含水砂巖三軸蠕變力學(xué)特性試驗(yàn)研究

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

1 研究背景

巖石流變力學(xué)是巷道支護(hù)設(shè)計(jì)工作的重要理論基礎(chǔ)，也是巖石力學(xué)研究核心內(nèi)容之一[1-2]。巷道頂?shù)装逯械膸r體在未受到開采擾動(dòng)及破壞之前均處于三向應(yīng)力狀態(tài)下，因此研究三向應(yīng)力狀態(tài)下巖石的變形和強(qiáng)度特性，對(duì)于探明巖石破壞機(jī)理、巷道各種動(dòng)力災(zāi)害的成因均有著重要的工程實(shí)踐意義[3]。本文研究對(duì)象為某淺埋巷道，其頂板在富水條件下蠕變變形顯著，最終導(dǎo)致冒頂。故深入研究頂板砂巖在三軸條件下受水巖作用影響的蠕變力學(xué)特性很有必要。

目前關(guān)于水對(duì)巖石蠕變特性影響的研究已取得不少成果，巨能攀等[4]開展不同含水率下的泥巖三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，對(duì)泥巖蠕變的非線性特征進(jìn)行深入研究，通過(guò)量化比較得出泥巖的非線性蠕變程度隨含水率提升而愈發(fā)顯著。劉秀敏等[5]以石膏巖為研究對(duì)象，進(jìn)行天然與飽水狀態(tài)下的三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，分析得出飽水試樣的總?cè)渥兞渴翘烊辉嚇拥?3～5倍，等速蠕變量是天然試樣的2～5倍，衰減蠕變量是天然試樣的 4～7倍。李男等[6]以干燥和飽水狀態(tài)下的砂巖為研究對(duì)象，開展剪切蠕變?cè)囼?yàn)，研究發(fā)現(xiàn)水促進(jìn)砂巖的蠕變應(yīng)變及速率的增長(zhǎng)，使蠕變破壞強(qiáng)度明顯降低。李高陽(yáng)[7]進(jìn)行不同浸潤(rùn)條件下的煤巖單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，研究表明隨著浸潤(rùn)時(shí)間的增加，煤巖的蠕變峰值應(yīng)力逐漸降低，軸向應(yīng)變呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

砂巖對(duì)水的作用十分敏感，在水環(huán)境中蠕變現(xiàn)象較為顯著。鑒于此，本文以某淺埋巷道頂板含水砂巖為研究對(duì)象，開展不同飽水時(shí)間下的三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，從應(yīng)變特征、蠕變速率和長(zhǎng)期強(qiáng)度3個(gè)方面分析砂巖在水作用下的蠕變特性，并對(duì)其微觀影響機(jī)制進(jìn)行一定的分析。

2 砂巖基本力學(xué)特性及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試樣制備及基本力學(xué)參數(shù)

試樣取自某淺埋富水巷道頂板，密封后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室加工成Φ50 mm×100 mm的圓柱樣。經(jīng)薄片鑒定，所取砂巖由碎屑物和膠結(jié)物組成，其中碎屑物占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，約占總體的86%，其主要成分為石英(72%)、長(zhǎng)石(10%)、巖屑(3%)、微量礦物(1%)等。膠結(jié)物約占總體的14%，其主要成分為方解石(13%)、綠泥石(1%)等。所取巖樣天然狀態(tài)下的基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖樣基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of rock samples

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)儀器采用YSJ-01-00巖石三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)(見圖1)，巖樣飽水時(shí)間設(shè)置為0 (天然狀態(tài)，含水率ω=1.96%)、1 (ω=3.64%),5 d(ω=5.78%)。將巖樣置于水箱中進(jìn)行自由飽水，每隔24 h稱重一次并記錄。依據(jù)砂巖埋深，將試驗(yàn)圍壓設(shè)置為2 MPa。為了合理設(shè)計(jì)蠕變?cè)囼?yàn)的加載參數(shù)，首先對(duì)砂巖進(jìn)行圍壓2 MPa下的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，為了減小試驗(yàn)誤差，蠕變?cè)囼?yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)在同一臺(tái)儀器上完成，圖2為常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 試驗(yàn)儀器Fig.1 Test instrument

