水巖作用下露天坑邊坡巖石蠕變試驗分析

秦 哲，付厚利，程衛(wèi)民,于巖斌

(1.山東科技大學 a.礦山災害預防控制重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地；b.礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590；2.臨沂大學 建筑學院，山東 臨沂 276000)

水巖作用下露天坑邊坡巖石蠕變試驗分析

秦 哲1a,1b，付厚利2，程衛(wèi)民1a,1b,于巖斌1a,1b

(1.山東科技大學 a.礦山災害預防控制重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地；b.礦業(yè)與安全工程學院，山東 青島 266590；2.臨沂大學 建筑學院，山東 臨沂 276000)

為了探究水位升降對邊坡長期穩(wěn)定的影響，選取萊州倉上露天坑邊坡巖石，對經(jīng)歷不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)的巖樣進行了三軸蠕變試驗。通過分析SγJH蠕變應變-時間曲線及蠕變速率曲線，探究邊坡巖石經(jīng)歷飽水-失水循環(huán)作用后的蠕變性質(zhì)變化。進一步利用電鏡對經(jīng)歷不同循環(huán)次數(shù)的SγJH巖樣進行掃描，從細微觀角度分析了水巖作用對礦坑邊坡巖石損傷機理。結(jié)果表明：隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加，相鄰循環(huán)次數(shù)下的SγJH軸向蠕變應變最多提高31%，側(cè)向提高33%；SγJH-15后瞬時彈性應變較SγJH-0提高了54.3%，相鄰荷載等級下蠕變應變提高24.3%，蠕變總應變可達到三軸壓縮極限應變的80%以上。經(jīng)歷飽水-失水循環(huán)后，SγJH穩(wěn)態(tài)蠕變速率不再為0，而是隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加不斷提高，SγJH-15第5級荷載作用下穩(wěn)態(tài)流變速率達到29.2×10-6/h；在施加各級軸向荷載的瞬時，初期蠕變速率加速度亦有所提升。水巖作用下巖石力學性質(zhì)變化機理研究方面，由于SγJH內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，在飽水-失水循環(huán)作用下巖樣發(fā)生微觀弱化和破裂，使得原有的應力平衡被打破，從而造成巖石變形曲線產(chǎn)生了不規(guī)則波動和突變。

水巖作用；露天礦坑；巖石力學；蠕變試驗；蠕變規(guī)律

1 研究背景

蠕變是指保持應力不變的條件下，巖石應變隨時間延長而增加的現(xiàn)象。水作為巖石蠕變重要影響因素，對巖體物理狀態(tài)和受力特性的改變非常顯著，巖體周期飽水-失水造成的巖性劣化過程是一個效應累積的水巖作用損傷過程，對水巖作用下巖石的蠕變試驗研究分析，邊坡巖土體的穩(wěn)定性評價和工程實踐具有重要指導意義。

國內(nèi)外學者在該方面做了大量試驗和理論研究。姜永東等[1]、秦哲等[2]對花崗巖進行蠕變試驗分析，得出其在干燥和飽水情況下的巖石穩(wěn)態(tài)速率規(guī)律。劉新榮等[3]、宋勇軍等[4]通過不同狀態(tài)下蠕變實驗結(jié)果，探討了蠕變特性與含水量之間的關(guān)系。李江騰等[5]、曹平等[6]對斜長巖在風干和飽水條件下通過采用分級增量循環(huán)加卸載方式對其進行單軸壓縮蠕變試驗，得出水對巖石黏彈性和黏塑形的影響規(guī)律。王新剛等[7]、王永新等[8]對水巖作用影響下的邊坡穩(wěn)定性進行探索，提出了水位升降是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。劉業(yè)科[9]、楊逾等[10]、范秋雁等[11]通過試驗對經(jīng)過飽水-失水循環(huán)的巖石力學性質(zhì)進行研究，得出了水巖作用下巖石的力學性質(zhì)損傷規(guī)律。國內(nèi)外在有關(guān)水對巖石的物理損傷以及在循環(huán)載荷作用下巖石疲勞變形損傷破壞方面已有很多的研究成果，但對于飽水-失水循環(huán)作用下的巖石的蠕變特性研究還比較少，不能滿足水位升降工程條件下的邊坡長期穩(wěn)定性研究的需要。

