滲透壓與圍壓對(duì)粉砂質(zhì)泥巖流變特性的影響

馬 沖，胡 斌，詹紅兵，蔣海飛

( 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) a.工程學(xué)院; b.數(shù)理學(xué)院，武漢 430074 )

滲透壓與圍壓對(duì)粉砂質(zhì)泥巖流變特性的影響

馬 沖a,b，胡 斌a，詹紅兵a，蔣海飛a

( 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) a.工程學(xué)院; b.數(shù)理學(xué)院，武漢 430074 )

為了研究滲透壓及圍壓對(duì)巖體蠕變特性的影響，對(duì)三峽庫區(qū)巴東組二段粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了不同圍壓和滲透壓下的三軸蠕變實(shí)驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在分析粉砂質(zhì)泥巖蠕變特性曲線的基礎(chǔ)上，探討了圍壓和滲透壓對(duì)巖體蠕變特性的影響過程和機(jī)理。最后，采用等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線法和穩(wěn)態(tài)蠕變速率法求得了粉砂質(zhì)泥巖在不同圍壓和滲透壓下的蠕變長期強(qiáng)度。結(jié)果表明：①粉砂質(zhì)泥巖瞬時(shí)彈性模量隨著偏應(yīng)力等級(jí)的增加而減??；②孔隙水壓在蠕變初期能夠減小軸向應(yīng)變，但在蠕變后期由于其有利于裂紋擴(kuò)展而增大了軸向應(yīng)變；③滲透壓縮短了巖石蠕變破壞的時(shí)間，使蠕變破壞呈現(xiàn)出一定的脆性特點(diǎn)；④滲透壓的存在有利于巖石裂隙的擴(kuò)展和貫通，因而降低了巖石蠕變的長期強(qiáng)度，但是圍壓的存在增大了蠕變長期強(qiáng)度。研究成果為深入認(rèn)識(shí)和了解三峽庫區(qū)粉砂質(zhì)泥巖的流變力學(xué)特性提供了重要的試驗(yàn)和理論依據(jù)。

粉砂質(zhì)泥巖;三軸蠕變;滲透壓;圍壓;長期強(qiáng)度;三峽庫區(qū)

1 研究背景

巖石是由具有一定構(gòu)造的礦物集合而成的天然力學(xué)材料，具有高度非線性、各向異性和隨時(shí)間變化的流變特性[1]。眾多的高水壩壩基、大型地下洞室群和巖石高陡邊坡等的失穩(wěn)破壞往往發(fā)生在工程建成之后的運(yùn)營期。因此，工程巖體的長期穩(wěn)定性直接影響到工程結(jié)構(gòu)體的安全性[2-3]，而工程巖土體的長期穩(wěn)定性又與其蠕變特性密不可分[4]。一般來說，巖石所受的應(yīng)力及應(yīng)力持續(xù)的時(shí)間被視為影響巖石蠕變特性的2個(gè)重要因素，但對(duì)于復(fù)雜環(huán)境中的工程如水庫壩基、隧道等，巖石不僅受到地應(yīng)力的作用，同時(shí)也要受到滲透壓的長期作用[5]。而且，巖體內(nèi)部由于存在滲流及孔隙水壓，加劇了巖體內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展[6]，使得巖體的力學(xué)性質(zhì)與常規(guī)條件下的性質(zhì)存在顯著差異。因此，滲流與應(yīng)力的耦合作用也是影響巖石蠕變特性的一個(gè)重要因素。

