產(chǎn)生更多微裂隙或使原生裂紋擴(kuò)展、加寬和連通,宏觀上表現(xiàn)為粗砂巖力學(xué)性質(zhì)的劣化,試樣的承載能力和抗變形能力降低,粗砂巖的宏觀力學(xué)性質(zhì)被劣化。此時(shí)雖然圍壓的存在可以改善粗砂巖的力學(xué)性質(zhì),但由于溫度應(yīng)力對(duì)粗砂巖力學(xué)性質(zhì)的損傷更大,其宏觀力學(xué)性質(zhì)總體劣化,表現(xiàn)為粗砂巖試樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角、三軸抗壓強(qiáng)度及平均模量在300℃后隨著加熱溫度的升高呈二次非線性減小。由此可見(jiàn),常規(guī)三軸壓縮條件下,300℃是粗砂巖力學(xué)參數(shù)的閥值溫度。5加熱溫度對(duì)粗砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響(1)經(jīng)歷了相同的加熱溫度冷卻至常溫后,常規(guī)三軸壓縮條件下粗砂巖試樣的三軸抗壓強(qiáng)度和平均模量隨著圍壓的增大而增大。高溫后粗砂巖的塑性得到增強(qiáng),表現(xiàn)為軸向峰值應(yīng)變隨著溫度和圍壓的升高呈二次非線性單調(diào)增加。(2)粗砂巖作為高空隙中硬巖石,在加熱溫度低于300℃時(shí),產(chǎn)生的熱應(yīng)力起到容納變形和阻止裂紋擴(kuò)展的作用,試樣的承載能力和抗變形能力得以強(qiáng)化,宏觀力學(xué)性質(zhì)得到強(qiáng)化。溫度超過(guò)300℃后,粗砂巖中礦物顆粒的不同熱膨脹率引起跨