本文依托《三山島倉上露天坑尾礦庫邊坡安全狀態(tài)監(jiān)測、分析及預警技術(shù)開發(fā)與應用研究》科研項目，倉上露天坑于2013年開始作為三山島選礦廠尾礦庫使用，坑內(nèi)水位不斷升降對邊坡穩(wěn)定性的影響日益突出。故選取倉上露天坑尾礦庫邊坡3#蝕變帶處黃鐵絹英化花崗質(zhì)碎裂巖(SγJH)為試驗對象，將該巖石制成巖樣并經(jīng)歷不同次數(shù)的飽水-失水循環(huán)作用，進而進行巖石三軸蠕變試驗。對比不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)下巖石蠕變應變-時間曲線及巖石蠕變速率，總結(jié)分析SγJH經(jīng)歷飽水-失水循環(huán)作用后蠕變性質(zhì)的變化，探究了飽水-失水循環(huán)作用對巖石蠕變性質(zhì)影響的機理。

2 三軸蠕變試驗

2.1 巖樣制作與試驗準備

現(xiàn)場采取鉆孔取芯的方法對蝕變巖SγJH進行巖樣采集，巖石工程地質(zhì)特征如表1所示。

表1 巖石工程地質(zhì)特征Table 1 Geological characteristics of rock

根據(jù)含水率試驗結(jié)果，SγJH巖樣在浸水48 h狀態(tài)下和浸水24 h相比含水率僅提高0.04%，綜合考慮確定試驗飽水-失水循環(huán)模擬時間為浸水24 h后烘干12 h，確定烘干溫度為70 ℃。

加工巖樣成標準巖樣(高為100 mm，直徑50 mm)，剔除外觀上有明顯層理和裂痕的巖樣，再通過聲波儀測定巖樣波速，選取有代表性的巖樣作為試驗巖樣。將巖樣在水中浸泡24 h后取出，置于烘箱內(nèi)12 h至恒重，為一次飽水-失水循環(huán)模擬；根據(jù)飽水-失水循環(huán)模擬方法制作不同循環(huán)次數(shù)的巖樣試件，即SγJH-0為自然狀態(tài)，SγJH-1為循環(huán)1次，SγJH-5為循環(huán)5次，SγJH-15為循環(huán)15次。

2.2 試驗方案

目前巖土體壓縮蠕變的試驗方法包括分別加載和分級加載2種方法。本次巖石三軸蠕變試驗采用分級加載法，數(shù)據(jù)處理采用陳氏加載處理法。巖石蠕變試驗采用RLJW-2000型微機控制巖石伺服三軸、剪切(蠕變)壓力試驗機。

將不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)(1，5，15次)下的巖樣，在2 MPa圍壓條件下進行蠕變試驗。巖樣的軸向壓力按照分級加載方式進行，參照相應圍壓下三軸試驗數(shù)據(jù)，按照三軸抗壓強度的20%，30%，45%，60%，75%施加軸向分級荷載，軸向分級荷載等級如表2。

3 試驗數(shù)據(jù)及分析

3.1 自然狀態(tài)巖石蠕變性質(zhì)分析

3.1.1 自然狀態(tài)巖石蠕變應變-時間曲線分析

SγJH-0三軸蠕變試驗軸向及側(cè)向應變-時間全過程曲線如圖1所示。

圖1 SγJH-0在各級荷載作用下的應變與 時間全過程曲線Fig.1 Complete curves of strain vs. time of SγJH-0 under different levels of loading

由圖1可知：

(1) SγJH-0的蠕變應變-時間曲線分為瞬時蠕變、穩(wěn)定蠕變以及加速蠕變3個階段。當應力水平較低時，蠕變曲線只出現(xiàn)前2個階段，只有應力水平較高時才會出現(xiàn)加速蠕變階段。