隨著巖石蠕變理論的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，國內(nèi)外學(xué)者開始研究滲流作用與應(yīng)力耦合作用對(duì)巖石蠕變特性的具體影響效應(yīng)。Conil等[7]基于試驗(yàn)成果，建立了各向異性的孔隙塑性模型，用于描述損傷對(duì)水-力耦合的影響；王芝銀等[8]提出了流變位移的反演模型以及巖體多場耦合流變模型；朱珍德等[9]分別對(duì)灰?guī)r和花崗巖2種硬巖進(jìn)行了不同圍壓下的滲透性試驗(yàn)，探討了巖石全應(yīng)力-應(yīng)變過程滲流特點(diǎn)的機(jī)理；張玉、徐衛(wèi)亞等[10]對(duì)壩基碎屑巖進(jìn)行了滲流-應(yīng)力耦合作用下流變力學(xué)和滲透特性試驗(yàn)，分別就滲透壓、圍壓對(duì)流變變形及流變速率的影響進(jìn)行了研究；黃書嶺、馮夏庭等[5]研究了水壓和應(yīng)力耦合作用對(duì)錦屏深部大理巖的三軸蠕變特性的影響，認(rèn)為應(yīng)力水平比是巖石失穩(wěn)蠕變的關(guān)鍵因素；楊圣奇等[11]進(jìn)行了飽水狀態(tài)不同圍壓下硬質(zhì)巖石的流變?cè)囼?yàn)，分析了軸向應(yīng)變與側(cè)向應(yīng)變的關(guān)系，并考慮了粒徑對(duì)流變性的影響；俞縉等[12]利用穩(wěn)態(tài)法對(duì)砂巖全應(yīng)力-應(yīng)變過程進(jìn)行了滲透率的試驗(yàn)研究；賈善坡等[13-14]基于泥巖的蠕變實(shí)驗(yàn)，在考慮滲透壓應(yīng)力耦合的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)能反映泥巖蠕變?nèi)^程的蠕變損傷本構(gòu)關(guān)系；王如賓等[15]基于滲透壓下壩基角礫巖流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，分析了角礫巖在不同圍壓下的軸向與環(huán)向蠕變變形規(guī)律，并研究了蠕變過程中的滲流規(guī)律；楊紅偉等[16]對(duì)細(xì)粒砂巖進(jìn)行了滲透水壓力分級(jí)加載下的三軸蠕變實(shí)驗(yàn)，分析了滲透壓力下巖石內(nèi)部孔隙損傷特征; 韓冰等[17]對(duì)單軸、三軸軟硬互層巖體在不同應(yīng)力水平和加載路徑下的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行分析, 研究了應(yīng)力狀態(tài)及加載方式對(duì)軟硬互層巖體時(shí)間相關(guān)性特征的影響。

由上述可知，前人的研究成果豐富了巖石流變理論，表明了滲透壓與應(yīng)力對(duì)蠕變特性的影響不可忽略。相對(duì)于硬巖來講，由于軟巖本身的特殊性，流變性質(zhì)更加突出[12]，對(duì)工程整體的長期穩(wěn)定性有重要的影響。而對(duì)于長江三峽庫區(qū)廣泛分布的粉砂質(zhì)泥巖在滲透壓與應(yīng)力耦合作用下蠕變方面的研究還較少，迫切需要在試驗(yàn)儀器設(shè)備以及試驗(yàn)方法與理論方面進(jìn)一步完善。

蠕變?cè)囼?yàn)是了解巖體(巖石)流變力學(xué)特性的主要手段[18]。本文通過進(jìn)行不同圍壓、滲透壓下粉砂質(zhì)泥巖的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，研究滲透壓圍壓對(duì)巖土體蠕變特性的影響，為三峽庫區(qū)長期處于滲透壓影響下的水電壩基、邊坡工程設(shè)計(jì)、施工等提供參考。

2 室內(nèi)三軸蠕變?cè)囼?yàn)

2.1 試樣的采集與制備

巖石試樣來源于三峽庫區(qū)巴東組二段粉砂質(zhì)泥巖(T2b2)，屬于三疊系地層，巖石呈紫紅色，薄層至塊狀構(gòu)造?，F(xiàn)場采集庫區(qū)具有典型代表性的巖石若干塊(如圖1所示)，對(duì)巖石表面進(jìn)行粗略加工后再進(jìn)行包裹處理，將其放置在特制的木箱里，并采用具有緩沖作用的材料充填滿木箱以保護(hù)巖塊。在采集和運(yùn)輸過程中盡量保證巖石不受人為的破壞和擾動(dòng)。

圖1 野外巖石采樣現(xiàn)場Fig.1 Photo of field collection of rock

委托中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖樣加工中心對(duì)所采集巖石進(jìn)行加工。巖樣加工的尺寸要求如下。

(1) 采用圓柱體試件，試件直徑50 mm，高100 mm。

(2) 沿試件高度，直徑的誤差不超過0.03 cm。試件兩端面不平行度誤差不超過0.005 cm。

(3) 端面應(yīng)垂直于軸線，最大偏差不超過0.25°。

(4) 沿試件整個(gè)高度上分別量測兩端面和中點(diǎn)3個(gè)斷面的直徑，取其平均值作試件直徑；在兩端等距取3點(diǎn)量測試件的高，取其平均值，作為試件的高度，同時(shí)檢驗(yàn)兩端面的不平整度。尺寸測量均應(yīng)精確到0.1 mm。

