冻融作用对条带状磁铁石英岩物理力学性能影响试验研究.pdf
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1、Series No.568October 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第568 期2023 年第 10 期收稿日期 2023-04-20基金项目 河北省重点研发计划项目(编号:22375403D)。作者简介 贾淯斐(1998),男,硕士研究生。通信作者 夏 冬(1981),男,副教授,博士。冻融作用对条带状磁铁石英岩物理力学性能影响试验研究贾淯斐1 夏 冬1,2,3 李富平1,2,3 苏浩然1 赵 雪1(1.华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063210;2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063210;3.河北省矿区生态恢复产业技术研究院,河北 唐山
2、 063210)摘 要 为研究冻融作用对条带状磁铁石英岩物理力学特性的影响,对条带状磁铁石英岩进行了矿物成分与结构分析,在对该岩石进行了最高 280 次的冻融循环试验后,展开了基于应变监测的单轴压缩试验。试验结果表明:条带状磁铁石英岩主要成分为石英和磁铁矿物,其结构致密,原生裂隙主要为贯穿条带分布;随冻融循环周期增加,岩样饱水质量、开口孔隙率和纵波波速呈阶段式变化;自干燥至冻融 280 次,岩样的单轴抗压强度、弹性模量分别下降了46.93%、61.98%,在冻融前、中期岩样单轴抗压强度、弹性模量下降最为显著;根据岩石变形特征获得不同冻融循环周期下岩样的应力特征值,岩样压密应力、起裂应力随冻融循
3、环周期的变化幅度最为显著,并结合其与峰值应力的占比变化情况,发现岩样在低、中荷载下其内部裂隙活跃程度与冻融循环周期存在较高的相关性。关键词 冻融作用 条带状磁铁石英岩 物理力学特性 应力特征值 中图分类号TD315 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-10-075-08DOI 10.19614/ki.jsks.202310011Experimental Research on the Physical and Mechanical Properties of Striped Magnetite Quartzite under Freeze-thaw EffectJIA Yuf
4、ei1 XIA Dong1,2,3 LI Fuping1,2,3 SU Haoran1 ZHAO Xue1(1.School of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China;2.Hebei Mining Development and Safe Technology Laboratory,Tangshan 063210,China;3.Hebei Industrial Technology Institute of Mine Ecological Remed
5、iation,Tangshan 063210,China)AbstractFor the purpose of researching the influence of freeze-thaw on the physical and mechanical properties of striped magnetite quartzite,mineral composition and structure analysis were conducted on the striped magnetite quartzite,and uniaxial compression tests based
6、on strain monitoring were carried out after freeze-thaw cycles of up to 280 cycles.The test re-sults showed that the striped magnetite quartzite is mainly composed of quartz and magnetite minerals,and its structure is dense,and the primary fractures are mainly distributed through the strip.The rock
