高温后常规三向压缩对粗砂岩力学特性的影响

高温后常规三向压缩对粗砂岩力学特性的影响

1高温作用后粗砂岩力学特性地下采矿、地热资源开发、煤矿砖瓦安全分离和充分利用、大型城市地下硐室和隧道工程火灾后的恢复和重建不可避免地与高温作用后岩石的力学性质有关。国内外研究者在温度对岩石力学和物理特性的影响方面进行了大量的理论和试验研究,取得了一系列有理论意义和实用价值的研究成果,归纳起来主要包括:(1)高温作用后岩体基本物理参数(波速、密度等)试验测定、变形机制研究[1~5];(2)岩石破坏准则、力学特性、本构关系、热裂化及岩石损伤破坏机制研究等[6~19]。以前多数学者对岩石(大理岩、花岗岩、岩盐)在高温后的物理力学特性相关研究主要是在单轴压缩条件下进行的,而对岩石在高温后三轴压缩条件下的研究甚少。因此,本文对焦作方庄煤矿戊组煤层粗砂岩试样经历25℃~700℃高温自然冷却至室温后,在MTS815.03电液伺服岩石力学试验机进行了常规三轴压缩试验;分析了高温作用后粗砂岩的波速、轴向峰值应力、平均模量、变形模量、黏聚力、内摩擦角以及峰值应变等力学参数随温度变化规律。其研究结果可作为预测和评估煤炭地下气化与城市大型地下工程火灾后围岩稳定性与修复加固支护设计的参考依据。2试验总结2.1试验试样的制备和密度岩石试样取自焦作方庄煤矿戊组煤层顶板粗砂岩,其主要成分为长石和石英,含少量云母,呈灰黄色,层理明显,钙质胶结,粒径为0.2~1.0mm,平均粒径为0.5mm左右。按照规范的要求,将岩块沿垂直层理方向加工成直径为50mm,长度为100mm的标准圆柱体试样。为保证试验结果的可靠性和可比性,试样加工成型后对其外观仔细观察,确定没有明显的节理及裂纹等缺陷,并挑两端稳定、不平行度小于0.05mm的作为试验试样,以确保试样之间没有出现明显的差异,同时对其进行编号。高温处理前对每个试样的纵波波速、密度进行了测定。所用试样密度为2312~2410kg/m3,平均密度为2327kg/m3,离散系数为4.1%;纵波波速为3423~3677m/s,平均波速为3529m/s,离散系数为7.2%,满足试验要求。2.2试验温度设计试样加温设备为KSW–5D–12型高温箱式电阻炉和电炉温度控制器,该加温设备是一套可以自动控温、升温的多功能电炉设备。加温采用硅炭棒作为加热元件,高性能纤维为保温材料,最高温度可达1200℃。试验温度设置为25℃(常温),100℃,300℃,500℃,700℃五个等级,每个温度等级为1组,每组5个试样。为了保证对试样加温均匀,加温方法是按20℃/min的升温速度加热到预定温度后保持恒温5h,以保证试样与炉膛温度一致,然后在炉膛中自然冷却至室温,制成经历不同温度的粗砂岩试样。粗砂岩试样经历不同温度后的形态如图1所示。粗砂岩试样高温后表观颜色有所变化,常温时试样为灰黄色,经历100℃高温后灰色有所加深,经历200℃~500℃高温后由灰色逐渐向棕红色变化,温度越高棕红色成分越深,而在700℃后粗砂岩试样变成粉红色。2.3试验仪器和试验方法常规三轴压缩试验采用美国生产的MTS815.03电液伺服岩石力学试验机,该试验机是目前国内配置最高、性能最为先进的岩石力学试验设备,主要测试高强度、高性能固体材料在复杂应力条件下的力学性质;可进行岩石的单轴压缩试验、单轴直接拉伸试验、单轴间接拉伸试验、常温和高温下的三轴压缩试验、循环压缩试验、蠕变试验等。轴向最大荷载为2800kN,围压最大为80MPa;测试精度高,性能稳定,可进行高低速数据采集,具有良好的动、静态和系统刚度,能够跟踪岩石破坏的全过程,并得到岩石的全程应力–应变曲线。