復(fù)雜地質(zhì)條件下粉砂質(zhì)泥巖蠕變力學(xué)行為研究

(畢節(jié)市勘測設(shè)計研究院，貴州 畢節(jié) 551700)

1 研究背景

深部地下圍巖經(jīng)常承受多場耦合作用，如化學(xué)場、應(yīng)力場、溫度場、滲流場等，再加上自身復(fù)雜多變的物質(zhì)組成及構(gòu)造，其物理力學(xué)性質(zhì)變化多樣，研究這些處于復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖石力學(xué)行為，特別是流變特性，對于工程的長期安全與穩(wěn)定具有重要意義[1-2]。

泥巖是現(xiàn)代工程建設(shè)當(dāng)中最為常見的巖石之一，涉及礦山、水利、交通、建筑、石油天然氣、核廢料存儲等領(lǐng)域，由于泥巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度低、成巖時間較短，在巖土工程界屬于軟巖范疇，其流變特征，特別是蠕變特性較為顯著，對于上述工程的長期建設(shè)和穩(wěn)定具有很大的影響。對此，范秋雁等[3]對泥巖蠕變過程中的損傷性能機(jī)制進(jìn)行了分析探討，并提出巖石的蠕變是損傷效應(yīng)與硬化效應(yīng)共同作用的結(jié)果。茅獻(xiàn)彪等[4]對泥巖進(jìn)行了單軸分級加載蠕變試驗，分析了溫度對泥巖蠕變力學(xué)行為的影響，建立了考慮溫度效應(yīng)的泥巖蠕變本構(gòu)模型。黃小蘭等[5]對泥巖進(jìn)行了不同含水率的強(qiáng)度試驗和蠕變試驗，分析了強(qiáng)度、彈性模量等基本力學(xué)參數(shù)以及蠕變特性的相互差異。馬占國等[6]則對飽和破碎泥巖蠕變過程中孔隙變化規(guī)律進(jìn)行了試驗研究，認(rèn)為孔隙率的變化與蠕變各階段相對應(yīng)，呈階段性變化。

粉砂質(zhì)泥巖是泥巖當(dāng)中較為常見的一種，其蠕變力學(xué)行為一直受到專家學(xué)者的關(guān)注和探討，李亞麗[7]、于懷昌等[8]、徐慧寧等[9]對粉砂質(zhì)泥巖在三向應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變力學(xué)行為及本構(gòu)模型進(jìn)行了研究。馬沖等[10]對三峽庫區(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試驗，探討了應(yīng)力場和滲流場對粉砂質(zhì)泥巖蠕變特性的影響過程和機(jī)理。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對取自某礦井的2種不同粒徑飽水粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了不同溫度-應(yīng)力場下的蠕變力學(xué)試驗，以期為進(jìn)一步揭示粉砂質(zhì)泥巖在復(fù)雜地質(zhì)條件下的流變特性提供理論和試驗支撐。

2 試驗概況

將現(xiàn)場取回的巖芯加工制作成50 mm×100 mm(直徑×高度)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件，根據(jù)粒徑大小，分為粗、細(xì)2組，對其進(jìn)行孔隙率的測定，粗粒徑組的平均孔隙率為0.36，細(xì)粒徑組的平均孔隙率為0.25。將各組粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行飽水試驗，直到前后2次稱重結(jié)果相差<0.5%為止，視為巖石飽水。對各組飽水粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行不同圍壓和溫度下三軸抗壓試驗，得到各應(yīng)力溫度場下強(qiáng)度及相關(guān)參數(shù)，再利用自制的多相耦合蠕變試驗裝置及聲發(fā)射監(jiān)測(材料局部破損過程中快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射，可利用聲發(fā)射放大器和探頭等對其進(jìn)行監(jiān)測和記錄，以下簡稱AE監(jiān)測)系統(tǒng)對各組試件進(jìn)行蠕變試驗，加載過程如下：