試件加工完成后，對(duì)試件表觀上存在明顯裂紋、條紋和層理等缺陷的進(jìn)行剔除處理，然后對(duì)剩下的試件編號(hào)，如圖2所示。

2.2 巖樣聲波測試試驗(yàn)

由經(jīng)驗(yàn)可知，即使相同地質(zhì)條件、相同巖性的巖石也存在著一定的力學(xué)差異性，而引起這種不均勻性的因素是巖石內(nèi)部的微裂隙、裂紋、層理、斷裂等。

為排除巖石差異性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在選定試件前需對(duì)試件進(jìn)行巖石聲波測試試驗(yàn)。本次聲波測試在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)三峽中心進(jìn)行，共測試21塊粉砂質(zhì)泥巖試件。根據(jù)測試結(jié)果(見表1)，選取N5#，N12#，N18#用于粉砂質(zhì)泥巖三軸蠕變?cè)囼?yàn)。

2.3 試驗(yàn)方案

粉砂質(zhì)泥巖三軸蠕變?cè)囼?yàn)在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所進(jìn)行。采用巖石全自動(dòng)蠕變伺服儀試驗(yàn)系統(tǒng)，即溫度-應(yīng)力-滲透耦合巖石三軸流變儀，也稱“法國流變儀”，主要用于開展巖石類材料在應(yīng)力、溫度、滲流、化學(xué)腐蝕耦合條件下的試驗(yàn)，見圖3。

將2.2節(jié)中聲波測試篩選出的巖樣采用抽真空飽和的方法使其在試驗(yàn)之前處于飽水狀態(tài)。根據(jù)取樣地區(qū)地應(yīng)力實(shí)測值3.6 MPa，考慮到應(yīng)力集中，將試驗(yàn)過程中的最大圍壓值設(shè)定在4 MPa；根據(jù)取樣地點(diǎn)水文地質(zhì)條件和鄰近水庫的蓄水高程，確定試驗(yàn)中滲透壓為1.2 MPa?；趯?duì)比研究的原則，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示。

圖3 巖石全自動(dòng)蠕變伺服儀Fig.3 Fully automatic creep servo apparatus表2 三軸蠕變?cè)囼?yàn)設(shè)計(jì)方案Table 2 Design of triaxial rheology test

巖樣編號(hào)圍壓/MPa滲透壓/MPa含水狀態(tài)N5#4.01.2飽和N12#4.00.0飽和N18#2.01.2飽和

在流變?cè)囼?yàn)之前先對(duì)泡水巖樣進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)巖樣的瞬時(shí)強(qiáng)度，再根據(jù)該瞬時(shí)強(qiáng)度大致確定流變?cè)囼?yàn)的應(yīng)力等級(jí)，如表3所示。

表3 三軸蠕變?cè)囼?yàn)偏應(yīng)力等級(jí)設(shè)計(jì)方案Table 3 Design of deviator stress level for triaxial rheological test

試驗(yàn)步驟：

(1) 將圍壓、水壓保持穩(wěn)定，設(shè)置圍壓σ2=σ3，設(shè)置水壓P至預(yù)定值。蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)的偏應(yīng)力σ1-σ3按表3中的荷載等級(jí)進(jìn)行分級(jí)加載。

(2) 加載過程中，數(shù)據(jù)采樣頻率為20次/min，加載后1h內(nèi)的采樣頻率為1次/min，之后為0.1 次/min，圍壓的加載速率1MPa/min，軸向荷載的加載速率為2MPa/min，室內(nèi)溫度控制在25 ℃。

(3) 在各級(jí)荷載下持續(xù)時(shí)間≥72h且變形增量<0.001mm/24h，即認(rèn)為施加該級(jí)荷載所產(chǎn)生的蠕變已基本穩(wěn)定，可以施加下一級(jí)荷載，直至試樣破壞為止。

(4) 取出試樣，設(shè)備歸位，存放試樣并進(jìn)行記錄描述。試驗(yàn)過程中儀器自動(dòng)收集、整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可繪制應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

完成粉砂質(zhì)泥巖三軸蠕變?cè)囼?yàn)后，基于儀器自動(dòng)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，可繪制得到粉砂質(zhì)泥巖三軸蠕變的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線，如圖4所示。圖中橫軸為蠕變累積時(shí)間，縱軸為蠕變應(yīng)變量，軸向應(yīng)變曲線上方的應(yīng)力值表示每一級(jí)加載的偏應(yīng)力值。