(2) 在施加各級荷載的瞬間，SγJH-0將會進入瞬時蠕變階段，該階段曲線接近直線，即巖石處于彈性變形狀態(tài)。

(3) 在施加各級荷載的瞬間，SγJH-0所產(chǎn)生的瞬時應變量是不相同的。SγJH-0在不同加載等級下，產(chǎn)生的瞬時應變量隨著加載荷載的增大而增大；隨著荷載加載級別的提高，巖石對應的穩(wěn)定蠕變階段所經(jīng)歷的時間逐漸變短。

3.1.2 自然狀態(tài)巖石蠕變速率分析

經(jīng)過對SγJH-0三軸蠕變試驗數(shù)據(jù)的處理，可以得到各級軸向荷載作用下的蠕變速率曲線圖，特別針對第5級荷載加載過程中SγJH-0蠕變速率進行分析，SγJH-0軸向蠕變速率曲線如圖2所示。

圖2 SγJH-0軸向蠕變速率曲線(第5級荷載)Fig.2 Curve of axial creep rate vs. time of SγJH-0 (under the fifth level of loading)

(1) 與蠕變應變-時間曲線蠕變階段對應，前4級軸向荷載作用下只有瞬時蠕變速率階段和穩(wěn)定蠕變速率階段。在低應力水平作用下，瞬時蠕變速率隨著時間的增長很快減小，直至減小為0，在高應力水平作用下瞬時蠕變速率減小至某一個常數(shù)。

(2) 不同加載級別穩(wěn)定蠕變階段曲線的斜率隨著應力水平的增加變大，即軸向穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著軸向荷載的提高而逐漸增大。

(3) 在第5級軸向荷載作用下，SγJH-0出現(xiàn)了加速蠕變速率階段，該階段應變-時間曲線斜率迅速增大，巖石試件發(fā)生蠕變破壞。

3.2 飽水-失水循環(huán)作用下巖石蠕變性質(zhì)分析

3.2.1 飽水-失水循環(huán)作用下巖石蠕變應變-時間曲線分析

根據(jù)不同次數(shù)飽水-失水循環(huán)(SγJH-1，SγJH-5，SγJH-15)巖石蠕變試驗結(jié)果，繪制巖石蠕變曲線如圖3。

圖3 SγJH軸向應變、側(cè)向應變與時間全過程曲線Fig.3 Complete curves of axial strain and lateral strain of SγJH vs. time

對試驗數(shù)據(jù)分析得到：與自然狀態(tài)相同，飽水-失水循環(huán)作用下，SγJH的蠕變?nèi)^程曲線經(jīng)歷了瞬時彈性變形、減速蠕變、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變4個階段，在較低的軸向荷載作用下，只經(jīng)歷前3種階段；在軸向荷載接近或達到巖石臨界破壞值時才依次經(jīng)歷4種蠕變階段。

飽水-失水循環(huán)作用下，SγJH蠕變特性更為顯著，有以下規(guī)律:

(1) 相同荷載等級下，隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加，SγJH軸向及側(cè)向蠕變應變不斷增加；相鄰飽水-失水循環(huán)次數(shù)下的軸向蠕變應變提高最多31%，側(cè)向蠕變應變提高33%。

(2) 隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加，瞬時彈性變形階段應變增加明顯，飽水-失水循環(huán)15次后瞬時彈性應變較自然狀態(tài)提高了54.3%；隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加，穩(wěn)定蠕變階段應變增加同樣非常明顯，飽水-失水循環(huán)15次后相鄰荷載等級下蠕變應變最高提高了24.3%。

(3) 隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加，SγJH蠕變總應變不斷增加，可達到三軸壓縮極限應變的80%以上，明顯高于自然狀態(tài)下的58%。

3.2.2 飽水-失水作用下巖石蠕變速率分析

經(jīng)過對SγJH三軸蠕變試驗數(shù)據(jù)的處理，可以得到各級軸向荷載作用下的蠕變速率曲線圖，特別針對第5級荷載加載過程中SγJH蠕變速率進行分析，不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)下(SγJH-1，SγJH-5，SγJH-15)試件軸向蠕變速率曲線如圖4所示。

