赵 涛，杨更社，奚家米，申艳军，陈新年，贾晓峰

（西安科技大学，建筑与土木工程学院，陕西 西安710054）

0 引 言

近年来，西部地区掀起矿井建设的热潮，由于该地区煤炭资源大多上覆巨厚富水白垩系岩层，井筒建设多采用冻结法凿井［1-2］。人工冻结作用下，岩石经历一次冻融过程，冻融作用下，岩石物理力学特性参数会发生变化，若采用常温下岩石的参数或经验值进行工程设计，设计结果往往不尽合理［3］。因此，开展冻融作用下白垩系岩石的物理力学特性试验研究对冻结岩石力学理论研究和工程实际都具有重要意义。

岩石受环境温度影响的热力效应长期以来是岩石热力学理论与应用研究的热点问题之一［4］。寒区岩土工程、人工冻结工程使得工程结构围岩受到周期性低温效应作用或长期处于低温冻结状态［5］，其强度特性与常温状态有很大的不同。鉴于此，国内外岩土工程及其相关领域的学者就低温作用下岩石物理、力学特性变化方面已开展了大量的研究。李云鹏等对花岗岩开展了不同冻结温度下的压缩试验，岩石抗压强度、变形模量随温度降低呈增长趋势，而泊松比变化相对较小［6］；徐光苗等分别对红砂岩和页岩开展了不同冻结温度和不同含水状态下的单轴压缩与三轴压缩试验，两种岩石的单轴抗压强度与弹性模量随温度降低而增大，且岩石的含水状态对岩石的冻结强度影响显著［7］；张慧梅等基于损伤力学理论和试验统计方法相结合，通过探讨冻融损伤变量，受理损伤变量以及总损伤变量之间的关系，建立了冻融岩石的损伤本构模型与强度准则［8-9］；李栋伟等、Petrov等通过高围压固结、低温冻结后再加卸载的试验方法模拟白垩系冻结软岩地下工程施工应力状态变化过程，提出了冻结软岩黏弹塑非线性蠕变本构力学模型［10-11］；Vaferi等通过对处于不同围压、低温状况下下砂岩热物理参数分析，并基于神经网络方法实现热物理参数随冻融参数的演化过程系统化模拟，为开展不同冻结温度下的砂岩热参数认知提供了方向［12］。刘莹等对内蒙鄂尔多斯地区白垩系岩层开展了不同冻结温度下的物理力学性能试验，分析了单轴抗压强度与温度、含水率之间的相互影响关系［13］；周科平等、李杰林等、对经历不同冻融循环次数的花岗岩进行了核磁共振和常规单轴压缩实验，得到了冻融循环后岩石的孔隙度、孔隙分布和单轴抗压强度与循环次数的关系［14-15］；杨更社等分别以煤、砂岩、砂质泥岩为研究对象，开展了常温和不同冻结温度下岩石单轴压缩和三轴压缩试验，获得了不同温度条件下岩石试件的基本力学参数，并探讨了参数值与冻结温度的关系［16-19］；Jia等研究了长期冻结条件下岩体中裂隙的扩展机制，并提出了开放裂隙中冻胀力的数学模型［20］。概而言之，现阶段的研究主要为开展不同冻融次数下完整岩块物理力学性质及其损伤演化规律，而目前，专门针对人工冻结状况一次冻融下引起的富水软岩物理力学影响的成果报道不足，特别是有关不同低温冻结状况下其力学特性的变化及其内在机制报道甚少。

依托甘肃新庄煤矿人工冻结风立井为工程背景，通过采集白垩系富水岩层穿越的粗粒砂岩、中粒砂岩，而后，分别开展在常温、冻结后、解冻两类砂岩的饱和吸水率试验，并进行20，-30，20℃等不同冻结过程下的强度测试，探讨经过一次冻结、融化影响下，粗粒砂岩、中粒砂岩饱和吸水率与单轴抗压强度、弹性模量等指标的关系，分析冻融过程对富水岩层损伤影响过程，进而为富水岩层区开展人工冻结凿井施工及设计提供基础试验依据。