注:t5,t12,t18分別為N5#,N12#,N18#發(fā)生蠕變破壞的時(shí)間。圖4 軸向應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Curves of the relationship between strain and time

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖4可知，3種不同試驗(yàn)條件下的粉砂質(zhì)泥巖軸向蠕變曲線具有明顯的相似性，都表現(xiàn)出了巖石蠕變的4個(gè)階段：瞬時(shí)彈性變形階段、初始流變階段、穩(wěn)態(tài)流變階段以及加速流變階段[19-20]。在各級(jí)偏應(yīng)力作用瞬間，粉砂質(zhì)泥巖產(chǎn)生了軸向瞬時(shí)彈性應(yīng)變，從而證明粉砂質(zhì)泥巖具有彈性變形的特性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，各級(jí)偏應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的軸向瞬時(shí)彈性變形量并非相等?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)可得各級(jí)偏應(yīng)力作用下所對(duì)應(yīng)的軸向瞬時(shí)彈性應(yīng)變量如表4所示。

圖5 粉砂質(zhì)泥巖軸向瞬時(shí) 彈性應(yīng)變量與偏應(yīng)力等級(jí) 關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between axial instantaneous elastic stress and deviatoric stress level表4 粉砂質(zhì)泥巖軸向瞬時(shí)彈性應(yīng)變量Table 4 Axial instantaneous elastic stresses of silty mudstone

巖樣編號(hào)不同等級(jí)荷載下軸向彈性應(yīng)變量/10-3第1級(jí)第2級(jí)第3級(jí)第4級(jí)第5級(jí)第6級(jí)N5#0.9850.8200.8000.1100.100—N12#0.8990.7900.6000.1300.070—N18#0.9970.9000.6200.5200.0700.010

基于表4數(shù)據(jù)可得粉砂質(zhì)泥巖瞬時(shí)彈性應(yīng)變量與偏應(yīng)力等級(jí)之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。

由圖5可見，粉砂質(zhì)泥巖的瞬時(shí)彈性應(yīng)變量隨著偏應(yīng)力等級(jí)的增加而顯著地減少。換而言之，3種不同試驗(yàn)條件下的粉砂質(zhì)泥巖的瞬時(shí)彈性應(yīng)變量隨著蠕變時(shí)間的積累而逐級(jí)耗盡，導(dǎo)致3個(gè)試件在各自最后一級(jí)偏應(yīng)力荷載作用下所產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性應(yīng)變量分別僅為第1級(jí)偏應(yīng)力作用下的10.2%(N5#)，7.8%(N12#)，10.0%(N18#)；同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)過程中水壓與圍壓對(duì)粉砂質(zhì)泥巖三軸蠕變中瞬時(shí)彈性應(yīng)變并未存在規(guī)律性的影響。

對(duì)比軸向應(yīng)變曲線可發(fā)現(xiàn)，在圍壓都為4 MPa、N5#和N12#所受水壓分別為1.2 MPa和0 MPa的條件下，N5#和N12#試件在蠕變初期受到相同偏應(yīng)力作用下發(fā)生的瞬時(shí)彈性變形、減速蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變幾乎相同，特別是在9.48 MPa和12.5 MPa這2級(jí)較低的偏應(yīng)力條件下。而在偏應(yīng)力15.7 MPa和18.8 MPa作用下，兩者的蠕變曲線雖呈現(xiàn)出一定的相似性，但也表現(xiàn)出了一些差異性，如N5#相對(duì)于N12#所用的蠕變時(shí)長逐漸變小。對(duì)兩者最后一級(jí)蠕變曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，N5#在20.3 MPa偏應(yīng)力作用下發(fā)生蠕變破壞，而N12#發(fā)生蠕變破壞所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值為21.9 MPa，N5#的破壞應(yīng)力水平要小于N12#的破壞應(yīng)力水平。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，N5#和N12#發(fā)生蠕變破壞的蠕變總時(shí)長分別為395.9 h和411.4 h，可知滲透壓的存在縮短了蠕變時(shí)間。由N5#和N12#試件的試驗(yàn)條件可知，兩者所受圍壓相同而水壓不同，因而造成了蠕變?cè)囼?yàn)過程中結(jié)果的差異性。

