高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性试验研究

岩石力学与工程学报 Vol.28 No.3

2009年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2009

高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性

试验研究

尹光志

1，2

，李小双1，赵洪宝1

(1. 重庆大学 资源及环境科学学院，重庆 400044；2. 重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044)

摘要：通过在MTS815.03电液伺服岩石力学试验机上对焦作方庄煤矿煤层顶板粗砂岩进行高温后常规三轴压缩试验，基于试验结果研究不同温度作用后常规三向压缩条件下粗砂岩宏观力学特性，分析粗砂岩强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角和极限应变与温度的关系；同时对粗砂岩强度、平均模量与围压关系进行探讨。研究结果表明，围压一定，温度为25 ℃～300 ℃时，随着温度的升高，试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大，而变形模量有所降低。高温产生的热应力起到容纳变形和裂隙闭合作用，砂岩试件部分原生裂隙逐渐愈合，裂隙数量减少，密实程度提高，矿物颗粒间接触关系得到改善，摩擦特性得以增强；超过300 ℃以后，随着温度的升高，粗砂岩试样的强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均有所减小，而峰值变形逐渐增大，由高温引起的粗砂岩矿物颗粒的不同热膨胀率导致跨颗粒边界的热膨胀不协调，从而产生结构热应力使试样内部产生微裂隙，试样承载能力和抗变形能力减弱。而围压对粗砂岩的力学性质起到改善和强化作用，当温度一定时，随着围压的升高，粗砂岩试件强度、平均模量、黏聚力、内摩擦角均逐渐增大。

关键词：岩石力学；宏观力学特性；高温；常规三轴压缩试验；粗砂岩；围压

中图分类号：TU 459 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)03–0598–07

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON MECHANICAL PROPERTIES OF COARSE SANDSTONE AFTER HIGH TEMPERATURE UNDER

CONVENTIONAL TRIAXIAL COMPRESSION

YIN Guangzhi

1，2

，LI Xiaoshuang1，ZHAO Hongbao1

(1. College of Resources and Environmental Science，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2. Key Laboratory for the Exploitation of Southwest Resources and the Environmental Disaster Control Engineering，Ministry of Education，Chongqing

University，Chongqing 400044，China)

Abstract：Experiments are carried out to study coarse sandstone on upper plane of coal bed of Fangzhuang Coal Mine of Jiaozuo Co.，Ltd. under conventional triaxial compression by the MTS815.03 servo-controlled testing machine after high temperature. Based on the experimental results，the macro-mechanical properties of coarse sandstone under conventional triaxial compression after different temperatures are investigated. The relationships between triaxial compression strength，average modulus，cohesion，internal friction angle and peak strain of coarse sandstone and temperature are analyzed；and those between strength，average modulus and temperature are also studied. The results show that，when the confining pressure imposed on coarse sandstone is constant，and the temperature changes from 25 ℃ to 300 ℃，with the increasing of the temperature，the triaxial compression

收稿日期：2008–08–30；修回日期：2008–11–24

基金项目：国家自然科学基金重点项目(50874124，50534080)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2005CB221502)；重庆市自然科学基金计划重点项目(2008BA6028)

作者简介：尹光志(1962–)，男，博士，1982年毕业于重庆大学资源及环境科学学院采矿工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事采矿工程与安全工程方面的教学与研究工作。E-mail：gzyin@cqu.edu.cn

第28卷 第3期 尹光志，等. 高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性试验研究 • 599 •

strength，average modulus，cohesion，internal friction angle all gradually increase，but the peak strain has a slightly decrease. The thermal stress generated by high temperature has an effect of absorbing deformation and closure of fracture，parts of the original fracture get close；the number of fractures decreases；the compaction rate uprates；the contact relationship of mineral grain has been improved；and the frictional characteristic has been enhanced. When the temperature is over 300 ℃，with the increase of temperature，the triaxial compression strength，average modulus，cohesion，internal friction angle all decrease；but the peak strain has a little increase. And the discordant thermal expansion which happens across mineral particles can induce structural thermal stress due to the different thermal expansion coefficients of mineral particles in coarse sandstone. Then the microcracks develop inside the sample which makes the bearing capacity and non-deformability decrease. And the confining pressure can improve the mechanical properties of coarse sandstone. When the temperature is internal，with the increase of confining pressure，the strength，average modulus，cohesion，internal friction angle of coarse sandstone gradually increase.