1 试验过程及测试

1.1 试样制作及对应设备

1.1.1 试样制作

岩样取自甘肃新庄煤矿人工冻结风立井白垩系富水软岩区，首先，从施工现场取回包括粗粒砂岩、中粒砂岩两种砂岩的新鲜完整大岩块，并确保大岩块满足标准圆柱样加工尺寸及精度要求，而后，用水钻法将大岩块加工成φ5×100 nm的圆柱形标准试样，接着，先剔除外观存在缺陷及视觉上差距明显的试件，最后，通过RSM-SY5智能声波检测仪测定试件的纵波波速状况，筛选波速相近的试件作为试验岩样，其中每3个为一组（图1）。

1.1.2 试验设备

图1 2种代表性砂岩试件（取自人工冻结法施工的煤矿竖井）Fig.1 Two typical sandstone samples collected from a coal shaft constructed using artificial ground freezingmethod

结合本次试验目的及要求，具体涉及到的试验仪器包括：①电子天平（标称精度确保小于±0.01 g）；②DZF型真空干燥箱（含真空抽气罐）；③DWX-30低温冻融循环试验系统；④MTS-815型电液伺服试验系统；⑤全自动比表面积分析仪。其中，全自动比表面积分析仪由美国麦克公司生产的ASAP系列，其基于吸附理论，在低于临界温度的条件下，可根据不同压力下砂岩对氮气的吸附量来反映其比表面积状况，而后设备可自动计算出对应的比表面积、孔容及平均孔径等孔隙状态参数。

1.2 砂岩饱和吸水率状况测试

依据国家标准GB/T23561.5-2009《煤和岩石吸水性测定方法》［21］关于岩石饱和吸水率测试要求，开展对砂岩试样饱和，具体流程为：首先，将砂岩试样置于真空干燥箱中，并将温度设置到超过水分蒸发点温度（110℃），连续烘烤时间为24 h，确保砂岩内水分充分蒸发；而后，将干燥完成试样放置于室温条件下冷却6 h后称量；然后，将试样放置于专门的抽气容器内进行抽气2 h，每间隔2 h向抽气装置内注入蒸馏水，持续抽气4 h直至无气泡、水珠溢出，最后，将抽气完完成的试样放置水中连续浸泡24 h，最后完成取饱和后的试样称重。

而饱和吸水率测定试验流程包括以下步骤：①为更好开展对照分析，分别将粗粒、中粒砂岩试样各3块，依据以上饱和方法分析对应室温条件下各自的饱和吸水率状况，并取得对应平均值；②将以上试样放入低温冻融循环试验系统开展冻结。基于新庄煤矿现场人工冻结采用的盐水温度为-30℃的实际状况，本次实验将冻结温度选择为-30℃；③在以上温度条件下连续冻结48 h，将试样取出放置于室温条件进行天然状况下的解冻，待充分解冻完成后（24 h）开展其对应解冻后2类砂岩饱和吸水率状况测定。

1.3 岩石单轴压缩试验

将两类砂岩试样分3组进行饱水处理，其中，第1组开展常温状况下的单轴压缩测试；第2组首先开展低温冻结试验，保持恒温冻结-30℃达48 h，而后，借助MTS-815型电液伺服试验系统进行单轴压缩。第3组则完成“-30℃冻结（48 h）+20℃解冻（48 h）”组合过程后，再对试样进行单轴压缩试验。获得以上3组试样对应的单轴抗压强度应力应变曲线，并藉此换算对于的弹性模量值。，其中，需要强调的是，单轴压缩试验采用轴向位移速率控制方法，对应的控制速率选择为0.002 mm/s.

