低應力條件下水對斜長巖蠕變性能的影響

李江騰，郭群，曹平，林杭，張向陽，趙延林

(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭，411201)

在巖土工程安全性的諸多影響因素中，水是最活躍的因素，很多地質災害如滑坡、泥石流、巖溶塌陷、水庫誘發(fā)地震、地面沉降等，其本質上都是水量、水流速、水力坡度、水化學成分等發(fā)生變化，引發(fā)水?巖相互作用類型、速度或規(guī)模發(fā)生改變，從而導致巖土體失去與其周圍環(huán)境的平衡發(fā)生災變[1]。巖石遇水發(fā)生軟化，弱化了巖石的物理力學參數(shù)，降低了巖土工程的穩(wěn)定性。而隨著時間的推移，孔隙水可以四處擴散，水對巖石蠕變參數(shù)的影響就逐漸體現(xiàn)出來；因此，研究在飽水狀態(tài)下流變特性的影響具有十分重要的意義。關于水對巖石蠕變特性的影響，Okubo等[2]對凝灰?guī)r和安山石受單軸壓縮載荷時飽和水和風干 2種狀態(tài)下的應力、應變及蠕變特性進行了試驗研究；Xie等[3]研究了白堊巖在飽和水條件下的彈塑性特性；Wawersik等[4]通過試驗發(fā)現(xiàn)花崗巖和砂巖與時間有關的變形隨含水量的增大而增大，在單軸應力狀態(tài)下，干試件和飽水試件的穩(wěn)態(tài)蠕變率相差大約 2個數(shù)量級；朱合華等[4]以任胡嶺隧道工程勘探巖樣為研究對象，通過巖石的室內單軸壓縮蠕變試驗，研究了不同含水狀態(tài)下巖石的蠕變力學性能；高俊麗等[5]研究了節(jié)理巖體在水飽和情況下，研究了飽和水對巖石長期強度、流變速率和變形量的影響；黃小蘭等[6]以大慶泥巖為研究對象，進行不同含水條件下的強度試驗和蠕變試驗，分析含水量變化對泥巖強度、彈性模量等基本力學參數(shù)以及蠕變特性的影響；李鈾等[7]對風干與飽水狀態(tài)下花崗巖單軸流變特性進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)飽水后花崗巖長期強度明顯降低及流變速率和變形量明顯增大。在此，本文作者利用RYL?600微機控制巖石剪切流變儀，采用分級增量循環(huán)加卸載方式，對甘肅金川有色金屬公司Ⅱ礦區(qū)斜長巖在風干和飽和水2種條件下進行單軸壓縮蠕變試驗，獲得相應的蠕變試驗曲線。以試驗為依據(jù)，探討飽和水對斜長巖的蠕變特性的影響。

1 蠕變試驗

1.1 試驗方法

巖石蠕變試驗在中南大學巖土力學流變試驗室進行。試驗儀器為：采用長春朝陽公司生產的RYL-600微機控制巖石剪切流變儀，該流變儀主要用于巖石和巖石弱面的流變試驗或巖石直剪、單軸壓縮、巖石雙向壓縮等試驗，主機組合門式框架結構由軸向力加載框架、橫向力加載框架、控制柜、吊車等組成。本試驗用到的軸向力加載框架主要由機座、滾珠絲杠副、動橫梁、固定橫梁及軸向升降裝置組成，并選用日本松下全數(shù)字交流伺服高速系統(tǒng)；控制系統(tǒng)采用進口原裝德國DOLI全數(shù)字伺服控制器。

蠕變試驗的加載方式通常有單級加載、分級增量和分級增量循環(huán)加、卸載方式，本試驗采用分級增量循環(huán)加卸載方法[8]，如圖1所示。該方法吸取了分級增量加載方式的優(yōu)點，克服了其缺點。在試驗過程中可觀測到巖石的滯后彈性恢復，測得其殘余變形，能全面地反映巖石蠕變曲線的加、卸載過程，為巖石流變力學模型的建立和模型參數(shù)的確定提供完整的試驗數(shù)據(jù)。各分級加載的載荷增量視試驗過程來定，初始增量為10 kN，臨近試樣參考強度后載荷增量相應減少，初始加載和分級階段卸載速率分別為300 N/s和1 000 N/s。各級荷載所持續(xù)的時間根據(jù)試件的應變速率變化情況予以確定，即當試樣的軸向變形在2 d內小于0.01 mm時，認為其變形基本穩(wěn)定[9?10]，則完全卸載，觀測其滯后黏彈性恢復；當觀測到24 h內無滯后恢復時，再進行下一級荷載的循環(huán)。依此類推逐級進行，直至試件最終破壞為止。