(1)將試件用特制高溫膜包裹,放到試驗機(jī)上，安裝軸向、環(huán)向應(yīng)變計。

(2)放下三軸室壁，在三軸室壁相應(yīng)位置放置8個聲發(fā)射探頭，上下端各4個，并把三軸室充滿油。

(3)以30 ℃/h的加溫速率對油進(jìn)行加溫，待加載至預(yù)定溫度后，保持恒定溫度30 min。

(4)對試件施加圍壓至指定大小，然后對試件施加軸向應(yīng)力，加載速率為30 kN/min，應(yīng)力均加載至軸向抗壓強(qiáng)度的85%。

(5)試驗全過程均進(jìn)行AE監(jiān)測，AE門檻值45 dB。

3 常規(guī)加載結(jié)果分析

試驗得到的各溫度-應(yīng)力場下的峰值應(yīng)力(短期強(qiáng)度)見圖1。

圖1 短期強(qiáng)度與圍壓、溫度的關(guān)系Fig.1 Relationship of short-term strength against temperature and confining pressure

從圖1中可以看到：相同溫度下，隨著圍壓的增加，粉砂質(zhì)泥巖的峰值應(yīng)力基本呈線性增加。同等圍壓下，溫度越高，峰值應(yīng)力越低，這是因為高溫會造成試件內(nèi)部的礦物成分發(fā)生分解變化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸由晶態(tài)向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變，力學(xué)性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)弱化，同時顆粒之間的相互膠結(jié)力也發(fā)生劣化，使得巖石出現(xiàn)熱塑性和熱軟化現(xiàn)象，試件內(nèi)部損傷發(fā)展越迅速，強(qiáng)度也隨之降低。當(dāng)溫度>100 ℃后，強(qiáng)度值出現(xiàn)突降，表明溫度>100 ℃后，試件內(nèi)部的熱損傷加??；同等溫度場-應(yīng)力場下，粒徑越大的粉砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度越低，這是因為粒徑越大，其顆粒之間膠結(jié)依附和接觸面積越小，排列不像細(xì)顆粒那么緊密，內(nèi)部孔隙率越大，因而其強(qiáng)度越低。

4 蠕變試驗結(jié)果分析

4.1 蠕變曲線特征

為分析應(yīng)力環(huán)境、溫度以及粒徑粗細(xì)對粉砂質(zhì)泥巖蠕變行為的影響，分別以粗砂巖、圍壓4 MPa，粗砂巖、溫度50 ℃，以及50 ℃下粗細(xì)粒徑為例，得到了各復(fù)雜地質(zhì)條件下的蠕變歷時曲線，見圖2。

圖2 蠕變曲線特征Fig.2 Characteristics of creep curves

從圖2中可以得知:粉砂質(zhì)泥巖的蠕變曲線分為初始(瞬態(tài))蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變以及加速蠕變3個階段。相同圍壓和粒徑下，隨著溫度的升高，粉砂質(zhì)泥巖的穩(wěn)態(tài)蠕變速率逐漸升高，蠕變歷時越短，加速蠕變特征越明顯，破壞時的蠕變應(yīng)變量也越大；同等溫度和粒徑條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變率隨著圍壓的升高而降低，圍壓越大，蠕變歷時越長，出現(xiàn)加速蠕變階段的時間越滯后，非線性加速蠕變特征也越明顯，但破壞時對應(yīng)的應(yīng)變量相差不大；相同應(yīng)力-溫度場下，粒徑較粗的粉砂質(zhì)泥巖穩(wěn)態(tài)蠕變率較細(xì)粒徑粉砂質(zhì)泥巖大，但蠕變歷時較細(xì)粒徑粉砂質(zhì)泥巖短。

由于組成粉砂質(zhì)泥巖的各種礦物成分具有不同的熱膨脹系數(shù)，因而在受熱變形過程中也會表現(xiàn)出不同的變形特性。在高溫作用下，為了保持變形的穩(wěn)定性，各礦物顆粒相互之間產(chǎn)生變形約束力，即變形較快的受壓、變形較慢的受拉，這種熱應(yīng)力會導(dǎo)致試件內(nèi)部熱膨脹失衡;隨著變形的增大，這種不平衡逐漸加大，最終會導(dǎo)致巖石發(fā)生失穩(wěn)破壞，進(jìn)而會加速試件的破壞。因而溫度越高，熱損傷越大，蠕變率越大，蠕變歷時越短，變形也越大。

