低温作用下岩石基本力学性质试验研究

第25卷 第12期

岩石力学与工程学报 V ol.25 No.12

2006年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec .，2006

收稿日期：2005–09–07；修回日期：2006–01–05

基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB12704)

作者简介：徐光苗(1978–)，男，博士，2001年毕业于长安大学地质工程系建筑工程专业，主要从事低温岩体THM 耦合、低温岩体损伤及地下铁道工程方面的研究工作。E-mail ：xuguangmiao@https://www.360docs.net/doc/0d6679709.html,

低温作用下岩石基本力学性质试验研究

徐光苗1，

2，刘泉声1，彭万巍3，常小晓3

(1. 中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；2. 广州市地下铁道设计研究院，广东 广州 510010；

3. 中国科学院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

摘要：以江西红砂岩和湖北页岩为代表，分别进行不同冻结温度(－20 ℃～20 )℃和不同含水状态(饱和与干燥)下的岩石单轴压缩试验与三轴压缩试验。试验结果表明，温度在－20 ℃～20 ℃变化时，红砂岩和页岩单轴抗压强度与弹性模量都基本随温度降低而增大，但温度变化对红砂岩强度的影响大于其对页岩强度的影响，且岩石的含水状态对岩石的冻结强度影响显著。温度在－10 ℃～20 ℃变化时，2种岩石的c ，? 值都随温度降低而增大，但温度对红砂岩的影响大于温度对页岩的影响。通过对大量的试验数据进行分析，得到一系列有意义的拟合曲线及其关系表达式，可为研究低温及冻融循环影响的岩石基本力学性质研究提供可靠的试验依据。 关键词：岩石力学；寒区；冻结温度；单轴压缩试验；三轴压缩试验；力学性质

中图分类号：TU 452 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)12–2502–07

EXPERIMENTAL STUDY ON BASIC MECHANICAL BEHA VIORS OF

ROCKS UNDER LOW TEMPERATURES

XU Guangmiao 1，

2，LIU Quansheng 1，PENG Wanwei 3，CHANG Xiaoxiao 3

(1. Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan ，Hubei 430071，China ；

2. Guangzhou Metro Design and Research Institute ，Guangzhou ，Guangdong 510010，China ；

3. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering ，Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute ，

Chinese Academy of Sciences ，Lanzhou ，Gansu 730000，China )

Abstract ：Basic mechanical behaviors of rocks at different temperatures and under different moisture states are required for the investigation on studying and designing rock engineering in cold regions. Two typical rocks ，i.e. red sandstone and shale sampled from Jiangxi Province and Hubei Province in China ，respectively ，are tested by uniaxial and triaxial compressive tests at different temperatures ranging from －20 to 20℃ and in dry and fully ℃saturated states. The test results show that ，the uniaxial compressive strength and elastic moduli of these two types of rock increase with the temperature dropping between －20 ℃ and 20 ℃in general ，but the influence of temperature on red sandstone is greater than that on shale. Moreover ，moisture state has the key influence on the compressive strength of rock. The cohesive strength and inner friction angle achieved by the triaxial compression tests increase with the decreasing of temperature with range of －10 ℃ to 20 ℃，and the red sandstone exhibits larger dependence on temperature. According to these test results ，some valuable curves are obtained ；and relevant expressions between mechanical parameters and temperature are formulated.

Key words ：rock mechanics ；cold region ；frozen temperature ；uniaxial compression test ；triaxial compression test ；mechanical properties

第25卷第12期徐光苗等. 低温作用下岩石基本力学性质试验研究 ? 2503 ?

1 引言

研究资料[1，2]表明，寒区岩体所经受的自然冻融循环过程是引起岩石工程灾害的主要原因，例如，冻融循环引起岩质边坡的风化、剥落、不稳定甚至发生滑坡。在寒区公路、铁路隧道中，由于冻融循环将引起隧道围岩的漏水、挂冰、冻裂，甚至会引起隧道的失稳[3，4]。同时，冻融循环作用也会导致路基的抬升、融沉和液化天然气(LNG)低温储存中围岩受超低温影响的不稳定性影响[5，6]等。