在蠕變?cè)囼?yàn)的初期，粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部孔隙絕大部分處于互相隔離的狀態(tài)，同時(shí)又受到4 MPa圍壓作用，因此，孔隙水會(huì)在巖石內(nèi)部微裂紋上產(chǎn)生一個(gè)與軸向應(yīng)變方向相反的抵抗作用，對(duì)延緩軸向應(yīng)變起到了一定的作用，從而使得N5#蠕變曲線在偏應(yīng)力9.4，12.5，15.7 MPa作用時(shí)的軸向應(yīng)變量略等于或小于N12#的軸向應(yīng)變量。而在蠕變?cè)囼?yàn)的后期，粉砂質(zhì)泥巖受到較長時(shí)間的應(yīng)力作用且所受偏應(yīng)力逐漸加大后，其內(nèi)部微裂隙逐漸開始擴(kuò)展、連通，此時(shí)位于巖石內(nèi)部的孔隙水會(huì)受到不同程度的擠壓，由于水的不可壓縮性使巖石微裂隙的尖端形成一個(gè)附加拉應(yīng)力，有利于增強(qiáng)巖石裂紋擴(kuò)展能力。同時(shí)，孔隙水的存在對(duì)泥巖具有明顯的軟化作用，降低了泥巖的力學(xué)性質(zhì)，增大了巖石的變形能力。因此，N5#發(fā)生蠕變破壞的時(shí)間比N12#縮短了15.5 h。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)，受1.2 MPa水壓作用的N5#試件從剛進(jìn)入加速蠕變階段到巖石發(fā)生蠕變破壞所用的時(shí)間為10.9 h，而不受水壓作用的N12#試件完成上述過程用時(shí)為18.9 h，前者為后者的57.7%。

上述分析數(shù)據(jù)表明，滲透壓的存在增強(qiáng)了粉砂質(zhì)泥巖的蠕變變形能力而降低了其力學(xué)強(qiáng)度，并且縮短了粉砂質(zhì)泥巖蠕變變形破壞時(shí)間，使得蠕變破壞具有了一定的脆性特征。

對(duì)于N5#和N18#試件而言，兩者均受1.2 MPa的水壓作用，但前者所受圍壓為4 MPa，后者所受圍壓為2 MPa。由圖4可見，在2個(gè)試件所受偏應(yīng)力大小接近或相同時(shí)，N18#所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變量遠(yuǎn)大于N5#所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變量，如表5所示。

表5 N5#和N18#軸向應(yīng)變對(duì)比Table 5 Comparison of axial strain between N5# and N18#

表中數(shù)據(jù)顯示，在低偏應(yīng)力作用時(shí)，N18#與N5#的應(yīng)變比為2.98，即N18#在9.7 MPa偏應(yīng)力作用下的應(yīng)變量為N5#在9.4 MPa偏應(yīng)力作用下的2.98倍。然后，隨著偏應(yīng)力的不斷增大，兩者的應(yīng)變比值不斷縮小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因之一是：在蠕變初期，所加載的偏應(yīng)力遠(yuǎn)小于蠕變破壞屈服應(yīng)力，巖石中的微裂隙并未得到擴(kuò)展和貫通，孔隙水壓對(duì)蠕變的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圍壓對(duì)巖石蠕變的影響，圍壓越大，巖石抵抗軸向變形的能力則越強(qiáng)，反之則越弱。在蠕變后期，巖石中裂隙、裂紋開始擴(kuò)展、貫通，孔隙水壓與滲透壓開始發(fā)揮作用，其在裂紋尖端形成的拉應(yīng)力開始產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)，同時(shí)孔隙水也起到了很好的軟化作用。綜合上述可知：圍壓相同而水壓不同時(shí)，在蠕變?cè)囼?yàn)加載初期，孔隙水壓的存在反而有利于抵抗巖樣的軸向應(yīng)變，因而使得該時(shí)期的軸向應(yīng)變略小于無水壓條件下的軸向應(yīng)變；在蠕變?cè)囼?yàn)加載后期，由于巖石中微裂紋、裂隙的擴(kuò)展及貫通，孔隙水壓與滲透壓的存在增大了巖石裂隙擴(kuò)展能力，同時(shí)弱化了巖石的力學(xué)強(qiáng)度，有利于巖石軸向變形。在水壓相同而圍壓不同的情況下，水壓對(duì)于巖石蠕變時(shí)效變形的影響如同前述一樣，但是圍壓對(duì)巖石蠕變產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于滲透壓，起到了決定性的作用。

