韩财宝，朱 婷,王春霞

(皖江工学院 基础部，安徽 马鞍山 243000)

近年来，我国加大了西部开发投资力度，逐渐扩大西部资源开采范围。由于资源开采期间容易受到恶劣天气的影响[1]，当地域季节更换时，岩体工程所受影响较大，施工期间经常遇到冻融破坏问题，或者受昼夜循环同样会出现此类问题[2]。该问题的出现，加大了资源开发难度。岩石是一种短缺材料，在严寒地区其力学性能容易受到影响[3]。为了安全且高质量地开发岩石资源，本文将探究不同条件下岩石力学性质，作为资源开发参考依据。

1 试验材料与试验仪器

1.1 试验材料与制备

试验选取红砂岩作为试验材料，为了尽可能减少其他因素对试验的影响，该研究利用套孔岩芯直接取样。该项操作以岩层沉积方向作为标准，沿着这个方向取样，从而保证岩石结构不遭受破坏。经过打磨加工，将取出的试样制作为标准岩样，规格为φ50mm×100mm。在开展试验之前，检查试样，剔除表面缺陷较为显著的试件，而后检测试件的纵向波速，从中选取波速相近的试件作为实验材料，共计60个[4]。

经过测试可知试验使用的红砂岩波速大小为1450m/s，饱和密度大小为2.02g/cm3，干密度大小为1.77g/cm3，孔隙率大小为14.32%。

1.2 试验仪器

试验使用到的仪器主要有电子天平(误差为±0.01g)、真空抽气机、声波检测仪(型号为RS-STO1C)、烘箱、干燥皿、力学测试系统(产品型号为MTS815)、快速冻融循环机(型号为XMT605)等。

MTS815系统由多个设备组成，除了起到控制作用的数字控制系统、动力围压控制系统以外，还包括孔压渗透系统、轴向加载架、动力油源[5]。利用该系统测量岩石性能相关数据，作为试验分析数据支撑。

XMT605设备支持温度控制功能，可以根据材料制备要求调节温度，为冻融循环试验打造相应环境[6-7]。其中，温度控制误差控制在±0.2℃以内，在显示屏上显示测量结果。

2 试验步骤

为了完成岩石力学性能测试实验，该研究根据红砂岩力学性能影响特点，选取围压、冻融循环作为主要操作因素，为其模拟赋存条件。试验步骤如下：

第一步：利用烘箱烘干所有试件，调节温度110℃，直至达到恒重为止。而后从烘箱中取出，将其放置到干燥皿内，等待温度下降至室温，分别对各个试件的纵波波速、几何尺寸、质量进行测量，并记录相关数据。

第二步：采用真空抽气方法，强制试件得到饱和状态。再次测量各个试件的纵波波速、几何尺寸、质量，并记录相关数据[8]。

第三步：对试件采取压缩处理，而后放置到冻融循环测试设备内，开启系统作业模式，此时系统开始冻融循环测试工作。以+20℃作为起始温度，而后调节温度，当其降低至-20℃时，将温度控制功能从降温转换为升温，当温度再次达到+20℃时，记录这个过程耗费的时间。通常情况下，1个冻融周期在6h左右。

第四步：设备取件测量冻融次数，分别是0、5次、10次、20次、40次。测量60个经过压缩处理的试件的几何尺寸、质量。在此基础上，再将12个试件拆分为4组，每3个试样组成1组，开展三轴压缩试验，围压大小依次为0、2MPa、4MPa、6MPa。

第五步：测量试件的纵波波速，变量为冻融次数，分别在0、5次、10次、20次、40次冻融完成时，测量此参数数值，并记录数据。

3 岩石冻融循环试验

按照前文设置的试验步骤，分别测量不同冻融次数情况下的岩石性能参数数值，本次测试指标包括岩石质量、岩石密度、岩石波速3个，将测量的结果记录到表1中。

表1 不同冻融次数情况下岩石性能参数数值

表1中测试结果显示，岩石质量随着冻融次数的增加先变大后减小，当冻融次数达到10次时，岩石质量达到最大值，大小为410g，而后出现下降趋势。岩石密度随着冻融次数的增加先变大，后减小，而后趋于稳定，当冻融次数达到10次时，岩石密度最大，数值为2.112g/cm3。岩石波速随着冻融次数的增加逐渐减小，其中，0次到5次冻融处理期间的波速下降速度最快。所以，冻融次数的变化对岩石性能影响较大。

4 冻融岩石物理力学性质影响试验研究

4.1 岩石的峰值强度性质影响

4.1.1 围压与峰值强度的关系

设定围压强度分别为0、2MPa、4MPa、6MPa，分别对多次冻融处理下的岩石峰值强度进行测试分析，对三轴抗压强度的影响结果如表2所示。

表2 不同围压条件对三轴抗压强度的影响统计结果

表2中测试结果表明，无论经过多少次冻融处理，岩石的三轴抗压强度随着围压的增加而上升。当冻融次数增加时，4种不同围压条件下的抗压强度均有所下降。其中，下降最为显著的是6MPa围压条件。所以，围压能够较大幅度地影响岩石的抗压强度。

4.1.2 不同冻融条件下的峰值强度

设定冻融条件依次为0次、5次、10次、20次、40次，测量不同围压下的抗压强度，结果如表3所示。

表3 不同冻融条件对

表3中测试结果显示，抗压强度随着冻融次数的增加而减小。4组围压条件下，当围压为0时，抗压强度偏小，随着围压数值的增加，无论是何种冻融次数条件，抗压强度都随之增加。0次冻融条件下，抗压强度数值偏大。其中，0围压条件下，岩石的抗压强度为4.6MPa；6MPa围压条件下，岩石的抗压强度为25.1MPa。所以，冻融次数能够较大幅度地影响岩石的抗压强度。

4.2 岩石的弹性模量影响

4.2.1 围压与弹性模量的关系

以围压作为试验变量，布设0、2MPa、4MPa、6MPa试验条件，依次对5种冻融次数处理下的岩石弹性模量进行测试，从而得到该项指标与变量围压的关系结论。如表4所示为此项试验内容整理的试验结果。

表4 不同围压条件对弹性模量的影响统计结果

表4中测试结果显示，不同冻融次数处理的岩石在4种围压条件下的弹性模量变化趋势基本相同，随着围压的增加而增加，而后趋于稳定。其中，5次、20次冻融条件下岩石与之不同，当围压为6MPa时，其弹性模量仍然呈现出上升趋势，并且趋于稳定。另外，无论是何种围压条件，岩石的弹性模量随着冻融次数的增加而减小。所以，围压能够较大幅度地影响岩石的弹性模量。

4.2.2 不同冻融条件下的弹性模量影响

采用同样的测量方法，以冻融循环次数作为变量，打造试验测试条件，分别对附加不同围压情况下的弹性模量，结果如表5所示。

表5 冻融循环次数设置影响下的弹性模量

表5中测试结果显示，大部分围压条件下，岩石的弹性模量随着冻融循环次数的增加而减小。当围压为0时，弹性模量随着冻融循环次数的增加减小后趋于稳定，且出现了小幅度上升趋势。所以，冻融循环次数能够较大幅度地影响岩石的弹性模量。

5 结语

试验围绕岩石在严寒地区的物理力学性质影响因素展开研究，选取冻融循环次数、围压作为影响因素指标，设计不同条件下的岩石性能测试试验。按照试验步骤进行测试，并记录测试数据。测试结果表明，岩石的三轴抗压强度主要受围压、冻融循环次数影响，并且这两项因素对其弹性模量影响也很大。