本试验采用位移控制方式,加载速率为0.005mm/s,采用5mm位移传感器测量试样的轴向位移,1000kN的力传感器测量试样的轴向荷载。将选取的25个粗砂岩试样分为5组,每组5个,每组试样分别在5,10,15,20,25MPa的围压下进行三轴试验。3试验结果及分析3.1高温后粗砂岩力学特性的变化图2给出了围压一定的情况下,粗砂岩试样在经历了25℃,100℃,300℃,500℃,700℃后的常规三轴压缩全应力–应变曲线。从图2可以看出,在围压一定的情况下,经历不同温度后,粗砂岩常规三轴压缩全应力–应变曲线变化规律大致经历压密、弹性、屈服和破坏4个阶段。首先为压密阶段,其曲线呈上凹型,随应力的增加,变形发展较快,这主要是粗砂岩内部的微裂隙在外力作用下发生闭合所致;接着进入弹性阶段,该阶段的曲线基本呈直线状态,应力–应变呈正比例关系,表现出材料的弹性特征;屈服阶段是指试样内部强度较低的材料首先逐步屈服破坏,新的裂隙逐步产生同时,周围材料因承受更高的应力也逐步破坏,裂隙不断演化、发展,使应力–应变曲线偏离直线,表现出试样的初步损伤发展过程;破坏阶段是指岩石试样达到承载极限,试样内部裂隙贯通形成宏观破裂,试样整体失去承载能力。由于本文所取粗砂岩试样自身的离散性较大,故从图2可以看到,其全应力–应变曲线在某一局部结果(单一固定围压情况下)有较大的离散性,但整体来讲(不同固定围压情况下),高温后粗砂岩在三轴压缩条件下的力学特性具有明显的整体规律性。由图3可知,在25℃~700℃范围内,当经历了相同的加热温度并冷却至常温后,常规三轴压缩条件下粗砂岩试样的三轴抗压强度随着围压的增大而增大。经历了25℃,100℃,300℃,500℃,700℃五个等级温度加热后粗砂岩试样三轴抗压强度,在围压为5,10,15,20,25MPa时,其平均值分别为152.81,183.39,216.50,228.34,237.22MPa。随着围压由5MPa增加到25MPa,粗砂岩试样在常规三轴压缩条件下的抗压强度相对围压为5MPa时的平均值分别增加了20.01%(10MPa),41.68%(15MPa),49.43%(20MPa),55.24%(25MPa)。根据试验结果,通过曲线拟合得到高温后粗砂岩试样常规三轴抗压强度与围压的关系(见图3)。由图3可知,经历不同温度作用后,常规三轴压缩条件下粗砂岩试样的抗压强度与围压之间关系为非线性的,可表示为图4为高温后粗砂岩平均模量与围压的关系。由图4可知,经历过不同加热温度的粗砂岩试件,当围压为5,10,15,20,25MPa时平均模量平均值分别为27.95,30.51,30.91,30.93,31.24GPa。随着作用在粗砂岩试样上的围压逐步增大,其平均模量相对于围压为5MPa时分别增加了9.16%(10MPa),10.59%(15MPa),10.66%(20MPa),11.77%(25MPa),围压对经过高温加热后粗砂岩的平均模量影响较小。随着围压的增大,粗砂岩的平均模量有小幅度的增加。3.2加热温度对粗砂岩流变动力特性的影响粗砂岩试样在经历不同温度作用后,由常规三轴压缩试验结果分析得到粗砂岩试样的黏聚力、内摩擦角与温度的关系曲线分别见图5,6。同时,可进一步分析得到围压一定时不同温度作用后粗砂岩试样的三轴抗压强度、平均模量及轴向峰值应变与温度的关系曲线,分别见图7~9。由图5~9可以分析得出:围压恒定时,试验所测得粗砂岩试样的黏聚力、内摩擦角、三轴抗压强度、轴向峰值应变及平均模量结果有较大的离散性,但整体上仍具有明显的规律性。