4 粉砂質(zhì)泥巖長期強(qiáng)度分析

所謂巖石長期強(qiáng)度，是指巖石能夠長期抵抗且不發(fā)生變形破壞的應(yīng)力閥值[21-22]。一般地，巖石長期強(qiáng)度可由巖石的蠕變?cè)囼?yàn)確定。本文將采用等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線法和穩(wěn)定流變速率法來進(jìn)行對(duì)比研究，并最終確定粉砂質(zhì)泥巖三軸蠕變的長期強(qiáng)度。

4.1 等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線法

基于試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，以橫軸表示偏應(yīng)力、縱軸表示應(yīng)變，便可繪制出相同時(shí)刻下的粉砂質(zhì)泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖6所示。

圖6 不同試件等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Isochronal stress-strain curves of different specimens表6 不同方法確定的長期強(qiáng)度及對(duì)比Table 6 Long-term strengths determined from different methods

巖樣編號(hào)圍壓/MPa水壓/MPa長期強(qiáng)度σ￥/MPa等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線法穩(wěn)態(tài)蠕變速率法σ￥建議值/MPa飽和瞬時(shí)強(qiáng)度σc/MPa(σ∞/σc)/%N5#41.218.818.2118.2131.358.0N12#40.019.520.2519.5031.363.3N18#21.215.8—15.8024.265.3

圖6中每一條等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本上都是由近似線性段與非線性段構(gòu)成。在偏應(yīng)力較低時(shí)，同一偏應(yīng)力在時(shí)刻1，2 ，4 ，8，…，76 h下的各個(gè)應(yīng)變值相差較??；在偏應(yīng)力較高的情況下，同一偏應(yīng)力在各個(gè)時(shí)刻下對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值則相差較大，且隨著偏應(yīng)力的增大而愈發(fā)明顯。通常，在偏應(yīng)力接近于長期強(qiáng)度時(shí)，等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，陳宗基教授稱之為“第三屈服點(diǎn)”，此時(shí)的偏應(yīng)力稱作“第三屈服強(qiáng)度”[23]。在確定了“第三屈服點(diǎn)”的基礎(chǔ)上，將每條等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的“第三屈服點(diǎn)”用曲線連接起來，該曲線的漸近線所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為巖石蠕變的長期強(qiáng)度。由此從軸向蠕變等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定了N5#，N12#，N18#的長期強(qiáng)度，如表6所示。

表6給出了粉砂質(zhì)泥巖在不同圍壓和水壓下的蠕變長期強(qiáng)度。由表中N5#，N12#對(duì)應(yīng)的長期強(qiáng)度可知，在圍壓相同的情況下，水壓的存在降低了泥巖的長期強(qiáng)度；對(duì)比N5#，N18#的長期強(qiáng)度可看出，在水壓相同的條件下，圍壓越大，泥巖的長期強(qiáng)度也越大。

4.2 穩(wěn)態(tài)蠕變速率法

由前面分析可知，粉砂質(zhì)泥巖發(fā)生蠕變破壞經(jīng)歷了衰減、穩(wěn)態(tài)和加速蠕變3個(gè)階段。在泥巖未發(fā)生加速蠕變破壞之前，其蠕變變形主要是由穩(wěn)態(tài)蠕變階段控制的。在應(yīng)力低于某個(gè)閥值時(shí)，穩(wěn)態(tài)蠕變階段的變形隨時(shí)間增長而逐漸趨于穩(wěn)定；在應(yīng)力接近或達(dá)到這個(gè)閥值時(shí)，穩(wěn)態(tài)蠕變階段的變形隨時(shí)間的增長可發(fā)展到加速蠕變變形，最終使巖石發(fā)生變形破壞。因此，所謂“穩(wěn)態(tài)蠕變速率法”是根據(jù)巖石在穩(wěn)態(tài)蠕變階段的速率變化來確定巖石的長期強(qiáng)度。

基于N5#，N12#蠕變曲線，繪制得到了軸向穩(wěn)態(tài)蠕變速率與偏應(yīng)力之間的關(guān)系曲線，然后利用式(1)中的指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，即

(1)

式中：y為穩(wěn)態(tài)蠕變速率；y0為初始蠕變速率；x為偏應(yīng)力；A1,t1為指數(shù)函數(shù)的參數(shù)。

通過式(1)獲取了相關(guān)參數(shù)，如圖7所示。

圖7 不同試件穩(wěn)態(tài)蠕變速率與偏應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between steady-state creep rate and deviatoric stress of different specimens

