任建喜，王晓琳，陈 旭

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

陕西、内蒙古等地区矿井所穿越的地层主要以中垩系和侏罗系地层为主，其中白垩系地层多为洛河组砂岩，具有大孔隙、层理明显、强度低和易风化等特点[1]。为了保证井筒安全顺利地穿越含水软岩层，需采用人工冻结法施工[2]。但是这些地层的特性与东部地区有很大的差异，盲目借鉴东部地区冻结法施工经验往往会造成不良后果[3，4]。国内学者通过室内试验和理论结合的方法对岩石冻结前后的物理力学性质开展了大量的研究[5-8]。刘莹[9，10]等对常温和不同负温下的洛河组砂岩进行物理力学性质进行研究，发现白垩系岩石的力学性质随冻结温度的降低而增大。田应国[11]对饱和中砂岩和粗砂岩在不同温度下进行了单轴压缩试验，揭示了冻结白垩系砂岩力学性质与温度的相关性。杨更社等[12，13]分析了不同冻融循环次数下砂岩的损伤扩展规律，并建立了砂岩冻融与荷载耦合作用下的损伤本构模型。刘波[14]对白垩系弱胶结红砂岩的冻融损伤机制及冻融过程中围压的影响机制进行了研究。

冻结法在复杂地层井筒施工中具有很大的优势，但也会给工程带来冻胀、融沉等灾害。目前，关于冻结前后洛河组砂岩的物理力学性质都有了比较深入的认知和了解，但是对解冻后洛河组砂岩的物理力学性质的研究还有所欠缺。本文通过对不同冻结温度的砂岩经解冻后进行物理力学性质的试验，得到其在解冻后基本的物理力学参数，为后续冻结壁和井筒设计提供一定参考。

1 试验方法

1.1 试样制备

此次试验岩样取自陕北可可盖煤矿地质钻探所获得的洛河组砂岩岩芯，如图1所示。由于洛河组砂岩为弱胶结砂岩，内部有较多裂隙且芯样较小难以加工成型，所以在加工过程中通过自制夹具将其固定并采取干钻的方式将芯样加工成∅50mm×100mm的标准圆柱体试件，如图2所示。

图1 洛河组砂岩岩芯

图2 标准岩样

砂岩物理性质可以直观地描述不同砂岩材料的特性。对加工好的岩样依据GB/T 23561—2009试验标准进行物理性质参数测定，得到其干密度为1.85～2.13g/cm3，平均值2.01g/cm3，饱水率为7.54%～14.43%，平均值为10.65%，有效孔隙率为15.38%～26.98%，平均值为22.09%，纵波波速为1.73～2.37km/s，平均值为1.85km/s。可以看出洛河组砂岩吸水性极强、波速且各项参数波动性大，表明其内部孔隙、裂隙分布多且连通性好，表现出很大的个体差异性。

1.2 试验方案

试验采用西安科技大学GCTS电液伺服控制高低温高压岩石三轴试验系统，该系统可施加最大轴向力1500kN、最大围压140MPa。试验设备由轴向加载系统、围压加载系统、数据采集系统等部分组成，可以进行高低温环境、高低压应力条件下的岩石单轴和三轴压缩试验。冻结-解冻试验采用西安科技大学的冻结-解冻试验箱，冻结-解冻试验系统箱体温度范围为-30～50℃，循环浴温度范围：-40～60℃，温度变化速率大于等于45℃/h，工作环境温度：5～35℃。

在所有试件中挑选波速相近的16个试件按冻结温度分为4组：第一组编号为A1、A2、A3、A4，不进行冻结；第二组编号为B1、B2、B3、B4，冻结温度为-5℃；第三组编号为C1、C2、C3、C4，冻结温度为-10℃；第四组编号为D1、D2、D3、D4，冻结温度为-15℃。本次冻融试验目的在于研究洛河组砂岩在饱和状态下不同负温冻结作用下经冻融后其物理力学性质的变化情况，试验主要分为两个部分进行。

1.2.1 常规三轴压缩试验

取第一组试件分别进行单轴压缩试验(0MPa)及3组不同围压(2MPa、4MPa及6MPa)下的常规三轴试验。试验加载初始阶段采用应力控制将轴压、围压同时加至预定值(0MPa、2MPa、4MPa、6MPa)，加载速率为0.015MPa/s，加载至围压恒定后保持围压不变应变控制加载轴压直至试件完全破坏，加载速率为0.01mm/s。

1.2.2 解冻后砂岩三轴压缩试验

取第二、三、四组试件进行饱水后放入冻融试验机中，按照每组对应的设定温度进行冻结，冻结72h后将其全部在常温环境下解冻，解冻后测量其质量、波速，然后分别对经历过1次冻融循环的三组试件进行单、三轴压缩试验。

