粉砂質(zhì)泥巖體積蠕變特性試驗(yàn)研究

于懷昌，劉激烈，王碩楠，劉艷剛，唐茂軍

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045;2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610081;3.河南省地質(zhì)工程勘察院，河南 鄭州 450001;4.西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院成都分院，四川 成都 610045)

巖石體積蠕變及體積擴(kuò)容現(xiàn)象是巖石、尤其是軟巖所具有的一種特性，同時(shí)也是巖石流變力學(xué)特性研究的重要內(nèi)容之一.目前，關(guān)于巖石體積蠕變特性，尤其是三向應(yīng)力狀態(tài)下的體積蠕變特性的研究成果還較少［1－3］.因此，筆者采用RLJW－2000 型巖石三軸流變伺服儀，對(duì)粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果，研究巖石蠕變過(guò)程中體積蠕變、體積蠕變速率的變化規(guī)律，以期豐富和完善巖石流變力學(xué)理論，為巖石蠕變破裂失穩(wěn)的研究提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)于保障工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定與安全運(yùn)營(yíng)具有重要的意義［4－7］.

1 巖石基本物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)所用粉砂質(zhì)泥巖取自三峽地區(qū)巴東組二段弱—微風(fēng)化的粉砂質(zhì)泥巖層.對(duì)粉砂質(zhì)泥巖的基本物理水理性質(zhì)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定，其物理水理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1.

依據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)規(guī)程制作圓柱形巖石試樣［8］，試樣尺寸 φ50 mm×100 mm.采用真空抽氣飽和法，將試樣飽水24 h 后作為飽和試樣用于巖石常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)以及三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn).

表1 粉砂質(zhì)泥巖的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)

采用TAWA－2000 巖石三軸壓力試驗(yàn)機(jī)，對(duì)飽和粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行常規(guī)單軸、三軸壓縮試驗(yàn)，采用軸向應(yīng)變控制，加載速率為0.01 mm/s.粉砂質(zhì)泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度為11.96 MPa，1 MPa 圍壓下粉砂質(zhì)泥巖的峰值抗壓強(qiáng)度為26.63 MPa.

2 蠕變?cè)囼?yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果

三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)在河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，儀器采用RLJW－2000 巖石三軸、剪切流變伺服儀，儀器性能滿足巖石蠕變?cè)囼?yàn)要求［9］.

蠕變?cè)囼?yàn)采用分級(jí)加載方法，試驗(yàn)圍壓1 MPa.將1 MPa 圍壓下常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)得到的粉砂質(zhì)泥巖試樣抗壓強(qiáng)度的75%～85%作為蠕變?cè)囼?yàn)中擬施加的荷載，在巖石試樣上分級(jí)施加.當(dāng)試樣變形增量小于0.001 mm/d 時(shí)，則認(rèn)為巖石蠕變已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以施加下一級(jí)荷載.當(dāng)試樣發(fā)生蠕變破壞后，試驗(yàn)停止.試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，數(shù)據(jù)采集頻率以及室內(nèi)溫度、濕度的設(shè)置參考文獻(xiàn)［9］.

此次蠕變?cè)囼?yàn)，共施加9 級(jí)軸向荷載，圖1 為試驗(yàn)得到的巖石分級(jí)加載蠕變曲線.曲線上的不同數(shù)值表示軸向應(yīng)力水平值.

圖1 粉砂質(zhì)泥巖分級(jí)加載的蠕變曲線

3 體積蠕變規(guī)律

體積應(yīng)變不能直接由試驗(yàn)測(cè)得，可按下式計(jì)算，

式中:εv為體應(yīng)變;ε1為軸向應(yīng)變;ε3為徑向應(yīng)變;各應(yīng)變的符號(hào)以壓為正、拉為負(fù).

基于巖石的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果，根據(jù)式(1)計(jì)算得到粉砂質(zhì)泥巖體積蠕變曲線，如圖2所示.

圖2 粉砂質(zhì)泥巖體積蠕變曲線

由圖2 可知，巖石的體積應(yīng)變可以劃分為瞬時(shí)應(yīng)變與蠕應(yīng)變2 部分.前8 級(jí)應(yīng)力水平下，體積蠕變曲線可分為衰減蠕變與穩(wěn)定蠕變2 個(gè)階段.在第9級(jí)應(yīng)力水平下，體積蠕變曲線可以劃分為衰減蠕變、穩(wěn)定蠕變、加速蠕變3 個(gè)階段.巖石體積應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系要比軸向應(yīng)變以及徑向應(yīng)變隨時(shí)間變化的關(guān)系復(fù)雜.在每級(jí)應(yīng)力水平下，體積蠕變曲線都表現(xiàn)出一定程度的波動(dòng)，說(shuō)明與軸向應(yīng)變、徑向應(yīng)變相比，巖石的體積應(yīng)變可以更準(zhǔn)確地反映出試樣承載力隨時(shí)間增加而不斷損傷弱化的過(guò)程.