目前，国内外关于低温、冻融条件下岩石的强度特征研究不多，已有的研究分别考虑了温度、岩性、含水量及盐溶液含量对岩石的冻融劣化及岩石强度参数的影响。如N. Matsuoka等[1，6～9]着重研究了岩石的冻融破坏机理及岩石强度与冻融循环次数的关系；C. Park等[5]通过试验研究了韩国典型花岗岩和砂岩的热物理参数与温度的关系；T. C. Chen 等[10，11]分别研究了含水量与未冻水含量对岩石冻融损伤强度的影响规律；Y. Inada和K. Yokota[12]通过单轴压缩和拉伸试验，分别研究了花岗岩和安山岩在干燥和饱和时，从－160℃～20℃的抗压强度与抗拉强度，及经历1次和3次冻融循环后室温下抗压强度与抗拉强度，他指出花岗岩和安山岩无论是饱和状态还是干燥状态，其拉、压强度均随温度降低而增大；李宁等[13]通过在砂岩中预制裂隙来模拟裂隙岩体，研究了其在干燥、饱水及饱水冻结情况下的低周疲劳损伤特性，发现冻结对裂隙的低周疲劳特性影响较小，而裂隙对砂岩的疲劳损伤特性有很大影响；杨更社等[14，15]对不同冻结温度下的饱冰岩石进行CT扫描，分析了冻结温度、冻结速率对岩石损伤的影响。但迄今为止，关于低温冻结环境下岩石基本力学性质系统的研究较为鲜见。

本文选取2种均匀性较好的典型性岩石，进行不同温度、不同含水状态(饱和与干燥)的岩石单轴及三轴压缩试验，以期获得2种岩石在不同温度及不同含水状态下基本力学参数的变化规律，为今后开展低温下岩体THM耦合过程分析提供良好的试验数据。

2 试样制备

试验共选取2种岩石，即江西红砂岩和湖北页岩。红砂岩为细粒结构、枣红色，粒径分布均匀，主要成分为石英；页岩为新鲜、灰色，硅质胶结物与云母互层，层理分布均匀，不含原生裂纹，主要成分为云母。取样方法均为现场取得新鲜完整大岩块，再运到工厂用水钻法钻取标准岩芯(φ50 mm×100 mm)，2种岩石试样的取样方向均为垂直于岩石沉积方向。

试验前对岩样进行筛选，先剔除视觉上差别较大的个别岩样，再采用岩石声波仪测试各个岩样的声波波速，筛选出波速相近的岩样进行试验，以减少岩样物理力学性质上的离散性。试样共用到干燥和饱和2种状态的岩样。干燥岩样的制备方法是：将选好的岩样放入烘箱中，在105 ℃温度下烘48 h 至恒重(24 h内其质量变化不超过0.1%)，然后称量并记录各岩样的质量。

饱和岩样的制备方法是：把选好的岩样放入抽气容器中，密封容器，抽取容器中的空气，先抽气2 h后再向容器中放入蒸馏水，并继续抽气4 h直至无气泡溢出，然后将岩样在水中浸泡24 h以上，称取饱和后的岩样在空气中质量及水中质量，以此得到岩样的饱和含水量和孔隙度。2种岩样的物理参数平均值见表1。

表1 2种岩石的物理参数平均值

Table 1 Mean values of physical parameters of two types of rocks

岩性

纵波波速

v p/(m·s－1)

干密度

/(g·cm－3)

饱和密度

/(g·cm－3)

饱和含水

量/%

孔隙度

n/%

江西红

砂岩

2 742 2.37 2.51 6.9

3 15.86

湖北页

岩

1 754 2.69 2.74 1.09 2.90 3 低温下岩石单轴压缩试验

3.1 试验准备

取干燥或饱和岩样，用乳胶套密封好，并逐一编号，放入超低温控温箱中(DTS–021)并缓慢降温，降温速率为0.02 ℃/min。当达到预定试验温度后，继续恒温24 h，以保证岩样内部温度达到试验规定的温度。与此同时，材料试验机(MTS 810)上的压力室也开始同步降温到预定的试验温度。压力室的降温是通过2个循环冷浴装置对桶体内的液压油进行降温，并且在压力室内埋设温度传感器，以对压力室内的温度进行实时监控。当岩样冻结时间满足规

·2504·岩石力学与工程学报 2006年

定的要求后，从控温箱中拿出岩样并立即放入试验机压力室中，继续恒温至少2 h以上，以减少岩样运输过程中产生的温度误差。DTS–021超低温控温箱如图1(a)所示，其温度控制精度为0.1 ℃，最低温度可降至－80 ℃。MTS 810试验机控温系统如图1(b)所示。