圖1 分級增量循環(huán)加、卸載方式Fig.1 Circular incremental step load and unload

1.2 試樣制備

本試驗巖樣取自金川Ⅱ礦區(qū) ZK06鉆孔礦巖巖芯，經高精度切割、磨平，加工成50 mm×100 mm(直徑×長度)的標準試樣。試樣端面平整度和側面平整度控制在0.03 mm以內，試樣中心線與端面的垂直度誤差小于0.25°，干燥巖樣放入烘干機內在105 ℃高溫下烘2 d，飽和巖樣在水中浸泡7 d。

2 結果分析與比較

2.1 2種狀態(tài)下的加載蠕變曲線比較

對試樣進行循環(huán)加卸載蠕變實驗，并對試驗數(shù)據(jù)加以處理繪制成圖。加載瞬間，巖石發(fā)生瞬時彈性響應，隨后，產生隨時間而增大的蠕變變形。蠕變變形的速率隨時間而逐漸趨緩，當達到一定時間后，變形不再增大，巖石的最終變形趨向于一個穩(wěn)定值。圖2～4所示為典型試件在不同載荷等級下的蠕變曲線。

從圖2～4可知：在低應力下，斜長角閃巖在2種狀態(tài)下的蠕變曲線一直很平穩(wěn)，但是，飽和水試樣的蠕變曲線位于干燥試樣蠕變曲線的上方，其原因是：水一方面溶解了礦物質，使孔隙加大；另一方面，水存在于巖石顆粒之間，使它們的接觸面更加光滑、更不牢靠，因此，在同等應力下飽和巖樣的變形會增大。由于本次試驗在低應力下進行，巖樣只產生穩(wěn)態(tài)蠕變，沒有加速蠕變。

圖2 σ=25.48 MPa時2種狀態(tài)典型巖樣蠕變曲線Fig.2 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=25.48 MPa

圖3 σ=45.86 MPa時2種狀態(tài)典型巖樣蠕變曲線Fig.3 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=45.86 MPa

圖4 σ=66.24 MPa時2種狀態(tài)典型巖樣蠕變曲線Fig.4 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=66.24 MPa

2.2 流變速率的比較

由測試的數(shù)據(jù)得到典型試樣在不同載荷下的蠕變速率曲線，見圖5～7。

從圖5～7可知：在飽和水和干燥2種狀態(tài)下的蠕變速率曲線都經過衰減和穩(wěn)定階段，但干燥條件下蠕變速率曲線位于飽和水下方，說明干燥狀態(tài)比飽和狀態(tài)達到穩(wěn)定階段(蠕變速率為0)所經歷的時間要短，其原因是飽和狀態(tài)需要一個排水過程。

2.3 瞬時彈性應變和瞬時彈性模量

巖樣加載時均產生一定量的瞬時彈性應變，瞬時彈性反應程度可以通過瞬時彈性模量來反映。將每級荷載下的瞬時應力與瞬時彈應變的比值定義為瞬時彈性模量。表1中瞬時彈性應變?yōu)閷崪y值，各級載荷下瞬時彈性模量E的關系見圖8，各級載荷下瞬態(tài)應力與應變關系σ?ε(t=0時)曲線見圖9。

圖5 σ=25.48 MPa時2種狀態(tài)典型巖樣蠕變速率曲線Fig.5 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=25.48 MPa

圖6 σ=45.86 MPa時2種狀態(tài)典型巖樣蠕變速率曲線Fig.6 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=45.86 MPa

表1 各級應力狀態(tài)下的瞬時彈性應變和瞬時彈性模量Table1 Instantaneous elastic strain and modulus under different stresses

圖7 σ=66.24 MPa時2種狀態(tài)典型巖樣蠕變速率曲線Fig.7 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=66.24 MPa

圖8 各級載荷下瞬時彈性模量E與應變的關系Fig.8 Relationship between instantaneous elastic modulus and stress

圖9 t=0時σ?ε曲線Fig.9 Stresses?strain curves when t=0 h

從表1和圖8可以看出：瞬時彈性模量有隨應力增加而增加的趨勢。其原因是巖石在很低應力下內部微裂隙壓密閉合；在同一應力下，2種狀態(tài)的瞬時彈性模量不同，飽和水的瞬時彈性模量低于干燥條件下的瞬時彈性模量，即飽和水的作用使得試樣的瞬時彈性模量降低。

3 結論

(1)水影響巖石的變形。在同一應力下，含飽和水試件的蠕變曲線位于干燥試樣蠕變曲線上方，即在相同載荷下產生相應的變形要大，表明水能加速變形。

(2)水影響巖石達到穩(wěn)定蠕變階段的時間。在同一應力水平下，含飽和水試件的蠕變速率曲線位于干燥試樣蠕變速率曲線上方，飽和狀態(tài)試樣達到穩(wěn)定階段所經歷的時間比干燥狀態(tài)試樣的時間要長。

(3)水影響巖石瞬時彈性變形模量。低應力時瞬時彈性模量隨應力增加而增加，且飽和水使得巖石的瞬時彈性模量降低。

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