圖4 不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)下試件軸向 蠕變速率曲線(第5級荷載)Fig.4 Curves of axial creep rate under the fifth level of loading with different saturation-dehydration cycles

對試驗數(shù)據(jù)分析得到：與自然狀態(tài)相同，不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)下的蠕變速率曲線包括。初期蠕變速率、穩(wěn)態(tài)蠕變速率和加速蠕變速率3個階段，前4級軸向荷載下SγJH經(jīng)歷了初期蠕變速率、穩(wěn)態(tài)蠕變速率2個應變速率變化階段；在第5級軸向荷載下經(jīng)歷了初期蠕變速率、穩(wěn)態(tài)蠕變速率和加速蠕變速率3個階段。

不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)下巖石SγJH蠕變速率曲線有以下規(guī)律：

(1) 同自然狀態(tài)一樣，飽水-失水循環(huán)作用下巖石SγJH在低應力狀態(tài)下蠕變速率先出現(xiàn)無規(guī)律的波動后總體上趨于零或穩(wěn)定值，伴有局部波動；隨著飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加，巖石SγJH蠕變速率的無規(guī)律波動較自然狀態(tài)更加明顯；隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)的增加，穩(wěn)態(tài)蠕變階段時間縮短，加速蠕變速率增長更為迅速，破裂過程更加短暫。

(2) 穩(wěn)態(tài)蠕變速率不再為0，而是隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加不斷提高，SγJH-15第5級荷載作用下穩(wěn)態(tài)蠕變速率達到29.2×10-6/h。

(3) 隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加，在施加各級軸向荷載的瞬時，初期蠕變速率加速度亦有所提升。

3.3 水巖作用對露天礦坑巖石力學性質(zhì)損傷

通過電鏡對經(jīng)歷不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)的SγJH進行掃描，細微觀角度進一步分析水巖作用對礦坑巖石損傷機理，1 000倍電鏡掃描如圖5。

圖5 不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)的SγJH 電鏡掃描圖片F(xiàn)ig.5 Images of electron microscope scanning of SγJH under different saturation-dehydration cycles

因為露天礦坑巖石SγJH相對于花崗巖等未蝕變或蝕變程度低的巖石有著更多的微缺陷或不均勻性，在飽水-失水循環(huán)作用下巖石SγJH中的微裂隙、微缺陷等進一步發(fā)育，導致軸向應變不均勻波動。巖石SγJH的軸向應變和軸向應變速率曲線在飽水-失水循環(huán)作用下偏離理論數(shù)據(jù)，波動增大，其局部應變曲線段和應變速率曲線段發(fā)生了微小波動和突變現(xiàn)象相應增加，而以SγJH-15的這種微小波動和突變現(xiàn)象更為劇烈。

造成這種現(xiàn)象的原因是由于飽水-失水過程中，巖石SγJH內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在非均質(zhì)性，從而引起巖樣的微觀弱化和破裂，使得原有的應力平衡被打破，從而造成巖石變形曲線產(chǎn)生了不規(guī)則波動和突變。

4 結(jié) 論

本文以倉上露天礦坑為工程背景，考慮水位升降對邊坡穩(wěn)定性影響，對該地區(qū)蝕變帶巖樣進行了三軸蠕變試驗，對比不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)下巖石蠕變應變-時間曲線及巖石蠕變速率，總結(jié)分析SγJH經(jīng)歷飽水-失水循環(huán)作用后蠕變性質(zhì)的變化，探究了飽水-失水循環(huán)作用對巖石蠕變性質(zhì)影響的機理，所得結(jié)論如下：

(1) 蠕變形變方面，SγJH的蠕變?nèi)^程曲線經(jīng)歷了瞬時彈性變形階段、減速蠕變、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變4個階段，在較低的軸向荷載作用下，只經(jīng)歷前3種階段；在軸向荷載接近或達到巖石臨界破壞值時才依次經(jīng)歷4種蠕變階段。