2 砂岩解冻前后物理性质对比分析

2.1 洛河组砂岩饱水性分析

岩石的饱水系数是指岩石的吸水率与强制吸水率(饱水率)的比值，以Kω表达，表达式为：

已有研究表明[15]，当Kω<0.91时，说明岩石冻结过程中，水仍然具有挤入剩余尚未张开孔裂隙的余地；当Kω>0.91时，冻结过程中水冻结后形成的冰对岩石会产生“冰劈”作用，造成岩石的膨胀破坏。测量所得的砂岩饱水系数约在0.74～0.91范围内(表1)，这说明水在冻结过程中，水仍存在挤入之前张开的孔隙中的余地，这一部分水冻结膨胀后会使砂岩内部的微裂隙增多。同时部分砂岩的饱水系数也已接近0.91，说明冻结过程中，部分砂岩也同时会受到“冰劈”作用，导致更大孔径的破坏。

表1 洛河组砂岩岩样的饱水系数

2.2 砂岩解冻后的质量损失及波速损失分析

将不同冻结温度下冻融循环后的砂岩放置常温后，再次放入烘干干燥箱中进行干燥处理，烘干后再次测量其干质量以及纵波波速，根据下式计算得到砂岩在不同冻结温度下冻融循环后的质量损失率以及波速损失率。岩石的质量损失率Km为冻融前后试样的干质量的差值与冻融前岩石的质量的比值，即：

岩石的纵波波速损失率Kv为冻融前后试验纵波波速的差值与冻融前试样的纵波波速的比值，即：

洛河组砂岩在不同冻结温度(-5℃、-10℃、-15℃)下经一次冻融循环后每个试件的质量损失率与纵波波速损失率如图3、图4所示。

图3 不同冻结温度下的质量损失率

图4 不同冻结温度下的纵波波速损失率

由图3可知，洛河组砂岩冻融循环后其质量损失率较小，最大损失率不超过0.5%，这是因为冻融循环次数低，对岩样的冻融破坏非常有限，因而其未发生明显的剥落破坏。同时可以看出随着冻结温度的降低，试件质量损失率有所提高，冻结破坏更为严重。

由图4可以看出，试件经冻融后纵波波速损失率较大，大部分试件的波速损失率超过了20%，最大的损失率达到40%，说明虽然一次冻融循环并未造成试件的剥落破坏，但由于洛河组砂岩其内部较大的孔隙裂隙较多，且饱和含水率较大，试件在饱水冻结过程中，内部水分冻结产生的强冻胀力导致砂岩内部孔裂隙进一步扩展、贯通，从而导致造成波速损失率较大。并且冻结导致的波速损失率随冻结温度的下降而增大，但这一现象并不明显，说明洛河组砂岩内部孔隙裂隙的贯通性较好，对于冻结导致的内部孔隙裂隙的扩展发育，较高的冻结温度同样会对洛河组砂岩造成一定程度的冻融破坏。

3 常规加载下砂岩的力学特性分析

洛河组红砂岩在围压为0MPa、2MPa、4MPa、6MPa时的应力-应变如图5所示，各个试件的抗压强度值见表2。可以看出整个应力应变曲线具有明显的压密阶段、弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、塑性变形阶段、残余变形阶段。随着围压的增大，试件的抗压强度不断增强且破坏时所对应的变形也增大，这是因为洛河组砂岩属于结构松散的多孔隙材料，围压越大试件挤压就越密实，内部裂隙与孔隙间的正应力和摩擦力增大使得裂隙不容易发生胀裂和滑移，从而限制了裂隙的进一步扩展，所以承载力更高。这说明岩石内部的孔隙结构是影响洛河组砂岩抗压强度的主要因素。

图5 单轴及常规三轴应力应变曲线

表2 洛河组砂岩变形参数

由表2可以看出随着围压强度的提高，砂岩的弹性模量与变形模量均有所提高，这是由于围压限制了岩石的变形、延缓了岩石的破坏。洛河组砂岩的泊松比大致范围为0.25～0.32，随着围压的增大，泊松比有所减小，即围压增大限制了洛河组砂岩岩样的侧向变形，相比于其他类型岩样，围压对洛河组砂岩这种多裂隙、大孔隙的岩石约束作用更加明显。

3.1 不同冻结温度下砂岩力学特性对比分析

各围压不同冻结温度下砂岩的应力应变如图6所示，可以看出，解冻后的洛河组砂岩在不同应力条件下的破坏过程与未经冻融的基本一致，即整个破坏过程仍分为压密阶段、弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、塑性变形阶段、残余变形阶段五个阶段。同时，随着冻结温度的降低，解冻后砂岩的强度降低，变形增大，压密阶段变长，但最终破坏形式大致为脆性破坏，无明显塑性特征。

图6 各围压不同冻结温度下砂岩的应力应变曲线

洛河组砂岩的强度随温度降低而降低，这个过程可以用冻融损伤理论来解释，即冻动过程中水冰相变，造成砂岩体积膨胀，砂岩内部原生孔隙裂隙在冻胀力的作用下进一步延伸扩展，并伴随次生裂隙的产生，所以融化后砂岩内部损伤加剧，强度降低。且冻结温度越低，冻融损伤越严重。洛河组砂岩孔隙发育，孔隙率高达27%，对冻融作用更为敏感。