側(cè)向約束力的增加，延緩了試件顆粒的徑向變形，從而降低了其穩(wěn)態(tài)蠕變率，延長了其蠕變歷時。粒徑越小的粉砂質(zhì)泥巖，其顆粒之間膠結(jié)依附得更為充分，內(nèi)部孔隙率越低，因而其力學(xué)性質(zhì)越好，顆粒相互之間所受的變形約束力越大，從而使得蠕變速率降低。

4.2 孔隙率分析

試驗得到的孔隙率隨蠕變?nèi)^程的變化規(guī)律見圖3。

圖3 不同粒徑試件的孔隙率與蠕變速率關(guān)系Fig.3 Relationship between porosity and creep rate of specimens with different particle sizes

從圖3中可以看到，孔隙率的變化趨勢與蠕變速率的變化特征相似，均近似呈“U”型。蠕變初期，原始微裂紋微孔隙被壓密閉實，孔隙率和蠕變速率逐漸降低；穩(wěn)態(tài)蠕變階段，試件內(nèi)部處于平衡狀態(tài)，新生裂紋孔隙產(chǎn)生之后很快又被壓實，孔隙率和蠕變速率處于動態(tài)平衡；加速蠕變階段，大量新生裂紋和孔隙發(fā)展貫通，孔隙率和蠕變速率增大。蠕變過程中各應(yīng)力-溫度環(huán)境下孔隙率的變化幅度見表1。從表1中可以看到：相同圍壓下，隨著溫度的升高，孔隙率的變化幅度增大；同等溫度下，圍壓越高，孔隙率的變化幅度越?。幌嗤瑴囟?應(yīng)力環(huán)境下，粒徑越粗，孔隙率變化幅度越大。

表1 孔隙率變化幅度與溫度、應(yīng)力、粒徑的關(guān)系Table 1 Relationship of porosity change rate againsttemperature, stress, and particle size

4.3 穩(wěn)態(tài)蠕變速率分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分析得到了不同應(yīng)力-溫度場下粉砂質(zhì)泥巖穩(wěn)態(tài)蠕變速率(簡稱蠕變率)的變化特征，見圖4。從圖4中可以看到，同等粒徑和圍壓下，穩(wěn)態(tài)蠕變率隨著溫度的升高呈指數(shù)型函數(shù)增加，當(dāng)溫度>100 ℃時，是穩(wěn)態(tài)蠕變率加速增大的分界點，表明此高溫條件下，試件內(nèi)部熱損傷加劇，這與常規(guī)加載試驗結(jié)果類似；相同粒徑和溫度下，圍壓越大，穩(wěn)態(tài)蠕變率越低，并呈線性減小；對比相同溫度-應(yīng)力場下不同粒徑的穩(wěn)態(tài)蠕變率可以發(fā)現(xiàn)，粒徑較粗的粉砂質(zhì)泥巖穩(wěn)態(tài)蠕變率均大于細(xì)粒徑粉砂質(zhì)泥巖。

圖4 穩(wěn)態(tài)蠕變率與溫度、圍壓、粒徑的關(guān)系Fig.4 Relationship of steady creep rate against temperature, confining pressure, and particle size

從上文分析可以得到：穩(wěn)態(tài)蠕變率與溫度、圍壓、粒徑大小等均有關(guān)系，根據(jù)試驗結(jié)果，以疊加理論為基礎(chǔ)，假設(shè)穩(wěn)態(tài)蠕變率與三者呈如下關(guān)系，即

(1)

將式(1)進(jìn)行進(jìn)一步簡化，可得

(2)