1.4 岩石微观结构测试

分别取两种岩石试样各1个，首先在每个样品上切下一小块（要求单体质量大于20 g），之后，将样品进行饱水处理，并开展一次冻融循环，对应的冻融条件为：-30℃冻结48 h，之后自然融化48 h.在冻融后的样品上再切下一小块（同样要求质量大于20 g），并将冻融前的小块样品一起放入真空干燥箱进行烘干（110℃，24 h）。将烘干后的样品分别粉碎过筛，取粒径0.28～0.45 mm的样品5～10 g装入样品袋并编号。之后利用ASAP型全自动比表面积分析仪进行氮气吸附实验，详细的实验流程参考规范GB/T19587-2004《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》［22］。

2 结果分析

2.1 不同冻结、融化状态下砂岩饱和吸水率对比

通过饱和吸水率指标可较好反映砂岩内部不同孔隙大小的空间发育状况，对于了解其孔隙状况具有重要参考［15］。具体可参考以下公式计算各自对应的在冻结后的饱和吸水率状况。

式中 ωp为岩石的饱和吸水率，%；mp为岩石饱和后的质量，g；ms为岩石的干质量，g.

根据表1实验结果，从同一种岩石试样来看，不同试样冻融前后的饱和吸水率有差异，两组粗粒砂岩试样冻结前饱和吸水率差值为0. 4%，冻融后差值增加到0. 8%，2组中粒砂岩冻结前和冻融后的饱和含水率差值均为0. 2%，但总的来说同一种岩石个体试样之间饱和吸水率差异不大。从不同岩石来看，无论是冻结前还是冻融后，粗粒砂岩饱和吸水率都大于中粒砂岩。2类砂岩在进行一次冻结、解冻后的饱和吸水率状况均有增大趋势，其中，粗粒砂岩饱和吸水率（32. 1%）较中粒砂岩（15. 3%）增幅更为显著，反映出孔隙率状况对饱和吸水率的影响作用。岩石试样经历冻结融解后饱和吸水率增加是由于孔隙裂隙水结冰产生冻胀力，使得原有的孔隙裂隙微观结构发生很大变化，有新的微细裂纹产生。岩石的饱和吸水率的变化本质上由于其孔隙率的变化［23］，因此，岩石试件冻融前后饱和吸水率变化幅度反映了其内部冻融损伤的剧烈程度。岩石冻融损伤的大小取决于其强度和冻胀力的相对大小。粗粒砂岩冻融前后饱和吸水率变化幅度相对较大，说明在冻结过程中较大的饱和含水率产生了较大的冻胀力，从而产生了更为显著的结构化损伤。

表1 冻融前后2类砂岩饱和吸水率状况对比分析Table 1 Saturated water absorption rate of rock samples before and after freezing and thaw ing

2.2 不同冻结、融化状态下砂岩微观结构对比

本次实验采用ASAP型全自动比表面积分析仪进行氮气吸附实验，并基于孔隙内气体BET吸附理论、毛细孔凝聚方程获得粗粒砂岩、中粒砂岩经过一次冻结、融化后对应的比表面积、孔容和平均孔径变化状况［24-26］，详细测试结果见表2，3.其中，需要强调的是，以上测试指标相关物理含义为：比表面积（m2/g）指单位质量多孔固体物质所具有的表面积，孔容（cm3/g）指多孔固体物质单位质量所具有的细孔总容积，平均孔径（nm）指吸附总孔体积与BET法比表面积的比值［27］。

表2 粗粒砂岩冻融前后孔隙结构变化Table 2 Changes of pore structure of coarse sandstone sam ples before and after one freeze-thaw cycle

表3 中粒砂岩冻融前后孔隙结构变化Table 3 Changes of pore structure of fine sandstone samp les before and after one freeze-thaw cycle

