摘要
在液氮压裂、液化天然气（LNG）地下储存和极地建设等工程中，围岩处于超低
温环境中，所以岩石在极低温度条件下的力学响应对工程的安全稳定性极其重要，因
此需要对超低温环境下岩石力学性能和微观结构的演化规律进行研究。
本文研究了四川自贡砂岩在不同温度（-30~-180℃）超低温条件下和超低温冻
融后的力学性能，以及不同饱和度（0~100%）在-120℃低温下的力学性能。研究结
果表明，在超低温条件下，干燥砂岩和饱和砂岩的单轴抗压强度都随着温度降低而提
高，这主要原因是温度越低砂岩骨架的强度越高且冰的胶结作用越强，干燥试样的破
坏模式比饱和试样更为复杂。对于冻融后的试样，由于水软化作用和水-冰相变过程
中引起的损伤，干燥和饱和砂岩的抗压强度整体上都随着冻融温度降低而减小，只在
-60~-120℃由于孔隙的填充，强度稍有提高。饱和度对砂岩超低温下力学性能的影
响表现为，单轴抗压强度、弹性模量和脆性指数随饱和度的增加而降低，这主要是因
为水含量的增加使得水冰相变对孔隙周围岩石基质的破坏增大。
在超低温条件下，干燥砂岩的抗拉强度由于冷缩应力表现为随温度降低而减小，
而饱和砂岩抗拉强度随温度降低而提高，因为在连通孔隙中形成的冰网显著提高了试
件的抗拉强度；超低温冻融后的干燥和饱和砂岩抗拉强度和抗压强度的变化规律相同；
超低温条件下，抗拉强度随饱和度的增加而增加，因为水分增多加强了冰网效应。
通过NSCB试样三点弯试验对超低温状态下岩石断裂韧性随温度的变化规律和
试样的破坏特征进行了研究，并用数字图像相关技术（DIC）对三点弯NSCB试件断
裂过程进行监测。结果表明，超低温状态下干燥砂岩的断裂韧性变化不大，而饱和砂
岩的断裂韧性随着温度降低逐渐提高，原因是冰对矿物颗粒的胶结作用随温度降低逐
渐增强。通过DIC图像分析裂隙扩展特征，发现干燥和饱和砂岩随着温度的降低，裂
隙尖端周围峰值应变增大，裂隙扩展时间逐渐缩短。
通过计算机断层扫描（CT）检测饱和试样冻融前后的微观孔隙结构变化发现，所
有试样的孔隙率均大幅度降低，饱和试样在-120℃冻融后孔隙率的降低幅度比-60℃
和-180℃时大，通过电子显微镜扫描分析了超低温处理后岩石孔隙缺陷的变化等微观
特征，观察到孔隙和裂隙的增多以及填充现象。
本文通过力学试验和微观试验研究了超低温对砂岩力学性能和微观结构的影响，
对涉及液氮、液化气的岩土地下工程具有一定的指导意义。
关键词：超低温；砂岩；力学性能；断裂韧性；数字图像相关法；微观结构
I
II
ABSTRACT
Inprojectssuchasliquidnitrogenfracturing,liquefiednaturalgas(LNG)underground
storageandpolarconstruction,thesurroundingrockisinanultra-lowtemperature
environment,sothemechanicalresponseoftherockunderextremelylowtemperature
conditionsisextremelyimportantforthesafetyandstabilityoftheproject,sotheevolution
lawofrockmechanicalpropertiesandmicrostructureunderultra-lowtemperature
environmentneedstobestudied.
Inthispaper,themechanicalpropertiesofZigongsandstoneinSichuanprovinceat
differenttemperatures(-3