在常规三轴压缩条件下,经历不同温度作用后,粗砂岩试样的黏聚力、内摩擦角、三轴抗压强度及平均模量在300℃前随着加热温度的升高而呈二次非线性增加;300℃后,随着加热温度的升高,黏聚力、内摩擦角、三轴抗压强度及平均模量呈二次非线性减小,轴向峰值应变则呈二次非线性单调增加。粗砂岩试样的黏聚力、内摩擦角、三轴抗压强度及平均模量的平均值分别由25℃时的36.903MPa,38.10°,209.79MPa,31.59GPa增加到300℃时的37.256MPa,39.85°,221.59MPa,32.27GPa,增加幅度分别为0.95%,4.59%,5.93%,2.47%;当加热温度达到700℃时,由于温度应力的损伤,其黏聚力、内摩擦角、三轴抗压强度及平均模量的平均值分别减小到27.45MPa,34.60°,197.17MPa,27.22GPa,相对常温时分别减少25.61%,9.19%,5.75%,13.83%。而粗砂岩试样的轴向峰值应变呈二次非线性单调增加,由25℃时的平均值8.11×10-3增加到700℃时的平均值10.14×10-3,增加幅度达到25.03%。4热应力对粗砂岩力学性质的影响由于岩样的不均匀性、端部效应及加工精度等因素,造成了数据的偏差和离散,对试验结果有一定的影响。但是,本文关于不同温度后砂岩力学参数的试验研究结果仍具有一定的规律性。粗砂岩作为高空隙度岩石,组成粗砂岩的颗粒结合得不是十分紧密,颗粒之间存在较多空隙和裂隙,围压的存在使得岩石内部这些空隙和裂隙得到压密和减小,颗粒间的接触关系得到改善,摩擦特性得到增强,粗砂岩的承载能力提高,宏观力学性质得到优化。与此同时,粗砂岩内部这些较大的空隙结构在温度不是很高(低于300℃)时,经过加热后产生的温度热应力起到容纳变形和阻止裂纹扩展的作用,矿物颗粒的受热膨胀也可能造成粗砂岩中原生裂隙逐渐愈合,裂隙数量减少,密实程度提高,使得矿物颗粒之间的接触关系得到改善,摩擦特性得以增强,在温度和围压共同作用下,粗砂岩的黏聚力、内摩擦角、三轴抗压强度及平均模量在300℃前随着加热温度的升高呈二次非线性增加。而在温度较高(大于300℃)时,由于粗砂岩矿物颗粒的不同热膨胀率引起跨颗粒边界的热膨胀不协调,各种矿物颗粒之间必然产生相互约束,从而造成颗粒间或颗粒内部的拉或压应力,即结构热应力。一旦这种结构热应力达到或超过岩石的强度极限,就会产生微裂隙,使粗砂岩试样承载能力和抗变形能力减弱,而且随温度的升高,颗粒间或颗粒内应力进一步增大,致使粗砂岩内部产生更多微裂隙或使原生裂纹扩展、加宽和连通,宏观上表现为粗砂岩力学性质的劣化,试样的承载能力和抗变形能力降低,粗砂岩的宏观力学性质被劣化。此时虽然围压的存在可以改善粗砂岩的力学性质,但由于温度应力对粗砂岩力学性质的损伤更大,其宏观力学性质总体劣化,表现为粗砂岩试样的黏聚力、内摩擦角、三轴抗压强度及平均模量在300℃后随着加热温度的升高呈二次非线性减小。由此可见,常规三轴压缩条件下,300℃是粗砂岩力学参数的阀值温度。5加热温度对粗砂岩力学性质的影响(1)经历了相同的加热温度冷却至常温后,常规三轴压缩条件下粗砂岩试样的三轴抗压强度和平均模量随着围压的增大而增大。高温后粗砂岩的塑性得到增强,表现为轴向峰值应变随着温度和围压的升高呈二次非线性单调增加。(2)粗砂岩作为高空隙中硬岩石,在加热温度低于300℃时,产生的热应力起到容纳变形和阻止裂纹扩展的作用,试样的承载能力和抗变形能力得以强化,宏观力学性质得到强化。温度超过300℃后,粗砂岩中矿物颗粒的不同热膨胀率引起跨