西部弱胶结泥岩的三轴压缩试验分析.pdf

第33卷第8期
长江科学院院报
Vol33 No
2016年8月
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute
Aug.2016
doi:10.1198/ckyb.20151116
2016,33(08):86-90,95
西部弱胶结泥岩的三轴压缩试验分析
王磊,李祖勇
(西安科技大学建筑与土木工程学院,西安710054)
摘要;为解决西部弱胶结软岩巷道支护难题,在内蒙古鲁新煤矿对典型弱胶结泥岩取样,并对其进行不同状态
(天然状态、饱和状态和烘干状态)和不同围压水平的室内三轴压缩试验,分析其强度特征和基本力学指标与围压
的变化关系。试验数据表明:①自然状态下弱胶结泥岩峰值强度和残余强度非常低,随着围压的増加,泥岩的峰值
强度和残余强度均有较大提高,且峰值强度与围压呈对数变化关系;②泥岩对水非常敏感,随着含水率的增加峰值
强度和残余强度均降低,峰值强度降低幅度更明显;③通过引人三轴软化系数进行分析,结果表明泥岩的软化系数
随围压增加而下降,泥岩3种状态下的弹性模量与制压增加呈线性增大变化。最后通过泥岩三轴压缩四阶段应
力ー应变曲线的拟合分析,建立了泥岩三轴压缩全应力-应变关系。
关键词:弱胶结泥岩;三轴压缩试验;应力ー应变曲线;变形特征;峰值强度;残余强度
中图分类号:TD313文献标志码:A文章编号:1001-5485(2016)08-0086-05
1研究背景
在我国新疆、内蒙西部、陕西、宁夏等西部煤矿
的建设和开采中,揭露的白垩系、侏罗系地层多是软
(a)新鲜岩块
(b)布满験缝(e)整体性被破坏(d)堆碎石
的岩块
弱岩体,其典型的工程力学特征是强度低、胶结差、
图1弱胶结泥岩的风化演变过程
易风化、遇水泥化。这种特性往往造成弱胶结软岩
Fig 1 Weathering evolution process of weakly
钻孔取芯率很低,取芯困难,很难通过室内试验掌握
cemented mudstone
其复杂的力学性质。所以这类软岩巷道支护目前还
软岩力学性质复杂多变,本构关系的确定非常困
缺乏基本力学依据,经常出现支护失效、塌方等工程难,国内外众多学者、工程技术人员为之探讨了
事故'2。究其原因主要是这类岩石力学性质不稳半个多世纪,取得大量有价值的研究成果,解决了许
定、本构关系非常复杂,而且对水非常敏感,图1中多工程问题。例如.何满潮等将工程地质学和非线
照片记录了内蒙古锡林郭勒盟鲁新煤矿第13煤层性力学相结合进行综合研究,确定了软岩的概念及分
顶板泥岩从岩石到土体的演化过程。其中,图1(a)类方法,提出了多种软岩本构模型及其参数确定方
是刚升井的新藓岩块,表面完整,肉眼看不到节理成法。李水盛等对红砂若、粉砂若和泥岩等不同岩性
裂隙;大约在地面经过一个多月的风化和雨淋就形的软岩进行了单轴压缩蠕变试验,取得了蠕变3个阶
成了图1(b)所示的表面布满隙缝的岩块,但裂缝的段的延续时间与岩性和所施加的应力水平之间的关
深度和开度都很小,没有形成贯通式裂缝,若块依旧系。张耀平等对金川有色金属矿软若进行流变试
完整;大约3个多月后,形成了图1(e)所示的表面验,探讨了软岩的黏弹塑性特征,提出了统一的三维
裂隙网并出现分层削离碎块,在风或重力作用下部非线性黏弹塑性流变本构模型,并将其应用于地下工
分碎块脱离了母岩块,原来的岩块整体性被破坏;一程的开挖分析中。陈从新等以红层软岩为研究对
年之后,图1(a)完整岩块就变成了图1(d)所示的象,通过室内三轴压缩试验和现场承压板压缩试验,
堆碎石。
建立了红层软岩流变本构模型。范秋雁等对南宁
收稿日期:2015-12-28;修回日期:2016-03-04
基金项目:国家自然科学基金项目(51404193);中国博土后基金面上项目(2015M572581);陕西省自然科学基金青年人才项目
(S20l5YFJQ1194)
作者简介:王磊(1982-),男,山东日照人,讲师,博士后,主要从事岩体力学理论与工程应用方面的研究,(电话)1377216177(电子信箱
wls3016@163.com
第8期
王磊等西部弱胶结泥岩的三轴压缩试验分析
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盆地泥岩进行了一系列单轴压缩无侧限蠕变试验和
有侧限蠕变试验,分析了泥岩蠕变过程中细观和微观
结构的变化,发现岩石的蠕变是岩石损伤效应与硬化
效应共同作用的结果,揭示了蠕变3个阶段的形成机
制和变形特性,建立了软岩的非线性蠕变模型。陈卫
忠等根据现场流变试验方法提出泥岩非线性经验
(a)现场钻取岩样
(b)加工后若样
幂函数型蠕变模型及其参数。另外王晓蕾、王来
图2弱胶结泥岩试件
贵等2、李栋伟等通过室内试验,建立了考虑损伤
Fig 2 Photos of weakly cemented mudstone sample
的流变本构模型。
验(び2=03),本次试验采用假三轴试验方法。试验
综上所述,目前关于弱胶结软岩的研究还较少,设备采用山东科技大学自行研发的三轴试验仪,如
而我国西部煤矿建设与生产迫切需要这方面的研究图3所示。
成果。为了探索这类弱胶结软岩的力学性质,揭示
应力ー应变规律和破坏机理,为巷道支护设计提供
理论指导,通过在测试矿区鲁新煤矿进行典型弱胶
结软岩取样,进行室内物理、力学性质试验,研究这
类岩石的典型力学性质。
(a)三轴试验仪
(b)三轴油压室
图3三轴压缩试验设备
2现场工程地质概况与取样
Fig 3 Equipment of triaxial compression test
2.1取样点工程地质概况
3.23种含水状态的泥岩三轴强度特征
测试矿区位于锡林郭勒盟乌拉盖管理区东北20
为了讨论弱胶结泥岩的强度特征和含水率对其
km,属中生代侏罗纪一自垩纪含煤构造体系,赋存于强度的影响,分别对饱和、天然和烘干3种含水状态
受各级构造控制的陆相含煤盆地中。可采煤层深度下的泥岩试件进行不同侧压条件下的三轴压缩试
范围内主要地层有二叠系包尔放包组(P)、侏罗系验,试验结果如表1所示。
查干诺尔组(J)、道特诺尔组(J)、布拉根哈达组表13种状态下泥岩试件在不同围压下的强度特征
(J'),含煤地层为大磨拐河组(K)。各组间均为不
Table 1 Strength characteristics of mudstone sample in
整合或假整合接触。含煤地层主要由细砾岩、粗砂
three moisture conditions under different confining pressures
岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层组成,自上而
含水量围压/峰值强度/残余强度/残余强度
状态
Mpa
峰值强度比值
下含第1-15煤层,巷道平均埋深244.45m;其中第
04.362.530.58
13煤层顶、底板岩性为泥岩和粉砂岩,顶、底板平均饱和
6,23
0.8
8.12
0.86
厚度分别为12.07m和7.49m,弱胶结泥岩的试验岩
10.16
0.85
样就取自于该煤层的底板。煤系上覆地层为新近系