Key words：rock mechanics；macro-mechanical properties；high temperature；conventional triaxial compression test；coarse sandstone；confining pressure

1 引 言

煤的地下气化、地热资源的开发、煤矿瓦斯的安全抽放和综合利用、大型城市地下硐室和隧道工程火灾后的修复与重建等都不可避免地涉及到高温作用后岩石的力学性质问题。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]

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0.2～1.0 mm，平均粒径为0.5 mm左右。按照规范[20]的要求，将岩块沿垂直层理方向加工成直径为50 mm，长度为100 mm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0.05 mm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2 312～2 410 kg/m3，平均密度为2 327 kg/m3，离散系数为4.1%；纵波波速为3 423～3 677 m/s，平均波速为3 529 m/s，离散系数为7.2%，满足试验要求。 2.2 加温设备及方法

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1 200 ℃。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5 h，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

；(2) 岩石破坏准则、力学特性、本

～19]

构关系、热裂化及岩石损伤破坏机制研究等[6

。

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 试验概况

2.1 试验所用试样

岩石试样取自焦作方庄煤矿戊组煤层顶板粗砂

• 600 • 岩石力学与工程学报 2009年

(a) 25 ℃ (b) 100 ℃

(σ1－σ3)/MPa

(c) 300 ℃ (d) 500 ℃

ε /103

－

(e) 700 ℃

(a) σ3 = 5 MPa

图1 经历不同温度后粗砂岩试样形态 Fig.1 Shapes of coarse sandstones under various

temperatures

700 ℃后粗砂岩试样变成粉红色。 2.3 试验设备及方法

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0.005 mm/s，采用5 mm位移传感器测量试样的轴向位移，1 000 kN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5，10，15，20，25 MPa的围压下进行三轴试验。 大荷载为2 800 kN，围压最大为80 MPa；测试精度

(σ1－σ3)/MPa ε /103

－

(b) σ3 = 10 MPa

(σ1－σ3)/MPa ε /103

－

σ3 = 15 MPa (c)

3 试验结果及分析

3.1 粗砂岩力学性质与围压关系

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，

ε /103

－

(σ1－σ3)/MPa

其曲线呈上凹型，随应力的增加，变形发展较快，

(d) σ3 = 20 MPa

第28卷 第3期 尹光志，等. 高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性试验研究 • 601 •

300三轴抗压强度/MPa 2502001501005000

5

10

σs=0.421σ32+8.239 2σ3+120.63 T = 25 ℃，R2= 0.901 1 15 20

围压/MPa

T/℃ 25 100 300 500 700 25 30

(σ1－σ3)/MPa

3 ε /10

－

图3 高温后粗砂岩试样三轴抗压强度与围压关系 Fig.3 Relationship between triaxial compression strength of

coarse sandstone specimen and confining pressure after high temperatures

(e) σ3 = 25 MPa

图2 围压一定时高温后粗砂岩试样常规三轴压缩全应力–

应变曲线

Fig.2 Complete stress-strain curves of coarse sandstone

specimens heated to various temperatures under conventional triaxial compression with fixed confining pressure

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

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5，10，15，20，25 MPa时，其平均值分别为152.81，183.39，216.50，228.34，237.22 MPa。随着围压由5 MPa增加到25 MPa，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5 MPa时的平均值分别增加了20.01%(10 MPa)，41.68%(15 MPa)，49.43%(20 MPa)，55.24%(25 MPa)。

σs=0.421σ32+8.2392σ3+120.63 (R2 = 0.901 1)

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5，10，15，20，25 MPa时平均模量平均值分别为27.95，30.51，30.91，30.93，31.24 GPa。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5 MPa时分别增加了9.16%(10