(2) 蠕變速率方面，SγJH蠕變經(jīng)歷了初期蠕變速率、穩(wěn)態(tài)蠕變速率和加速蠕變速率3個階段，前4級軸向荷載下SγJH經(jīng)歷了初期蠕變速率、穩(wěn)態(tài)蠕變速率2個應變速率變化階段；在第5級軸向荷載下經(jīng)歷了初期蠕變速率、穩(wěn)態(tài)蠕變速率和加速蠕變速率3個階段。

(3) 相同荷載等級下，隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加，SγJH軸向及側(cè)向蠕變應變不斷增加；相鄰飽水-失水循環(huán)次數(shù)下的軸向蠕變應變提高最多31%，側(cè)向蠕變應變提高33%；SγJH-15瞬時彈性應變較自然狀態(tài)提高了54.3%，相鄰荷載等級下蠕變應變最高提高了24.3%；SγJH蠕變總應變不斷增加，SγJH-15可達到三軸壓縮極限應變的80%以上，明顯高于自然狀態(tài)下的58%。

(4) 經(jīng)歷飽水-失水循環(huán)后，SγJH穩(wěn)態(tài)蠕變速率不再為0，而是隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加不斷提高，SγJH-15第5級荷載作用下穩(wěn)態(tài)流變速率達到29.2×10-6/h；隨飽水-失水循環(huán)次數(shù)增加，在施加各級軸向荷載的瞬時，初期蠕變速率加速度亦有所提升。

(5) 水巖作用下巖石力學性質(zhì)變化機理研究方面，由于SγJH內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，在飽水-失水循環(huán)作用下巖樣發(fā)生微觀弱化和破裂，使得原有的應力平衡被打破，從而造成巖石變形曲線產(chǎn)生了不規(guī)則波動和突變。

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(編輯：王 慰)

Creep Curve of Rock at Open-pit Slope underWater-rock Interaction

QIN Zhe1,2,FU Hou-li3,CHENG Wei-min1，2,YU Yan-bin1,2

(1.State Key Laboratory Breeding Base of Mining Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China; 2.School of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 3.School of Architecture,Linyi University,Linyi 276000,China)

In the aim of investigating the long-term effect of water level fluctuation on slope stability, rock samples from Cangshang open-pit slope in Laizhou City were selected for triaxial creep test under different saturation-dehydration cycles. By analyzing creep strain-time curves and creep rate curves of SγJH, the creep properties of slope rock after saturation-dehydration cycles were explored.Furthermore, SγJH rock samples after different cycles were scanned by electron microscopy to analyze the damage mechanism of rock under water-rock interaction in microscopic scale.Results indicate that, 1) along with the increasing of saturation-dehydration cycles, axial creep strain increased up to 31%, and the lateral creep strain increased by 33% under adjacent cycle times; 2)instantaneous elastic strain of SγJH-15 improved by 54.3% than that of SγJH-0,creep strain at adjacent load level increased by 24.3% and total creep strain of SγJH reached 80% or above of limit strain in triaxial compression test;3) with the increasing of saturation-dehydration cycles, steady creep rate became nonzero and steady rheological rate of SγJH-15 at the fifth level of loading reached up to 29.2×10-6h;4)at the moment of applying axial load at all levels,initial creep rate acceleration also increase.In the research field of mechanical properties of rock under water-rock interaction, microscopic weakening and rupture occurs in rock samples under the cycle action due to heterogeneous internal structure of SγJH. Hence the original stress balance is broken, resulting in irregular fluctuations and abrupt change of rock deformation curve.

water-rock interaction；open pit；rock mechanics；creep test；creep law

2015-12-14；

2016-01-07

國家自然科學基金煤炭聯(lián)合基金重點項目(U1261205)；國家自然科學基金面上項目(51574158)

秦 哲(1988-)，男，山東泰安人，講師，博士后，主要從事巖石力學與地下工程方面的研究，(電話)0532-86057683(電子信箱)chin_sdust@hotmail.com。

于巖斌(1986-)，男，山東威海人，講師，博士，從事礦山災害防治方面的研究，(電話)0532-86057539(電子信箱)he_yyb@hotmail.com。

10.11988/ckyyb.20151059

2017,34(3):85-89

TU458

A

1001-5485(2017)03-0085-05