基于以上结果，可较好反映出2类砂岩孔隙结构变化情况。表2显示粗粒砂岩在一次冻融循环前后比表面积由冻结前2.44 m2/g增加到解冻后的3.55 m2/g（增幅45.5%）；孔容由冻结前6.4*10-3cm3/g增加到解冻后的7.3*10-3cm3/g（增幅14.1%）；孔径由冻结前的10.48 nm降至解冻后的8.22 nm（降幅21.6%）。以上结果表明：粗粒砂岩在冻融过程中的损伤主要表现为小孔隙数量的增加，即孔容的增加。结合孔隙类岩石的冻融损伤机制分析［28］，具体而言：其在-30℃下除孔隙中的自由水结冰外，细孔中的毛细水也发生了部分冻结，产生了较大的冻胀力，导致砂岩内部产生许多新的微细孔隙。平均孔径的减小应是由比表面积增加导致的。此外，通过表3同样可反映出中粒砂岩在一次冻融循环前后的变化情况，其中，比表面积由冻结前0.56增至0.63 m2/g（增幅12.5%）；孔容由冻结前2.7*10-3cm3/g变为解冻后的2.5*10-3cm3/g，相对降幅不大；同样，其平均孔径由19.08 nm降至16.01 nm，大体降幅为16.1%，相较粗粒砂岩降幅也明显降低。具体而言，中粒砂岩在冻融过程中的损伤主要表现为介孔、大孔的增加，即：孔隙水一次冻结过程导致细孔扩展为介孔和大孔，而对应新产生的细孔数量较少，因此总比表面积增加但孔容减小。同时，平均孔径的减小与比表面积增加关系密切。

2.3 冻融作用下岩石力学特性

2.3.1 一次冻融作用下砂岩应力-应变曲线对比

图2反映的是粗粒砂岩、中粒砂岩的在单轴压缩状况下对应的应力-应变曲线图，详细标注出在常温、冻结、解冻后各自的应力 -应变变化状况。

由图2可知，粗粒砂岩、中粒砂岩在3种不同状态下其应力-应变曲线呈现大体相似的变化规律。但具体对比而言，冻结状态下2类砂岩的压密阶段和塑性屈服阶段相对较短，弹性阶段斜率相对较大；而解冻后砂岩压密阶段相对较长，弹性阶段斜率相对较小。深入剖析原因可归纳为以下2点：①相对常温状态下的多孔隙砂岩试样，其冻结状态下孔隙内的自由水逐步凝结成冰，并诱发水热迁移至更为细小的孔隙内，导致砂岩内部孔隙多被裂隙冰充填，进而导致砂岩的整体脆性状况增强，整体强度提升；②解冻后的砂岩试件因孔隙水的一次冻结、融化过程，会产生典型的“冰塞效应”，诱发裂隙端部的张开、断裂，导致其内部出现新的不可逆损伤，即大量微裂纹丛集发生，从而导致其整体强度偏低，且其压密变形阶段延长。此外，尚可观察到的现象有：砂岩单轴抗压强度冻结时最大，常温次之，而解冻后强度最小，说明对于多孔隙砂岩而言，一次冻结、融化过程对于其强度影响依然非常显著。

2.3.2 一次冻融作用下砂岩峰值抗压强度

基于应力-应变曲线进一步分析粗粒砂岩、中粒砂岩常温（+20℃）、冻结（-30℃）和解冻后常温（+20℃）状态下各自对应的峰值抗压强度对比结果，讨论一次冻结、融化过程对砂岩的影响作用，如图3所示。

图3 不同冻结、融化状态下2类砂岩试件峰值抗压强度对比Fig.3 Peak compressive strength of two types of sandstone with different freezing condition

由图3可以定量得到两种岩石在不同状态下单轴抗压强度的变化情况。常温状态下，粗粒砂岩单轴抗压强度大于中粒砂岩。砂岩在冻结状态下的单轴抗压强度均有所提高，但提高幅度不尽相同。与常温状态下岩石单轴抗压强度相比，粗粒砂岩冻结时的平均单轴抗压强度由常温时的28.01 MPa增大到38.98 MPa，提高了10.97 MPa（约39%）；中粒砂岩平均单轴抗压强度由17.78 MPa增大到 25.86 MPa，提高了 8.08 MPa（约45%）。对比发现：冻结作用对中粒砂岩的峰值强度影响效应应大于与粗粒砂岩。而与常温状态下岩石单轴抗压强度相比，粗粒砂岩解冻后的峰值强度由出现了显著降低（降幅约42.6%）；但中粒砂岩降幅并不大，仅约12.2%.由此可以得出，经历一次冻融后，粗粒砂岩单轴抗压强度减小幅度较大，而一次冻融对中粒砂岩的单轴抗压强度影响较小。