(a)DTS–021超低温控温箱

(b)MTS 810 试验机控温系统

图1 冻结温度下岩石试验系统

Fig.1 Testing system for rocks under frozen temperatures

3.2 试验过程

低温下岩石单轴压缩试验是在中国科学院冻土工程国家重点实验室MTS 810材料试验机上完成的。该试验机的最大轴向荷载为250 kN，最大围压为20 MPa。试验机压力室的试验温度控制误差不超过±0.5 ℃。单轴压缩试验采用轴向位移速率控制方式，控制速率为0.002 mm/s。

干燥状态下岩样的试验温度为20 ℃，0 ℃，－20 ℃共3级，饱和状态下岩样试验温度为－20 ℃，

－10 ℃，－5 ℃，0 ℃及20 ℃共5级，每级温度下本文至少取3块岩样进行平行试验，以取得不同温度下单轴抗压强度和弹性模量的平均值。

3.3 试验结果

由试验可得出2种岩石在不同含水状态和不同温度下的轴向应力–应变曲线，饱和和干燥岩石的代表性曲线分别如图2，3所示。由图2，3可知，无论对于饱和状态还是干燥状态，2种岩石的单轴抗压强度在－20 ℃～20 ℃范围内随温度降低而增大。根据单轴压缩试验结果，2种岩石单轴抗压强度与温度的关系见图4(

b

σ为岩石单轴抗压强度，MPa)。由图4可知，对于饱和状态，红砂岩的单轴抗压强度在－20 ℃～20 ℃范围内随温度的降低逐渐增大，并基本呈负指数关系；而页岩温度为－5 ℃～20 ℃内其单轴抗压强度变化不大，当温度低于－5 ℃时，其单轴抗压强度随温度降低急剧增大。对于干燥状态，温度为－20 ℃～20 ℃时，红砂岩的单轴抗压强度随温度降低呈线性增大，而页岩的单轴压缩强度在0 ℃～20 ℃范围内变化不大，而随温度进一步降低，其强度也明显增大。另外，由图4(a)，(b)可知，温度在－20 ℃～20 ℃时，红砂岩在饱和状态下的单轴抗压强度大于页岩单轴抗压强度；而在干燥状态下，红砂岩的单轴抗压强度明显小于页岩单轴抗压强度。试验结果表明，含水状态对页岩冻结强度的影响明显大于对红砂岩的影响。

应变/%

(a) 江西红砂岩

应变/%

(b) 湖北页岩

图2 饱和岩石在不同温度下的轴向应力–应变曲线

Fig.2 Curves of axial stress vs. axial strain for saturated rock samples with different temperatures

轴

向

应

力/

M

P

a

－20 ℃

－10 ℃

－5 ℃

0 ℃

20 ℃

轴

向

应

力/

M

P

a

－20 ℃

－10 ℃

－5 ℃

0 ℃

20 ℃

第25卷 第12期 徐光苗等. 低温作用下岩石基本力学性质试验研究 ? 2505 ?

应变/% (a) 江西红砂岩

应变/% (b) 湖北页岩

图3 干燥岩石在不同温度下的轴向应力–应变曲线 Fig.3 Curves of axial stress vs. axial strain for dry rock

samples with different temperatures

试验温度T /℃ (a) 饱和状态

试验温度T /℃ (b) 干燥状态

图4 2种岩石单轴抗压强度与温度的关系

Fig.4 Relationships of uniaxial compressive strength and

testing temperature for two types of rocks

3.4 拟合关系式

在上述试验数据的基础上，本文给出2种岩石在不同含水状态下单轴抗压强度与温度的试验拟合关系式。 3.4.1 红砂岩

(1) 饱和状态时红砂岩的拟合关系式为

)718.17/exp(958.9410.23b T ?+=σ (1)

式中：T 为温度(℃)。

(2) 干燥状态时红砂岩的拟合关系式为

T 0378.0438.48b ?=σ (2)

3.4.2 页岩

(1) 饱和状态时页岩的拟合关系式为

)962.8/exp(824.1982.27b T ?+=σ (3)

(2) 干燥状态时页岩的拟合关系式为

)773.9/exp(229.2158.55b T ?+=σ (4)