7、sample saturation mass,open porosity and longitudinal wave velocity showed phase changes with increasing freeze-thaw cycles;The uniaxial compressive strength and e-lastic modulus of rock samples decreased from dryness to the 280th freeze-thaw cycle by 46.93%and 61.98%,the most signif-icant decrease
8、in uniaxial compressive strength and elastic modulus of rock samples before and in the middle of the freeze-thaw cycles;The stress characteristics of the rock samples under different freeze-thaw cycles were obtained based on the deformation characteristics of the rocks,and the most significant chang
9、es in the compressive stress and cracking stress with the freeze-thaw cycles of the rock samples,and combined with the changes in the percentage of their peak stress,it was found that there was a high correlation between the internal fracture activity and the freeze-thaw cycles of the rock samples u
10、nder low and medium loadings.Keywords freeze-thaw effect,striped magnetite quartzite,physical and mechanical property,stress characteristic value 随着国民经济的快速发展,冻寒区矿产资源价值日益凸显,但在冻寒区进行矿产资源开发时,必将面临由水、低温、高温差等恶劣环境所引起岩质边坡稳定性降低所带来的安全隐患1-2。在冻寒区中冻融劣57化作为主要的物理风化作用之一,其对岩体、土体的劣化过程普遍认为是在冰点温度上下反复变化过程中,孔隙水发生水冰相变,引起体积
11、膨胀产生冻胀力作用于裂隙结构,推动裂隙结构发育,并且有学者认为水的热迁移也会促进岩体、土体自身结构劣化3-4。因此在冻寒区进行矿产资源开发与工程建设时,对冻融作用下岩石物理力学性能方面的研究就显得尤为重要。国内外诸多学者在冻融作用下岩石物理力学性能以及劣化特征方面,进行了大量试验以及理论研究。张慧梅等5-6对砂岩、页岩开展了冻融循环试验和力学测试,发现了砂岩、页岩的抗压强度和弹性模量随冻融循环周期增加的衰减规律;彭成、吴安杰、宋彦琦等7-9分别对泥岩、白云岩、花岗岩在冻融循环作用下的物理力学特性进行了试验探究,试验表明了冻融作用下此类岩石力学参数呈指数衰减;MU 等10对冻融后的花岗岩、砂岩、
12、千枚岩进行了直剪试验,发现软岩和硬岩在冻融后其粘聚力、摩擦角的劣化情况存在显著差异;ZHOU 等11对冻融后砂岩展开了冲击载荷试验,发现冻融作用下砂岩的动态抗压强度、弹性模量退化程度与其自身裂隙结构存在密切联系;CHEN 等12研究表明当凝灰岩含水饱和度达到 70%以上时,冻融后其基本物理力学性能才会出现明显衰减,而且其破坏更容易发生于含水饱和度较高区域;刘海康和宋勇军等13-14通过研究不同含水率下冻融作用对砂岩的劣化影响,确定含水饱和度 60%作为砂岩冻融损伤劣化出现的临界点;刘向峰等15发现含层理缺陷的饱水岩石在遭受冻融作用后其质量、纵波波速的劣化程度最为显著;路亚妮等16发现砂岩各向异