式中a，b，c均是與溫度、應(yīng)力等相關(guān)的擬合常數(shù)。

采用非線性擬合軟件，通過三維數(shù)值模擬分別得到了粗、細(xì)2種粒徑下，粉砂質(zhì)泥巖穩(wěn)態(tài)蠕變率經(jīng)驗方程，即

分別將粗、細(xì)粉砂質(zhì)泥巖試驗得到的穩(wěn)態(tài)蠕變率與代入式(3)的理論值對比，見圖5。從圖5中可以看到，粗、細(xì)粉砂質(zhì)泥巖的擬合度R2分別為90.51%和90.343%。這表明式(3)可以較好地模擬粗、細(xì)粉砂質(zhì)泥巖在各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率大小。

圖5 粉砂質(zhì)泥巖試驗結(jié)果與理論數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison between test results and theoretical data of silty mudstone

4.4 長期強(qiáng)度特征

求取巖石長期強(qiáng)度的方法較多，如等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線法、穩(wěn)態(tài)蠕變率法、蠕變曲線第一拐點法以及裂紋損傷(體積膨脹)法等。其中，前3種方法均是需要對同一試件施加多級荷載才可求解，第4種方法則是通過短期加載時體積應(yīng)變的變化特征來判斷其長期強(qiáng)度。由于本文均為單級加載，因此，筆者采用第4種方法來求不同溫度-應(yīng)力下粉砂質(zhì)泥巖的長期強(qiáng)度。

巖石材料在短期加載受力破壞過程中其體積應(yīng)變大致可以分為4個階段：

(1)裂紋閉合階段，此時巖石體積減小，體變速率為正。

(2)彈性壓縮階段，此時巖石體積呈線性減小，體變速率為正且恒定。

(3)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此時體積變形速率為正但逐漸減小。

(4)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，此階段巖石體積變形速率為負(fù)，即發(fā)生體積擴(kuò)容，最后巖石發(fā)生破壞。

Martin等[11-12]通過大量的研究認(rèn)為：體積由壓縮向膨脹轉(zhuǎn)變的拐點多對應(yīng)的應(yīng)力(體變拐點)為巖石的裂紋損傷應(yīng)力值σcd(也稱為損傷起始閾值應(yīng)力)，該值可以作為判別巖石長期強(qiáng)度的一個指標(biāo)。

以裂紋損傷應(yīng)力法求解得到的2組粒徑下在不同溫度-應(yīng)力環(huán)境下的長期強(qiáng)度值與短期強(qiáng)度的對比見表2。

表2 不同粒徑的長期強(qiáng)度與短期強(qiáng)度對比Table 2 Comparison between long-term strength andshort-term strength of specimens of different particle sizes

從表2中可以得出：長期強(qiáng)度值與短期強(qiáng)度值表現(xiàn)一致，即相同圍壓下隨著溫度的升高而降低，同等溫度下隨著圍壓的升高而增大，相同應(yīng)力和溫度下，粒徑較粗的粉砂質(zhì)泥巖長期強(qiáng)度值小于粒徑較細(xì)的一組;低溫及常溫作用下，長期強(qiáng)度與短期強(qiáng)度的比值基本能達(dá)到60%以上，可當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃時，長期強(qiáng)度值與短期強(qiáng)度的比值低于60%，特別是粒徑較粗、圍壓較低時，其比值僅為40%～45%。可見，復(fù)雜地質(zhì)條件下，具有長期設(shè)計使用期限的地下工程，如地下廠房、采礦工程、石油天然氣儲氣庫等，在設(shè)計規(guī)劃時必須考慮采用巖石的長期強(qiáng)度特征作為其設(shè)計指標(biāo)，同時要結(jié)合不同的地質(zhì)條件合理取值，才能達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性的同時兼顧。

5 聲發(fā)射特征

泥巖在蠕變過程當(dāng)中，會將積累釋放的能量以彈性波的方式釋放出來，而聲發(fā)射檢測儀器會探測捕捉到這些信號，這些信號反映了泥巖內(nèi)部損傷的發(fā)展過程。聲發(fā)射振鈴計數(shù)是所有AE參數(shù)中最為常用的一種，其變化特征更能反映巖石損傷演化規(guī)律。由于試驗試件較多，文中僅以部分試件作為例子來說明溫度-應(yīng)力及粒徑對聲發(fā)射特征的影響。