根据不同温度下岩石单轴抗压试验曲线，可获得不同温度下2种岩石的弹性模量，2种岩石弹性模量与温度的关系曲线见图5。由图5可知，温 度为－20 ℃～20 ℃时，2种岩石的弹性模量随温度的变化趋势基本与图4相同。但值得一提的是，无论是干燥状态或是饱和状态，不同温度下红砂岩的弹性模量均比页岩的要大。

4 不同温度下的三轴压缩试验

不同温度下的岩石三轴压缩试验也是在MTS

810试验机上完成的。试验所用岩样均为饱和岩样，三轴压缩试验的准备过程与单轴压缩试验相同。在

20 ℃，－5 ℃，－10 ℃共3种温度下进行三轴压缩试验，每级温度基本对应4个围压(=3σ0，4，7，

10 MPa)，个别情况做5个围压(=3σ0，4，7，10，15 MPa)。三轴压缩试验控制方式均为轴向位移控制，控制速率为0.002 mm/s ，由试验得到2种岩石在不同温度下的偏应力与轴向应变的关系曲线(见

图6，7)，并绘制出不同温度下的莫尔圆及其包络线(见图8)，不同温度下2种岩石三轴抗压强度参数

如表2所示。

由图6～8及表2的试验结果可知，在饱和状态下，2种岩石的三轴抗压强度都随围压增大而增大；

2种岩石的三轴抗压强度和抗剪强度指标(黏聚力c 和内摩擦角?)随温度的降低而增大。由于岩性、孔

轴向应力/M P a

－20 ℃

0 ℃

20 ℃

轴向应力/M P a

－20 ℃

0 ℃ 20 ℃

单轴抗压强度σb /M P a

红砂岩试验值 页岩试验值

红砂岩试验拟合曲线 页岩试验拟合曲线

σb = 23.410+9.958exp(－T /17.718)σb = 27.982+1.824exp(－T /8.962)

单轴抗压强度σb /M P a

页岩试验值 红砂岩试验值 页岩试验拟合曲线 红砂岩试验拟合曲线

σ

b

= 55.158+2.229exp(－T /9.773) σb = 48.438 0－0.037 8T

·2506· 岩石力学与工程学报 2006年

试验温度T /℃ (a) 饱和状态

试验温度T /℃ (b) 干燥状态

图5 2种岩石弹性模量与试验温度的关系曲线

Fig.5 Relation curves of elastic moduli and testing

temperatures for two types of rocks

轴向应变/%

(a) 20 ℃

轴向应变/% (b) －5 ℃

轴向应变/% (c) －10 ℃

图6 饱和红砂岩不同温度及围压下偏应力–轴向应变关系 Fig.6 Deviator stress vs. axial strain curves for saturated red

sandstone at different temperatures

轴向应变/% (a) 20 ℃

轴向应变/%

(b) －5 ℃

轴向应变/% (c) －10 ℃

图7 饱和页岩不同温度及围压下偏应力–轴向应变关系 Fig.7 Deviator stress vs. axial strain curves for saturated shale

with different temperatures

弹性模量/G P a

红砂岩试验值 页岩试验值

红砂岩试验拟合曲线 页岩试验拟合曲线

E 1 = 0.008 37T 2－0.027 39T +9.769

E 2 = 0.003 80T 2－0.058 70T +4.061

弹性模量/G P a

红砂岩试验值 页岩试验值

红砂岩试验拟合曲线 页岩试验拟合曲线

E

1

= 7.784 0－0.077 5T +0.003 38T 2E 2 = 7.253 0+0.564 0exp(－T /10.421)

偏应力(σ1－σ3)/M P a

σ3 = 0 MPa σ3 = 4 MPa σ3 = 10 MPa σ3 = 15 MPa

偏应力(σ1－σ3)/M P a

σ3 = 0 MPa σ3 = 4 MPa σ3 = 7 MPa σ3 = 10 MPa

偏应力(σ1－σ3)/M P a

σ3 = 0 MPa σ3 = 4 MPa σ3 = 7 MPa σ3 = 10 MPa

偏应力(σ1－σ3)/M P a

σ3 = 0 MPa

σ3 = 4 MPa σ3 = 7 MPa σ3 = 10 MPa

偏应力(σ1－σ3)/M P a

σ3 = 0 MPa σ3 = 4 MPa σ3 = 7 MPa σ3 = 10 MPa

偏应力(σ1－σ3)/M P a

σ3 = 0 MPa σ3 = 4 MPa σ3 = 7 MPa σ3 = 10 MPa

第25卷 第12期 徐光苗等. 低温作用下岩石基本力学性质试验研究 ? 2507 ?