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves

蠕變?cè)囼?yàn)每級(jí)軸向荷載增量Δq=Kqf/n(其中K為材料的強(qiáng)度降低系數(shù)；qf為破壞偏應(yīng)力；n為加載級(jí)數(shù))。試驗(yàn)過(guò)程以0.5 MPa/s的速率施加圍壓，直至加到2 MPa，圍壓加載僅需4 s完成，較大程度避免僅有圍壓而無(wú)軸向荷載時(shí)位移采集系統(tǒng)可能產(chǎn)生的誤差，待圍壓穩(wěn)定后以0.1 mm/s的軸向位移速率施加軸向荷載，直到巖樣破壞，蠕變?cè)囼?yàn)共歷時(shí)873 h。

圖3 分級(jí)加載蠕變曲線Fig.3 Creep curves of staged loading

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

圖3為試驗(yàn)所得分級(jí)加載蠕變曲線。以圖3(a)第2級(jí)加載為例，將其局部放大(見圖4)，進(jìn)行詳細(xì)分析。利用Boltzmann線性疊加原理處理圖3后得到分別加載蠕變曲線(見圖5)。

圖4 局部放大曲線Fig.4 Local magnification curve

圖5 分別加載蠕變曲線Fig.5 Separate creep curves under staged loading

從圖3—圖5可知，試樣在軸向荷載作用下，首先產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)?，其次是蠕變變形ε2。蠕變變形分為3個(gè)階段：衰減蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段和加速蠕變階段。在圖4中，巖樣在第2級(jí)應(yīng)力水平下首先產(chǎn)生瞬時(shí)變形，瞬時(shí)應(yīng)變?chǔ)?=0.275%，然后進(jìn)入衰減蠕變階段，衰減蠕變階段應(yīng)變率逐漸減小，歷經(jīng)0.51 h進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段，在該階段應(yīng)變和應(yīng)變率逐漸趨于穩(wěn)定，此時(shí)蠕變量ε2=0.138%。巖樣在最后一級(jí)應(yīng)力水平下進(jìn)入加速蠕變階段，該階段蠕變量和蠕變速率大幅度增大，最后巖樣迅速破裂[8-9]。

表2 不同含水條件下的應(yīng)變量對(duì)比Table 2 Comparison of strain under different water content conditions

3.2 蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)變特征

砂巖在各級(jí)偏應(yīng)力作用的瞬間，產(chǎn)生了軸向瞬時(shí)彈性應(yīng)變，反映了砂巖具有彈性變形的特性。圖6為不同飽水條件下瞬時(shí)應(yīng)變、蠕變量隨應(yīng)力水平的變化曲線，由于飽水5 d的砂巖巖樣在第4級(jí)加載時(shí)破壞，所以這里只取前4級(jí)的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕變量進(jìn)行對(duì)比。表2為蠕變量與瞬時(shí)應(yīng)變對(duì)比結(jié)果。

圖6 不同飽水條件下的瞬時(shí)應(yīng)變和蠕變量對(duì)比曲線Fig.6 Curves of instantaneous stress and creep with different moisture content

由圖6(a)可看出，瞬時(shí)應(yīng)變隨應(yīng)力水平增加呈線性增大趨勢(shì)，天然狀態(tài)下的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)小于飽水后。在同一應(yīng)力水平下，瞬時(shí)應(yīng)變隨著含水狀態(tài)的增強(qiáng)而遞增。楊彩紅等[10]認(rèn)為巖石抵抗瞬時(shí)彈性變形能力的大小由瞬時(shí)彈性模量來(lái)反映，瞬時(shí)應(yīng)變?cè)酱?，瞬時(shí)彈性模量越小。分析其原因可能為：在飽水條件下，巖石微裂紋不斷擴(kuò)展，孔隙更容易也更快地發(fā)生瞬時(shí)變形；同時(shí)水對(duì)巖石的物理、化學(xué)作用改變了巖石自身的成分和結(jié)構(gòu)，使得瞬時(shí)彈性模量隨飽水時(shí)間的增加而遞減。