13、性程度随冻融循环周期增加而有所加强。综上研究表明,冻融作用对岩石物理力学性能存在显著劣化影响,但冻融作用对岩石物理力学劣化规律、退化程度以及宏观劣化模式与岩石自身岩性、原生裂隙结构、构造等多方面因素有关,因此对于岩石在冻融作用下其性能劣化需基于实际工程背景进行针对性研究分析。本文选用研山铁矿东帮边坡的条带状磁铁石英岩为试验对象,进行最高为 280 次的冻融循环试验,对到达设定冻融周期的岩样进行基于应变监测的单轴压缩试验,分析不同冻融循环周期下条带状磁铁石英岩物理力学参数的变化规律,以期为后继岩质边坡稳定性分析提供基础数据。1 岩样分析及试验方案1.1 岩样采集、制备试验采用的条带状磁铁石英岩取
14、自于研山铁矿东帮边坡,该区域属于季节性冻融区,冬季最低温度可达-25,夏季最高温度可达 40,研山东帮边坡临近新河,地下水涌水量较大,边坡常年处于浸水状态。将现场所取岩块加工成直径为 50 mm,高为 100 mm 的标准圆柱试样,确保加工精度满足水利水电工程岩石试验规程17规范要求,加工后标准岩样示意如图 1 所示。图 1 岩块采集和岩样制备Fig.1 Rock block collection and rock sample preparation岩样制备完成后,筛掉表面存在明显缺陷的岩样,并采用 ZBL-U5100 非金属超声检测仪对剩余岩样进行波速测量,筛选出波速相近的 64 个岩样,
15、其目的是为减小岩样之间的差异性。在开展试验之前,对岩样基本物理参数进行测量与计算,如表 1 所示。表 1 岩样基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of rock samples试样干燥纵波波速/(m/s)饱水纵波波速/(m/s)含水率/%干密度/(g/cm3)饱和密度/(g/cm3)条带状磁铁石英岩4 1305 1000.3553.2553.2591.2 岩样成分、结构分析岩石是由多种矿物成分排列组合形成的矿物集合体,其矿物成分、排列方式以及裂隙结构的不同,均会引起岩石物理力学性能的改变18。由此通过偏光显微镜、X 射线衍射对条带状磁铁石英岩的矿物成
16、分、含量进行分析测试,并采用反射偏光显微镜对岩石原生裂隙分布进行观察。通过偏光显微镜对岩样矿物成分、分布情况在透镜、反镜下进行观察,并采用目估法对岩样矿物成分含量占比进行估算,如图 2 所示。条带状磁铁石英岩属于柱状粒状变晶结构,条带状构造,其主要成分为石英(55%)、铁闪石(10%)、斜长石(3%)、白云石(1%),金属矿物(30%)为磁铁矿和赤铁矿。石英是它形、粒状,颗粒间呈紧密的齿状镶嵌结构,聚集形成浅色条带;铁闪石是半自形、柱状,浅绿至淡绿色,斜消光,闪石解理,部分成分为镁铁闪石至铁闪石之间的过渡相,与磁铁矿聚集呈暗色条带;磁铁矿是灰带淡棕色,自形、粒状,聚焦呈条带状,沿其边部或裂隙呈
17、不同程度的赤铁矿化。石英聚集呈浅色条带,铁闪67总第 568 期 金 属 矿 山 2023 年第 10 期石与磁铁矿等聚集呈暗色条带,暗色条带与浅色条带相间分布呈条带状。图 2 条带状磁铁石英岩的矿物成分和分布Fig.2 Mineral composition and distribution of striped magnetite quartzite 通过 X 射线衍射试验(XRD)对条带状磁铁石英岩的主要成分进行鉴定,该岩石主要矿物成分是石英、铁闪石、磁铁矿、赤铁矿,与偏光显微镜观察所得结果相近,如图 3 所示。图 3 条带状磁铁石英岩的 XRD 衍射图Fig.3 XRD diffrac
18、tion pattern of striped magnetite quartziteG铁闪石;Q石英;H赤铁矿;M磁铁矿采用蔡司透反两用偏光显微镜对条带状磁铁石英岩的原生裂隙分布情况进行了观察分析。所制备的光片尺寸半径为 22 mm 高为 10 mm,双面抛光,高温烘干,试样如图 4 所示。将样品在反射光下放大 25 倍,发现矿物颗粒呈条带状聚集,其中亮白色为赤铁矿,围绕在一级灰白色磁铁矿周围,黑灰色基质为石英。该岩石矿物晶体颗粒较大且独立,连续性较差,镶嵌于石英基质之中。样品表面存在较多黑色斑点或黑色区域,对此解释为:微小尺寸的黑色斑点可能为岩样原生孔隙、缺陷,较大尺寸或黑色区域为样品在打
19、磨、抛光过程中造成图 4 光片样品以及干燥岩片裂隙分布走向(目镜物镜=102.5)Fig.4 Light sheet samples and fracture distribution orientation of dry rock fragments(eyepieceobjective=102.5)的部分矿物颗粒断裂、脱落,在基质表面留下坑迹或不平整晶体表面。其次,岩样表面裂隙普遍是横穿条带分布。根据上述现象初步推测:第一,条带状构造与层状构造下岩石矿物颗粒排列分布、聚集方式和胶结方式存在明显差异,因此不可简单将层状岩石破裂机制与条带状磁铁石英岩等同;第二,通过观察裂隙分布情况,条带状磁铁石