3.2 洛河组砂岩冻结融化后的强度分析

洛河组砂岩冻结融化后峰值强度与冻结温度的关系如图7所示。从图7中可以看出洛河组砂岩经一次冻融后的强度随冻结温度的降低而降低，根据其拟合曲线基本呈线性关系。在相同围压作用下，经一次冻融作用后的洛河组砂岩强度随着冻结温度的降低而减弱；与常温状态相比，冻结温度在-15℃时围压从0MPa提高至6MPa，洛河组砂岩的强度分别降低了24.52%、28.34%、23.14%、15.98%。由前文所测洛河组砂岩孔隙率最高达到26.9%，孔裂隙极为发育连通性好，吸水性及饱水性强，因而对冻融作用较其他岩石更为敏感。

图7 峰值强度与围压关系图

洛河组砂岩冻结融化后峰值强度与围压的关系如图8所示。从图8中可以看出洛河组砂岩经一次冻融后的强度随围压的提高而增大，与常规压缩试验一致基本呈线性关系。与无围压状态相比，围压在6MPa时温度从25℃降至-15℃，洛河组砂岩的强度分别提高了33.2%、39.5%、30.4%、18.9%。随着围压的不断提高，冻融损伤劣化的影响程度逐渐降低，这是因为随着围压的提高，砂岩内部由于冻融引起的孔隙裂隙在静水压力阶段重新愈合，且围压的约束能力也不断增强，洛河组的强度得到提升。

图8 峰值强度与冻结温度关系图

3.3 洛河组砂岩解冻后的破坏规律分析

不同冻结温度洛河组砂岩解冻后在各个围压下的破坏特征如图9所示。由图9可以看出砂岩在单轴压缩时为劈裂破坏，且破坏时为脆性破坏。随着围压的增大，岩石破坏逐渐由脆性破坏转为塑性破坏，岩石主要为拉剪破坏，且主裂缝角度逐渐减小。围压升高，砂岩的起裂角逐渐减小，随着裂缝的发展，主裂缝破坏角逐渐增大，最终发育至90°左右破坏；这说明围压增大虽然导致砂岩的塑性增大，但由于洛河组砂岩其结构软弱，内部孔隙较大，围压的增大导致岩石压密效果明显，最终砂岩破坏逐渐向脆性破坏发展过渡。

冻结温度为-5℃时岩样的破裂主要是以拉剪破裂为主，主裂缝破裂角度主要为60°～90°，且随着围压的增大而逐渐减小，砂岩沿着主裂缝破坏，其他次生裂缝较少；冻结温度为-10℃、-15℃时的破裂主要为拉剪破裂，试件破坏程度明显加重，试件的主裂纹贯通形成主控破裂面，且裂缝宽度明显增大，在主裂缝附近形成较多的次生裂缝，裂缝角度为70°～90°，相比于冻结温度为-5℃时其裂缝角度增大，说明冻结温度降低，试件经过冻结解冻后，其内部结构破坏严重，围压的增大仍然存在一定变形空间，因而试件依然存在一定的拉伸脆性破坏。

图9 不同冻结温度下砂岩解冻后破坏特征图

4 结 论

1)通过室内的基本物理试验测得洛河组砂岩的干密度为1.86～2.14g/cm3，平均为2.01g/cm3，强制吸水率(饱水率)为7.47%～14.37%，平均为10.51%，有效孔隙率为15.83%～26.68%，平均为21.09%。纵波波速为1.53～2.27km/s，平均值为1.86km/s。即洛河组砂岩胶结差，孔裂隙发育，饱水系数在0.76～0.91范围内，对冻融损伤非常敏感，仅一次冻融循环就会造成很大的损伤。

2)解冻后的砂岩的质量损失率随冻结温度的降低而增大。虽然冻融次数仅有一次，砂岩未发生明显的剥落破坏，砂岩最大质量损失率也不超过0.5%。但大部分岩样的波速损失率却超过20%，最大的损失率达到40%，即冻结过程会使砂岩内部水分冻结膨胀造成岩石内部的原生微孔裂隙进一步发育、扩展增多。

3)冻结洛河组砂岩经解冻后内部结构会发生冻融损伤，导致其力学性质降低。冻结温度越低，洛河组砂岩压密阶段变长，强度劣化越明显，变形也会不断增大。其破坏形式由原先的单一破坏模式转变为复杂的拉剪组合破坏模式，破坏时主裂缝更加发育，同伴生着更多的裂隙，破坏后砂岩更加破碎。

4)洛河组砂岩在解冻以后不仅强度降低，变形也会增大，在冻结法施工时，低温会使洛河组砂岩产生冻胀，砂岩内部结构受到损伤，而在解冻以后变形量不能全部恢复，在外压力作用下会产生进一步的变形，从而使斜井产生变形，造成井壁开裂。