由圖6(b)可看出，蠕變量隨應(yīng)力水平增加呈增大趨勢(shì)，天然狀態(tài)下的增長(zhǎng)趨勢(shì)小于飽水后，天然狀態(tài)和飽水1 d呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，飽水5 d呈非線性急劇增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是由于飽水5 d時(shí)巖樣在第4級(jí)加載便進(jìn)入加速蠕變階段，所以此時(shí)蠕變量劇增。在同一應(yīng)力水平下，蠕變量隨著含水狀態(tài)的增強(qiáng)而遞增。由此說(shuō)明水的作用促進(jìn)了巖石時(shí)效變形，使其流變特性更加顯著。分析其原因可能為：天然狀態(tài)下，砂巖總體上微裂隙不發(fā)育，顆粒間的聯(lián)結(jié)較為緊密，隨著蠕變的發(fā)展，顆粒間聯(lián)結(jié)的能量不斷積蓄，當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，便發(fā)生破壞。飽水逐漸增加砂巖的含水率，顆粒在水的潤(rùn)滑作用下產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)滑移[6]，顆粒間聯(lián)結(jié)的能量更難積蓄，這個(gè)臨界值更難達(dá)到，很可能也會(huì)降低，最終蠕變的發(fā)展相比天然狀態(tài)會(huì)有一個(gè)更“艱巨”的過(guò)程，蠕變量也會(huì)隨之增大。

由表2可看出，蠕變量與瞬時(shí)應(yīng)變的比值范圍維持在0.498～0.655之間，天然狀態(tài)、飽水1 d和飽水5 d的平均比值分別為0.521，0.535，0.586，隨著含水狀態(tài)的增強(qiáng)而呈遞增趨勢(shì)。由此可知，隨著含水狀態(tài)的增強(qiáng)，蠕變量的增長(zhǎng)幅度快于瞬時(shí)應(yīng)變，含水狀態(tài)的增強(qiáng)使得巖石的蠕變特性更加顯著。

3.2.2 蠕變速率

蠕變速率求取方法參考張春陽(yáng)等[11]的研究成果，選取 Δti時(shí)間內(nèi)n個(gè)蠕變數(shù)據(jù)，求第n個(gè)數(shù)據(jù)與第n-1個(gè)數(shù)據(jù)之差(n>1)，并求各差值之和，即為Δti時(shí)間內(nèi)的總?cè)渥冊(cè)隽浚詈蟪钥倳r(shí)間Δti，得第i段時(shí)間內(nèi)應(yīng)變速率vi，計(jì)算過(guò)程如下。

(1)

圖7為飽水5 d的蠕變速率曲線，限于篇幅，不再列出天然狀態(tài)和飽水1 d的蠕變速率曲線。

圖7 不同加載下的蠕變速率曲線Fig.7 Curves of creep rate under different loading

由圖7可看出，第4級(jí)加載曲線呈“桶”形，左側(cè)、中間和右側(cè)上升曲線分別代表衰減、穩(wěn)定和加速蠕變階段。從曲線外側(cè)到曲線內(nèi)側(cè)，應(yīng)力水平不斷增大，初始蠕變速率和穩(wěn)態(tài)蠕變速率逐漸增大。為比較不同飽水條件下的蠕變速率，取第4級(jí)加載進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

圖8 不同飽水條件下的蠕變速率曲線Fig.8 Curves of creep rate with different moisture content

由圖8可知，隨著含水狀態(tài)的增強(qiáng)，初始、穩(wěn)態(tài)蠕變速率都逐漸增大。天然狀態(tài)、飽水1 d和飽水5 d的初始蠕變速率分別為1.69×10-2，3.87×10-2，5.54×10-2h-1，穩(wěn)態(tài)蠕變速率分別為0.06×10-2，0.09×10-2，0.21×10-2h-1。從圖8看，不同飽水條件下的蠕變速率差別并不大，實(shí)際上砂巖在水巖作用下，蠕變速率的變化很明顯，可達(dá)數(shù)十倍增長(zhǎng)。

3.2.3 長(zhǎng)期強(qiáng)度

巖石蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度主要用于在長(zhǎng)時(shí)間作用下巖石強(qiáng)度損失程度的評(píng)價(jià)，長(zhǎng)期強(qiáng)度是絕大多數(shù)巖土工程所必須引起重視的力學(xué)特性[12-13]。李良權(quán)等[12]、沈明榮等[13]和張強(qiáng)勇等[14]對(duì)巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度的確定方法進(jìn)行了深入研究。目前較認(rèn)可的確定方法主要有：①等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線簇法；②穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力水平關(guān)系曲線法。