MPa)，10.59%(15 MPa)，10.66%(20 MPa)，11.77% (25 MPa)，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。

403530平均模量/GPa 25201510500

5

10

σEs=−0.184σ32+0.6773σ3+25.041 T = 500 ℃，R2 = 0.796 4 15 围压/MPa

20 25

30

T/℃ 25 100 300 500 700

图4 高温后粗砂岩试样平均模量与围压关系 Fig.4 Relationship between average modulus of coarse

sandstone specimen and confining pressure after high temperatures

根据试验结果，通过曲线拟合得到高温后粗砂岩试样

• 602 • 岩石力学与工程学报 2009年

3.2 粗砂岩力学性质与温度关系

平均模量/GPa

35302520

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。

454035302520151050 c=−5×10−5T2+0.025T+35.531 (R2=0.922) E=−9×10−6T2+0.004T+31.107

2(σ3=20 MPa， R=0.892) 0200 400 温度/℃

σ3/MPa105152025600 800黏聚力/MPa 图8 围压一定时粗砂岩试样平均模量与温度关系 Fig.8 Relationship between average modulus of coarse

sandstone specimen and temperature under constant confining pressure

13.5轴向峰值应变/10800－3 0 100 200 300 400 500 600 700温度 /℃

11.59.57.55.5图5 常规三轴压缩下粗砂岩试样黏聚力与温度关系 Fig.5 Relationship between cohesion of coarse sandstone

specimen and temperature under conventional triaxial compression

41

403938373635

−5234ϕ=−2×10T+0.073T33

0 100 200 300 εp=1×10−5T2−0.004 5T+8.224 2 (σ3=15 MPa， R2=0.920 8)σ3/MPa 10 515 20 250200 400 600 800温度 /℃

内摩擦角/(°) +37.84 (R2=0.829 9) 400 500 600 700 温度 /℃ 图9 围压一定时粗砂岩试样轴向峰值应变与温度关系

Fig.9 Relationship between axial peak strain of coarse

sandstone specimen and temperature under constant confining pressure

800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36.903

图6 常规三轴压缩下粗砂岩试样内摩擦角与温度关系 Fig.6 Relationship between internal friction angle of coarse

sandstone specimen and temperature under conventional triaxial compression

300三轴抗压强度/MPa 250200150100500σ=−0.002T2+0.143 2T+149.68 (σ3=5 MPa， R2=0.895)σ3 /MPa 10 0 200 400

/(°温度)

600 5152025800MPa，38.10°，209.79 MPa，31.59 GPa增加到300 ℃，221.59 MPa，32.27 GPa，时的37.256 MPa，39.85°

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27.45 MPa，34.60°，197.17 MPa，

图7 围压一定时粗砂岩试样三轴抗压强度与温度关系 Fig.7 Relationship between triaxial compression strength of

coarse sandstone specimen and temperature under constant confining pressure

27.22 GPa，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×

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

10

－3

增加到700 ℃时的平均值10.14×103，增加幅

－

度、轴向峰值应变及平均模量结果有较大的离散性，

度达到25.03%。

第28卷 第3期 尹光志，等. 高温后粗砂岩常规三轴压缩条件下力学特性试验研究 • 603 •

4 讨 论

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。

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颗粒边界的热膨胀不协调，引起结构热应力，使粗砂岩试样承载能力和抗变形能力减弱，宏观力学性质被劣化。

(3) 经过高温加热并自然冷却至室温后的粗砂岩试件在三轴压缩条样下，进行试验时，其相关力学特性同时受温度和围压的影响，试验结果是温度和围压两种因素共同作用的结果。试验结果表明，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呈二次非线性增加；300 ℃后随着加热温度的升高呈二次非线性减小。可见常规三轴压缩条件下，300 ℃是粗砂岩力学特性的阀值温度。

致谢 感谢河南理工大学采矿教研室老师的大力支持和帮助，特别感谢郭文兵教授、苏承东高级工程师在试验过程中的热心帮助! 参考文献(References)：

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