由圖2 還可以看出，隨著時(shí)間的增加，粉砂質(zhì)泥巖體積應(yīng)變呈現(xiàn)非線性變化過(guò)程:巖石體積壓縮、應(yīng)變?cè)黾拥綉?yīng)變逐漸減小再到擴(kuò)容.當(dāng)應(yīng)力水平為3 MPa時(shí)，體積蠕變曲線變化較小.隨應(yīng)力水平增加，粉砂質(zhì)泥巖被壓縮，體積應(yīng)變?cè)黾?，但增加速率較小.從3 MPa 到9 MPa 歷時(shí)373.3 h，體積應(yīng)變由0.069%增加至0.093%，此時(shí)體積壓縮應(yīng)變達(dá)最大值，之后體積應(yīng)變開(kāi)始逐漸減小，表明應(yīng)力水平9 MPa是試樣從以軸向壓縮變形為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詮较蚺蛎涀冃螢橹鞯呐R界應(yīng)力.當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)15 MPa時(shí)，試樣體積應(yīng)變從0.014%迅速減小至0%，之后變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)巖樣發(fā)生反向擴(kuò)容，因此，15 MPa 應(yīng)力水平是粉砂質(zhì)泥巖體積產(chǎn)生擴(kuò)容的臨界應(yīng)力.與軸向應(yīng)變相比，徑向應(yīng)變?cè)黾铀俣瓤?，因此巖樣體積隨著時(shí)間的增加發(fā)生持續(xù)擴(kuò)容.在191.23 h 內(nèi)由0%減小為－0.52%，反向增加0.52%，此時(shí)試樣體積呈增加趨勢(shì).但在19.8 MPa 應(yīng)力水平下，巖石體積變形幾乎以與體積應(yīng)變軸平行的增長(zhǎng)趨勢(shì)加速蠕變，發(fā)生瞬間破壞，體積擴(kuò)容，體積應(yīng)變達(dá)－0.696%，這一應(yīng)變值是體積壓縮應(yīng)變最大值的7.48 倍，體積擴(kuò)容效應(yīng)非常明顯.

4 體積蠕變速率規(guī)律

計(jì)算圖2 中各時(shí)刻體積蠕變曲線的斜率，可得到不同應(yīng)力水平下粉砂質(zhì)泥巖體積蠕變速率曲線.為清晰起見(jiàn)，這里僅分析第8 級(jí)、第9 級(jí)應(yīng)力水平下體積蠕變速率曲線，如圖3 所示.

圖3 粉砂質(zhì)泥巖體積蠕變速率曲線

從圖3 中可以看出，與體積蠕變階段相對(duì)應(yīng)，在第8 級(jí)應(yīng)力水平(17.7 MPa)下，粉砂質(zhì)泥巖體積蠕變速率可以劃分為初始蠕變速率與穩(wěn)態(tài)蠕變速率2個(gè)階段.初始蠕變速率階段:隨時(shí)間的增加，體積蠕變速率快速衰減至一個(gè)恒定值;穩(wěn)態(tài)蠕變速率階段:體積蠕變速率隨時(shí)間的增加基本保持不變.在第9級(jí)應(yīng)力水平(19.8 MPa)下，出現(xiàn)加速蠕變速率階段，隨時(shí)間的增加，體積蠕變速率迅速增大，巖樣發(fā)生蠕變破裂.

在第8 級(jí)應(yīng)力水平下，在初始蠕變速率階段的0.5 h 內(nèi)，體積蠕變速率由4.29 ×10－4mm/h 減小為4.48 ×10－5mm/h，之后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變速率階段;在第9 級(jí)應(yīng)力水平作用下，初始蠕變速率階段粉砂質(zhì)泥巖的體積蠕變速率迅速增加，在0.8 h 內(nèi)增加至6.07 ×10－4mm/h，之后又迅速減小，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變速率階段，速率保持在1.85 ×10－5mm/h 左右，在770 h 處進(jìn)入加速蠕變速率階段，體積蠕變速率迅速增加，導(dǎo)致巖樣發(fā)生破裂.

5 結(jié)語(yǔ)

1)粉砂質(zhì)泥巖體積蠕變曲線可劃分為衰減蠕變、穩(wěn)定蠕變及加速蠕變3 個(gè)蠕變階段.與體積蠕變階段相對(duì)應(yīng)，體積蠕變速率曲線也可劃分為初始蠕變速率、穩(wěn)態(tài)蠕變速率及加速蠕變速率3 個(gè)階段.

2)應(yīng)力水平9 MPa 是粉砂質(zhì)泥巖從以軸向壓縮變形為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詮较蚺蛎涀冃螢橹鞯呐R界應(yīng)力，應(yīng)力水平15 MPa 是粉砂質(zhì)泥巖體積產(chǎn)生擴(kuò)容的臨界應(yīng)力.

3)加速蠕變階段，巖石體積蠕變量、體積蠕變速率增加非常迅速，從而使巖石的破裂具有突變性，不易控制.在工程中應(yīng)對(duì)這一現(xiàn)象引起足夠的重視.

［1］楊圣奇，劉相如.不同圍壓下斷續(xù)預(yù)制裂隙大理巖擴(kuò)容特性試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(12):2188－2197.

［2］楊圣奇.巖石流變力學(xué)特性的研究及其工程應(yīng)用［D］.南京:河海大學(xué)，2006.

［3］王安明.層狀鹽巖變形機(jī)理及非線性蠕變本構(gòu)模型［D］.武漢:中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢巖土力學(xué)研究所)，2008.

［4］黃志全，陳賢挺，姜彤，等.小浪底水庫(kù)1#滑坡體非飽和土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(3):640－644.

［5］黃志全，陳宇，宋日英，等.三門(mén)峽地區(qū)黃土狀粉質(zhì)黏土非飽和性質(zhì)試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31(6):1759－1762.

［6］黃志全，吳林峰，王安明，等.基于原位剪切試驗(yàn)的膨脹土邊坡穩(wěn)定性研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29(7):1764－1768.

［7］王俊，李小雄，王常敏.水電工程高邊坡變形機(jī)理與工程治理［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23(4):26－29.

［8］International Society for Rock Mechanics.Suggested methods for determining the strength of rock material in triaxial compression［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1978，15(2):47－51.

［9］于懷昌，李亞麗，劉漢東.粉砂質(zhì)泥巖常規(guī)力學(xué)、蠕變以及應(yīng)力松弛特性的對(duì)比研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(1):60－70.