σ /MPa σ /MPa (a) 江西红砂岩 (b) 湖北页岩

图8 不同温度下2种岩石三轴压缩Mohr 应力圆 Fig.8 Mohr circles and their envelops at different temperatures

表2 不同温度下2种岩石三轴抗压强度参数

Table 2 Strength parameters of triaxial compression with different temperatures of two types of rocks

σ1/MPa

岩样

温度/℃

σ3 = 0 MPa

σ3 = 4 MPa

σ3 = 7 MPa

σ3 = 10 MPa 黏聚力 c /MPa 内摩擦角

?/(°) 20 27.26

47.61

–

73.65

6.53

41

－5 35.02 56.21 69.94 83.27 8.08 41 江西红砂岩

－10

43.95 67.44 85.99 104.71 8.50 46

20 29.04

46.54

64.90 78.23 6.78

41

－5 30.04 51.52 68.44 85.56 6.51 44 湖北页岩

－10

35.72 56.86 70.00 89.14 7.48 44

隙率及含水量之间的差异，江西红砂岩随温度降低，其三轴抗压强度和抗剪强度指标比湖北页岩变化大，这与单轴压缩试验结果相符。

5 结 语

本文针对江西红砂岩和湖北页岩，在低温范围内(－20 ℃～20 ℃)及不同含水状态下，分别设计并 实施2种岩石的单轴压缩试验、三轴压缩试验，研究2种典型岩石在不同冻结温度、不同含水状态的基本力学性质变化规律，总结如下：

(1) 从低温下岩石单轴压缩试验结果来看，无论对于饱和状态还是干燥状态，2种岩石的单轴抗压强度及弹性模量在－20 ℃～20 ℃范围内基本上随温度的降低而增大，然而温度变化对红砂岩的影响程度大于页岩。

(2) 饱和状态下，红砂岩在－20 ℃～20 ℃时，其单轴抗压强度和弹性模量随温度降低逐渐增大；页岩在－5 ℃～20 ℃范围内单轴抗压强度及弹性模量几乎没什么变化，而当温度为－5 ℃～－20 ℃时，其单轴强度也逐渐增大。从对干燥情况下的单轴试

验结果来看，其变化规律有类似特征。总的来说，含水状态对页岩的单轴强度影响明显大于红砂岩。

(3) 饱和状态下，不同温度下(－10 ℃～20℃)的岩石三轴压缩试验结果表明，2种岩石的剪切强度参数c ，?随温度降低均呈增大趋势。但由于岩 性、孔隙率、含水量之间的差异，不同温度下，红砂岩c ，?受温度影响，其变化比页岩明显。

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τ /M P a

20 ℃

－5 ℃ －10 ℃

τ /M P a

20 ℃ －5 ℃ －10 ℃

·2508·岩石力学与工程学报 2006年

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本刊常务副主编佘诗刚研究员与《国际岩石力学与采矿科学杂志》主编Robert W. Zimmerman教授在武汉举行座谈

应中国科学院武汉岩土力学研究所邀请，国际岩石力学学会

教育委员会(ISRM Commission on Education)专家组一行4人于

2006年11月2～3日访问中国科学院武汉岩土力学研究所并做学

术报告。他们分别是葡萄牙波尔图大学Luís Ribeiroe Sousa教授、

葡萄牙国家土木工程实验室(LNEC)的岩石力学专家Nuno F.

Grossmann博士、瑞典皇家工学院的Robert W. Zimmerman教授和

美国科罗拉多矿业学院Ugur Ozbay教授。11月3日下午，《岩石

力学与工程学报》常务副主编佘诗刚研究员和林松清编辑与《国

际岩石力学与采矿科学学报》主编Robert W. Zimmerman教授、

Luís Ribeiroe Sousa教授和Nuno Feodor Grossmann博士等3人就

《国际岩石力学与采矿科学杂志》和《岩石力学与工程学报》在

办刊中共同关注的问题举行了座谈与交流，并分析了国际岩石力

学与岩土工程的发展态势以及对SCI收录事宜展开切磋，会议在融洽、友好的气氛中进行，双方对此次交流与合作事宜表示满意。会后，《岩石力学与工程学报》主编冯夏庭研究员和常务副主编佘诗刚研究员晚上宴请了外宾。

《岩石力学与工程学报》编辑部

2006年11月3日