在此基礎(chǔ)上，對(duì)式(1)進(jìn)行求導(dǎo)，便可得到擬合曲線斜率K的變化情況,即

(2)

考慮到斜率K的變化實(shí)際上就是正切函數(shù)的變化，在斜率K≤1時(shí)，f(x)的增長較為緩慢；在斜率K>1時(shí)，f(x)的增長明顯變快。因此，可認(rèn)為指數(shù)函數(shù)式(1)在斜率K=1時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)突變點(diǎn)，突變點(diǎn)之前的函數(shù)值增長較為緩慢，而突變點(diǎn)之后的函數(shù)值的增長速度明顯加快。此時(shí)，這個(gè)突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的x值便可認(rèn)為是粉砂質(zhì)泥巖的長期強(qiáng)度。由于N18#在最后一級(jí)偏應(yīng)力16.9 MPa作用下并沒有出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變階段，而是直接進(jìn)入到加速蠕變階段，故該試件的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與偏應(yīng)力基本呈線性關(guān)系，無法采用式(1)的穩(wěn)態(tài)蠕變速率法來確定長期強(qiáng)度。 利用圖7中得到的擬合參數(shù)，由式(2)中的導(dǎo)函數(shù)求得了指數(shù)函數(shù)的斜率K=1時(shí)的x值(即長期強(qiáng)度值)，見表6。

4.3 對(duì)比分析

不同方法確定的粉砂質(zhì)泥巖的長期強(qiáng)度存在一定的差別，但差別很小。利用等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線法確定巖石長期強(qiáng)度需要依賴于曲線的突變點(diǎn)(或轉(zhuǎn)折點(diǎn))，在突變點(diǎn)(或轉(zhuǎn)折點(diǎn))的選取上存在一定的隨意性和主觀性。利用穩(wěn)態(tài)蠕變速率法確定巖石蠕變長期強(qiáng)度，首先需要選取能夠擬合穩(wěn)態(tài)蠕變速率與偏應(yīng)力關(guān)系曲線的指數(shù)函數(shù)，然后采用最小二乘法原理進(jìn)行擬合，獲取指數(shù)函數(shù)的相關(guān)參數(shù)，并通過求導(dǎo)得到表征斜率K的導(dǎo)函數(shù)，最后根據(jù)斜率K=1來確定曲線的突變點(diǎn)，突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的x值即為巖石的長期強(qiáng)度。對(duì)比這2種方法可知，穩(wěn)態(tài)蠕變速率法不僅理論清晰、簡單直觀，而且突變點(diǎn)的確定不依賴于研究者的人為判斷，減少了主觀因素的影響。因此，本文在參照由等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線法確定的泥巖蠕變長期強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用由穩(wěn)態(tài)蠕變速率法確定的長期強(qiáng)度作為粉砂質(zhì)泥巖蠕變的長期強(qiáng)度，見表6所示。

可以看出，粉砂質(zhì)泥巖蠕變的長期強(qiáng)度均遠(yuǎn)小于其飽水狀態(tài)的瞬時(shí)強(qiáng)度。在圍壓為4 MPa時(shí)，N5#試樣對(duì)應(yīng)的(σ∞/σc)比值為58.0%，N12#試樣對(duì)應(yīng)的(σ∞/σc)比值為63.3%，兩者相差5.3%。分析可知，產(chǎn)生這個(gè)差值的主要原因是N5#試樣受到1.2 MPa水壓的作用，水壓的存在不僅利于巖石裂隙的擴(kuò)展和貫通，還起到了弱化力學(xué)性質(zhì)的作用，最終降低了巖石蠕變的長期強(qiáng)度。在水壓為1.2 MPa的情況下，N5#試樣在圍壓4 MPa下的長期強(qiáng)度為18.15 MPa，N18#試樣在圍壓2 MPa下的長期強(qiáng)度為15.80 MPa，前者比后者高出14.87%。這表明：在其他因素相同的條件下，圍壓越大，粉砂質(zhì)泥巖蠕變的長期強(qiáng)度也越大。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)三峽庫區(qū)粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行不同滲透壓與圍壓下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果分析了滲透壓和圍壓對(duì)蠕變特性的影響機(jī)制，探討了滲透壓和圍壓作用下粉砂質(zhì)泥巖的長期強(qiáng)度，為三峽庫區(qū)工程建設(shè)提供了試驗(yàn)依據(jù)。得到如下結(jié)論。

