［收稿日期］２０２１－０１－２２
［基金项目］皖江工学院２０２０年校级科研项目“视频获取与处理在实验测量中的研究与应用”（项目编号：ＷＧ２１０２１）。［作者简介］韩财宝（１９８４－），男，河北沧州人，讲师，主要研究方向为固体物理、岩石力学。 韩财宝，朱 婷，王春霞
（皖江工学院基础部，安徽马鞍山２４３０００）
［摘要］为了深入探究岩石物理力学性质，选取红砂岩作为试验材料，以冻融循环次数、围压作为研究指标，通过设计影响因素测试试验，探究这两项指标对岩石性能的影响。试验测试结果表明，围压、冻融循环次数两项影响因素对岩石的三轴抗压强度、弹性模量均有较大影响，力学性能变化显著。 ［关键词］物理力学性质；围压；冻融循环
［中图分类号］Ｏ３６９ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１６７１－５３３０（２０２１）０２－００１３－０４
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
５０ｍｍ×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６
０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
测试指标
冻融次数
０５１０２０４０岩石质量（ｇ）３８５４０７４１０４００３６２
岩石密度
（ｇ／ｃｍ３）
２．０２８２．０８７２．１１２２．１０３２．１０５岩石波速
（ｍ／ｓ）
１４７５１１５０１０５０９８２７６５
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
冻融次数
不同围压条件下的
岩石强度统计结果（ＭＰａ）
０２４６０４．５１４．８１９．０２５．１
５４．１１３．２１８．７２４．７
１０４．０１２．５１８．２２４．１
２０３．３１１．３１７．２２３．７
４０３．１１０．８１６．５２１．５
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
４
真空抽气机组１安阳师范学院学报 ２０２１年
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
三轴抗压强度的影响统计结果
围压（ＭＰａ）
不同冻融次数下的
岩石强度统计结果（ＭＰａ）
０次５次１０次２０次４０次
０４．６４．１３．８３．４３．２
２１５．０１３．２１２．７１１．９１１．６
４１９．８１８．９１８．６１８．０１７．７
６２５．１２４．２２２．８２２．３２１．１
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
冻融次数
不同围压条件下的
弹性模量统计结果（ＭＰａ）
０２４６
０１．２８１．３８１．６１１．６２５０．９７１．２６１．４０１．５１１００．８６１．１８１．２４１．２５２００．５４０．８８１．０７１．２４４００．３００．７２０．９１０．９３
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
围压（ＭＰａ）
不同冻融循环次数下的
弹性模量统计结果（ＧＰａ）
０次５次１０次２０次４０次０１．２６０．８４０．７８０．５７０．５８
２１．４０１．３２１．１８０．９７０．８２
４１．６３１．４８１．３５１．１２１．０３
６１．６５１．５７１．３７１．３２１．０５
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。
［参考文献］
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５
１
第２期 韩财宝，朱婷，王春霞：冻融循环与围压对岩石物理力学性质影响研究
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性黄土的力学特性试验研究［Ｊ］．土木工程学报，２０１９，５２（１）：２１６－２２２．
ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＦｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗＣｙｃｌｅｓａｎｄＣｏｎｆｉｎｉｎｇＰｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅＰｈｙｓｉｃａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐ
ｅｒｔｉｅｓｏｆＲｏｃｋｓ
ＨＡＮＣａｉｂａｏ，ＺＨＵＴｉｎｇ，ＷＡＮＧＣｈｕｎｘｉａ
（ＢａｓｉｃＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＷａｎｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａ’ａｎｓｈａｎ２４３０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｏｃｋｓｉｎｄｅｐｔｈ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｅｌｅｃｔｓｒｅｄｓａｎｄｓｔｏｎｅａｓｔｈｅｔｅｓｔｍａｔｅｒｉａｌ，ｔａｋｅｓｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓａｎｄｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ，ａｎｄｅｘｐｌｏｒｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｅｔｗｏｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｎｔｈｅｒｏｃｋｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｅｘ ｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｂｏｕｔｔｅｓｔｉｎｇｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｆｉｎｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗｃｙｃｌｅｓｈａｖｅａｇｒｅａｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓｏｆｔｈｅｒｏｃｋ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｈａｖｅｃｈａｎｇｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．
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