2.3.3 一次冻融作用下砂岩弹性模量对比

为更好反映一次冻融对砂岩弹性模量的影响效果，文中选取瞬时抗压强度的50%与其所对应的应变ε50的比值作为试样的弹性模量值进行对比计算。具体而言，根据应力-应变曲线可以得到粗粒砂岩和中粒砂岩分别在3种不同温度状况下：常温（+20℃）、冻结（-30℃）和解冻后常温（+20℃）状态下弹性模量变化情况，如图4所示。

图2 2类代表性砂岩在不同冻结、融化状态下的应力-应变曲线Fig.2 Relationship between stress and strain of two types of sandstone under different conditions

由图4可知，两类砂岩在经过一次冻融循环后，各自的弹性模量均出现一定程度的降低，其中，粗粒砂岩的弹性模量降幅最为显著，从常温状况下约4.4 GPa减小到一次冻融后的1.9 GPa，降幅约68%；而中粒砂岩从常温状况下约2.0 GPa减小到一次冻融后的1.4 GPa，降幅约30%.同样印证了一次冻融对粗粒砂岩弹性模量的影响远大于中粒砂岩。

图4 砂岩试件在不同温度状态下的弹性模量Fig.4 Elasticmodulus of sandstone samples under different temperature states

以上试验结果表明，饱和状态下粗粒砂岩和中粒砂岩冻结时单轴抗压强度均有不同程度的提高，其提升原因与裂隙水、孔隙水发生冰水相变，提升其整体强度；同时冰的充填作用间接起到对孔隙的粘结效果。此外，温度的降低也会导致岩石颗粒体积产生收缩，颗粒之间排列更加紧密，从而使得岩石试件强度略有提高。但是，3种岩石经历冻融后，其单轴抗压强度和弹性模量均有所降低，其主要原因是：冻结过程中，饱和岩石试件内部孔隙裂隙水结冰产生冻胀力，当冻胀力大于岩石结构强度时，会对试件产生新的损伤，从而降低其强度特性。粗粒砂岩因其饱和含水率，比表面积和孔容都较大，冻结对试件的损伤也更大，因此，其单轴抗压强度和弹性模量减小幅度也相应较大，而该结果在饱和吸水率、微观结构观测中也得到很好印证。由此可知，砂岩内部孔隙分布结构和含水率是影响冻融损伤的两大重要因素。

4 结 论

人工冻结法凿井是西部地区富水软岩地层井筒建设的主要技术手段，冻融作用下白垩系岩石物理力学特性的研究关系到冻结壁、井壁设计的科学性。文中开展2种代表性砂岩的在常温、冻结、解冻后等3种不同状态下的饱和吸水率、微观结构试验及单轴压缩试验，获得其冻融前后的饱和吸水率、孔隙结构、单轴抗压强度和弹性模量变化，探讨了一次冻融作用下砂岩的损伤效果。

1）冻融对2种岩石饱和吸水率均有不同程度的影响，2种岩石经历冻融作用后饱和吸水率均有所增大，粗粒砂岩饱和吸水率增加幅度较大；

2）一次冻融循环后粗粒砂岩比表面积和孔容都增大而平均孔径减小，而中粒砂岩则表现为：比表面积增大，孔容和平均孔径减小；

3）一次冻融作用下，2类砂岩的单轴抗压强度和弹性模量均有不同程度的降低，其中，粗粒砂岩峰值抗压强度、弹性模量降幅均大于中粒砂岩；

4）低温冻结提高了试验岩石的单轴抗压强度，粗粒砂岩单轴抗压强度提高幅度大于中粒砂岩；

5）基于以上试验结果可知，对于多孔隙砂岩而言，其内部孔隙分布结构、含水率状况是导致其冻融损伤效果的主要控制因素。