(1) 不同試驗(yàn)條件下的粉砂質(zhì)泥巖的蠕變曲線有一定的相似性，體現(xiàn)了巖石蠕變的全過程：瞬時(shí)彈性變形、衰減蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變以及加速流變階段。在各級(jí)偏應(yīng)力作用瞬間，粉砂質(zhì)泥巖產(chǎn)生軸向瞬時(shí)彈性應(yīng)變，表明粉砂質(zhì)泥巖具有彈性變形的特性，且瞬時(shí)彈性應(yīng)變量隨偏應(yīng)力等級(jí)的增加而顯著地減少。

(2) 在蠕變?cè)囼?yàn)初期，孔隙水壓可增大試件抵抗軸向應(yīng)變的能力；試驗(yàn)后期，滲透壓的存在增大了巖石裂隙擴(kuò)展能力，弱化了巖石的力學(xué)強(qiáng)度，有利于巖石軸向變形，使粉砂質(zhì)泥巖的蠕變變形破壞具有一定的脆性特征。在圍壓和水壓都存在的試驗(yàn)條件下，圍壓對(duì)巖石蠕變產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于滲透壓。

(3) 通過“等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線法”和“穩(wěn)態(tài)蠕變速率法”2種方法進(jìn)行對(duì)比研究，確定了粉砂質(zhì)泥巖三軸蠕變的長期強(qiáng)度。研究表明滲透壓的存在不僅利于巖石裂隙的擴(kuò)展和貫通，而且起到了弱化力學(xué)性質(zhì)的作用，降低了巖石蠕變的長期強(qiáng)度；圍壓對(duì)長期強(qiáng)度具有正效應(yīng)，在其他因素相同的條件下，圍壓越大，粉砂質(zhì)泥巖蠕變的長期強(qiáng)度也越大。

(4) 滲透壓、圍壓的改變必然會(huì)對(duì)巖土體內(nèi)聚力和摩擦角產(chǎn)生影響。開展不同圍壓滲透壓下的直剪試驗(yàn)，研究粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)聚力和摩擦角隨圍壓滲透壓的變化規(guī)律情況，是下一步研究的重點(diǎn)。

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(編輯：陳 敏)

Effects of Osmotic Pressure and Confining Pressure onthe Rheological Properties of Silty Mudstone

MA Chong1,2，HU Bin1，ZHAN Hong-bing1，JIANG Hai-fei1

(1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China;2.School of Mathematical and Physics, China University of Geosciences，Wuhan 430074，China)

Triaxial rheology tests under different confining pressures and osmotic pressures were carried out on the silty mudstone from the Badong formation in Three Gorges Reservoir area to study the effect of osmotic pressure and confining pressure on the rheological properties of rock mass. The collection and preparation of rock specimens as well as the test scheme are introduced in detail. Through analyzing the creep curves of silty mudstone, the osmotic pressure and confining pressure’s influences on the rheological process and mechanism of silty mudstone are discussed. Furthermore, creep long-term strength of silty mudstone under different confining pressures and osmotic pressures is obtained according to the stress-strain isochronal curves and the steady-state creep rate. Results show that: 1) the instantaneous elastic modulus of silty mudstone decreases as the stress level increases; 2) pore water pressure could reduce the axial strain in the initial stage of creep, but increase the axial strain in the later stage of creep because of crack extension; 3) osmotic pressure shortens the time of creep damage and causes some characteristics of brittle failure; 4) osmotic pressure is conducive to the expansion and coalescence of rock fissures, which yields the reduction of the creep long-term strength of rock; whereas confining pressure increases the creep long-term strength. The results provide important experimental and theoretical references to understanding the creep characteristics of silty mudstone in the Three Gorges Reservoir area.

silty mudstone; triaxial rheology; osmotic pressure; confining pressure; long-term strength; Three Gorges Reservoir area

2016-03-08；

2016-04-12

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41172281)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CUGL100413，CUG090104)

馬 沖(1984-),男,山東濱州人，講師，博士研究生，主要從事工程巖土體穩(wěn)定性分析、數(shù)值模擬等研究,(電話)027-67883091(電子信箱)75501839@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160196

2017,34(5):92-98

TU45

A

1001-5485(2017)05-0092-07