20、英岩破裂模式可能多为穿晶、沿晶拉伸或混合拉剪式的脆性破坏。1.3 试验方案(1)冻融循环试验。采用 CLD 型全自动低温冻融试验机进行冻融循环实验,按照水利水电工程岩石试验规程的冻融试验规定以及结合研山气候特77 贾淯斐等:冻融作用对条带状磁铁石英岩物理力学性能影响试验研究 2023 年第 10 期征,设定冻结温度为-20,融化温度为 20,冻结、融化各为 6 h,每 12 h 为一次冻融循环。设定最长冻融循环周期为 280 次,分别进行 0 次(A 组)、10 次(C组)、20 次(D 组)、40 次(E 组)、70 次(F 组)、100 次(G 组)、130 次(H 组)、180 次(I
21、组)、230 次(J 组)和 280 次(K 组)冻融循环,每次冻融循环之后观察岩样表面是否有明显矿物颗粒脱落、裂隙生成或者条带颜色变化,并记录岩样饱和质量、干燥质量和纵波波速,持续循环操作直至最后一次冻融循环,冻融循环周期分布如图 5 所示。图 5 冻融循环周期分布Fig.5 Distribution of freeze-thaw cycles (2)单轴压缩实验。采用 TAW-3000 微机控制电液伺服岩石三轴试验机对达到设定冻融循环周期的岩样进行单轴压缩试验,并使用 DH3816 静态应变仪对荷载作用下岩样变形情况进行实时监测。预加载试验,以速率为 300 N/s 加载至 1 kN,等待
22、荷载稳定后,转换为位移加载,以 0.08 mm/min 加载至岩样破裂失去承载能力,在进行位移加载的同时,打开静态应变测试系统收集岩样变形数据。2 试验结果分析2.1 冻融作用下条带状磁铁石英岩基本物理参数演化规律2.1.1 饱水质量变化规律测量每个冻融循环次数下 K 组岩样的饱水质量,并绘制其随冻融循环周期变化分布图,如图 6 所示。图 6 中 K 组 5 个岩样饱水质量随冻融循环周期增加的变化趋势较为相近,在冻融循环 0 20 次,K组岩样的饱水质量分别下降了 0.46、0.23、0.22、0.37、0.47 g;在冻融循环 20130 次,K组岩样的饱图 6 岩样饱水质量随冻融循环周期变
23、化点线图Fig.6 Point line diagram of the variation of rock sample saturation quality with freeze-thaw cycle水质量分别上升了 0.69、0.56、0.62、0.57、0.53 g;在冻融循环 130280 次数,K 组岩样的饱水质量分别下降了 0.24、0.41、0.28、0.15、0.26 g。K 组岩样的饱水质量随冻融循环周期增加均呈先降再升后降的变化趋势。基于此种现象进行分析,在冻融循环初期,岩样质量略微下降可能是由于岩样自身某些矿物成分与水发生反应,或为较大原生裂隙的扩张导致少量颗粒剥脱;在
24、冻融循环中期,岩样质量逐渐上升可能是因岩样表面裂隙在冻胀作用下逐渐向其内部延伸,与岩样内部原生闭口裂隙、孔隙相连,使得自由水被吸入,填补了原生闭口孔隙空间位置,相对增加了岩样质量;在冻融循环后期,岩样质量有所下降可能是由于岩样在长期冻融循环作用下其浅层裂隙结构发育,表面矿物颗粒逐渐脱落所引起。2.1.2 开口孔隙率变化规律通过式(1)计算岩样的开口孔隙率 n0,获得岩样87总第 568 期 金 属 矿 山 2023 年第 10 期开口孔隙率 n0随冻融循环周期的分布情况,如图 7所示。n0=Vv0V 100%=1-dWaw()100%,(1)式中,Vv0为开口孔隙体积,cm3;V 为试件体积,
25、cm3;d为试件干密度,cm3;w为水的密度,取 w=1 g/cm3;Wa为岩样的吸水率,%。图 7 冻融作用下条带状磁铁石英岩开口孔隙率散点图Fig.7 Scatter plot of open porosity of striped magnetite quartzite under freeze-thaw action 由图 7 可知,岩样开口孔隙率随冻融循环周期增加呈非线性增长,岩样开口孔隙率在冻融循环 280 次时相较于饱水状态平均增长了 83.38%,其增长速率在冻融前、中期较为显著。结合岩样饱和质量的变化趋势发现,前期冻融 020 次岩样开口孔隙率增长缓慢,饱和质量呈降低趋势;中
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