分別選擇粗、細(xì)兩組試件，圍壓采用2 MPa和8 MPa，溫度為20 ℃和120 ℃,共采用4個試件進(jìn)行分析，試驗得到的各應(yīng)力-溫度場下聲發(fā)射振鈴計數(shù)率與應(yīng)變的關(guān)系見圖6。

圖6 振鈴計數(shù)率和應(yīng)變隨時間的變化Fig.6 Changes of ringing count rate and strain with time

從圖6中可以看到，巖石的聲發(fā)射特征與蠕變3個階段相呼應(yīng)，整體呈U型變化，這與蠕變速率變化特征相似：初始蠕變階段，原生微孔隙和微裂隙逐漸被壓密閉合并伴隨大量的摩擦信號，因而聲發(fā)射較為活躍；穩(wěn)態(tài)蠕變階段，原生微孔隙、裂隙經(jīng)過壓密閉合之后，蠕變速率逐漸趨于平穩(wěn)，而少量的新生裂隙在產(chǎn)生過后很快又被壓密閉合，聲發(fā)射信號相對于蠕變初期有所弱化且處于整體的相對穩(wěn)定階段；加速蠕變階段，試件內(nèi)部開始產(chǎn)生實質(zhì)性的損傷，宏觀力學(xué)性質(zhì)逐漸減弱，新生微孔隙和裂隙衍生擴(kuò)展并逐漸貫通，聲發(fā)射信號逐漸加強(qiáng)，在發(fā)生蠕變斷裂的短暫時間里，聲發(fā)射信號達(dá)到最大值。體變拐點附近，此時新裂紋開始產(chǎn)生以及初始裂紋由于應(yīng)力集中逐漸開始擴(kuò)展,因而聲發(fā)射非?；钴S，即出現(xiàn)短暫的高頻、高幅值的AE特征。

溫度和應(yīng)力相同時，粒徑較粗的聲發(fā)射信號強(qiáng)于粒徑較細(xì)的一組。從整體上分析即為：粒徑越粗，圍壓越大，溫度越高，巖石的聲發(fā)射信號越是呈高頻率、高幅值的特征，這是因為：粒徑較大的粉砂質(zhì)泥巖，其孔隙率越大，顆粒之間具有較大的蠕變變形空間，在蠕變變形過程中，產(chǎn)生的摩擦信號也越多，因而聲發(fā)射越活躍；圍壓的升高，在一定程度上使得泥巖試件的變形能力增強(qiáng)，同時也會使得超過聲發(fā)射儀閾值的聲發(fā)射信號量增加，因而AE信號也越強(qiáng)烈；溫度越高，對試件的熱損傷作用越劇烈，試件內(nèi)部礦物物質(zhì)發(fā)生分解變化越嚴(yán)重，力學(xué)性質(zhì)隨之發(fā)生弱化，顆粒之間變形約束力減小，蠕變速率增大，因而聲發(fā)射信號也越強(qiáng)。

6 結(jié) 論

(1) 溫度越高，圍壓越大，粉砂質(zhì)泥巖的強(qiáng)度越高，孔隙率變化幅度越大；穩(wěn)態(tài)蠕變速率與孔隙率隨時間均呈“U”型變化趨勢，隨圍壓的升高呈線性降低，隨溫度的升高呈指數(shù)函數(shù)增長；粒徑越粗，泥巖力學(xué)性質(zhì)越弱。

(2)基于體積膨脹法得到的長期強(qiáng)度表明，長期強(qiáng)度與短期強(qiáng)度表現(xiàn)一致，粒徑越粗，圍壓越小，溫度越高，長期強(qiáng)度與短期強(qiáng)度的比值就越小，在具有長期設(shè)計期限的工程時需要格外注意。

(3)聲發(fā)射特征與蠕變速率和孔隙率的變化特征類似，并在體積拐點處格外活躍；溫度越高，圍壓越大，粒徑較粗的試件聲發(fā)射越活躍，并呈高頻高幅值的變化特征。