不同冻结条件下砂岩冻胀特性试验研究

【摘要】：人工冻结法由于能够阻止地下水的移动，限制围岩的变形，目前已经成为煤矿井筒穿越富水软岩地层的有效方法之一。为了研究不同冻结条件下砂岩的冻胀特性，结合现有的冻土物理力学性质理论，采用GCTS(Geotechnical ConsultingTesting Systems)电液伺服控制低温高压岩石三轴测试系统对饱和、干燥白垩系红砂岩进行不同冷却速度（10℃·h~(-1)、5℃·h~(-1)、2℃·h~(-1)、1℃·h~(-1)）和不同围压（5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa）下的冻胀试验，研究不同冻结条件下砂岩的冻胀规律，探索冻胀机理。研究结果表明：在降温的过程中，干燥岩样始终产生冷缩变形，饱和岩样先产生冷缩变形，后产生冻胀变形，最后趋于基本稳定，且饱和岩样变形量远大于干燥岩样。当冻结温度一定时，岩样所处的应力水平越大，冻胀变形越小，两者呈线性负相关，这主要是由于高围压限制了岩样内部孔隙水相变成冰时体积的膨胀。岩样的冻胀变形量主要受围压、含水率的影响，而冷却速度主要影响岩样的冻胀速率，本试验条件下，砂岩的冷却速度越大，冻胀速率越大，且二者近似呈线性关系。对于饱和岩样，围压主要通过限制冰水相变时的膨胀变形而减小岩石的冻胀变形，温度主要通过影响孔隙水的冻结率和岩石骨架的热胀冷缩而影响岩石的冻胀变形，而干燥岩样变形主要是由于热胀冷缩效应导致岩石矿物颗粒体积收缩，且温度变化越大，变形越大。结合试验结果，运用理论分析方法，建立了考虑围压影响的岩石冻胀变形计算公式。通过对不同围压下冻结稳定后的砂岩冻胀变形进行计算，发现计算结果与试验结果具有较好的吻合度。此外，由冻胀变形计算公式可知，降温过程中岩石的冻胀变形影响因素大致可分为内因和外因两大类，内因包括岩石的孔隙度、饱和度、冰和岩石骨架的体积模量，外因主要是温度、围压。对于饱和岩石，冻胀变形主要受围压、温度、孔隙度等因素影响。饱和度、孔隙度和冻结率决定了岩石是冻胀还是冻缩，当这些指标较小时，岩石可能只产生冻缩变形。内因和外应相互影响、相互制约，加之冻胀过程中岩石微观结构及力学性质的动态变化，导致岩石冻胀机理十分复杂。研究结果可为深厚煤层矿井建设冻结法施工方案设计提供理论参考，也可为冻土地区软岩物理力学性质及其工程应用研究提供理论基础。