圖9 等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Isochronous stress-strain curves

3.2.3.1 等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線簇法

選取圖5中1 h到71 h共8個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的偏應(yīng)力和應(yīng)變繪制成等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖9)。曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即為長(zhǎng)期強(qiáng)度，該拐點(diǎn)為等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中線性段與非線性段的過(guò)渡點(diǎn)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷選取[12-14]。從1 h到71 h，等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的非線性特征愈發(fā)顯著，曲線逐漸偏向應(yīng)變軸。

通過(guò)等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線簇的拐點(diǎn)得到砂巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度，天然狀態(tài)、飽水1 d和飽水5 d分別為28.12,26.74,21.95 MPa。

3.2.3.2 穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力水平關(guān)系曲線法

利用冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)來(lái)分別擬合穩(wěn)態(tài)蠕變速率與偏應(yīng)力關(guān)系。繪制出穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力水平的關(guān)系曲線，如圖10所示。

圖10 穩(wěn)態(tài)蠕變速率與偏應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.10 Relation between steady-state creep rate and deviatoric stress

由圖10可知，穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力水平呈冪函數(shù)關(guān)系，由此利用冪函數(shù)近直線段的切線在應(yīng)力軸上的截距來(lái)確定長(zhǎng)期強(qiáng)度[12]，天然狀態(tài)、飽水1 d和飽水5 d的長(zhǎng)期強(qiáng)度分別為28.03,26.65,21.87 MPa。利用該方法求取得的長(zhǎng)期強(qiáng)度略小于通過(guò)等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線簇法所求得的值。等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線簇法過(guò)于依賴曲線拐點(diǎn)，選取拐點(diǎn)時(shí)具有一定的主觀性和隨意性，所以本文建議通過(guò)穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力水平關(guān)系曲線法來(lái)確定砂巖長(zhǎng)期強(qiáng)度。

砂巖長(zhǎng)期強(qiáng)度隨著飽水時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸衰減。分析其原因?yàn)椋洪L(zhǎng)期強(qiáng)度可描述為砂巖進(jìn)入加速蠕變階段的破裂應(yīng)力[15]，當(dāng)巖石從穩(wěn)定蠕變階段進(jìn)入加速蠕變階段時(shí)，巖石內(nèi)部逐漸形成了包括裂隙孔洞在內(nèi)的應(yīng)變集中區(qū)，抵抗變形的能力逐漸降低，以后裂隙孔洞的產(chǎn)生更加集中于這一區(qū)域[16]，而當(dāng)巖石的含水率上升時(shí)，水充填到裂隙孔洞之中，使得巖石的應(yīng)變軟化性質(zhì)更加明顯，水的作用降低了進(jìn)入加速蠕變階段的破裂應(yīng)力。

與瞬時(shí)強(qiáng)度相比，3種飽水條件下的長(zhǎng)期強(qiáng)度分別為瞬時(shí)強(qiáng)度的64.12%,62.08%,59.34%，水的作用加劇長(zhǎng)期強(qiáng)度衰減。砂巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度折減較大，水巖作用加劇長(zhǎng)期強(qiáng)度的衰減，實(shí)際工程中應(yīng)考慮長(zhǎng)期強(qiáng)度折減問題，根據(jù)工程環(huán)境適當(dāng)降低強(qiáng)度參數(shù)。

4 結(jié) 論

(1)隨著飽水時(shí)間的增長(zhǎng)和應(yīng)力水平的提高，砂巖瞬時(shí)應(yīng)變和蠕變量都呈遞增趨勢(shì)。隨著含水狀態(tài)的增強(qiáng)，蠕變量的增長(zhǎng)幅度快于瞬時(shí)應(yīng)變，含水狀態(tài)的增強(qiáng)使得巖石的蠕變特性更加顯著。

(2)隨著飽水時(shí)間的增長(zhǎng)，初始蠕變速率和穩(wěn)態(tài)蠕變速率都逐漸增大。穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力水平呈冪函數(shù)關(guān)系。水巖作用下巖石蠕變速率變化十分明顯，可達(dá)數(shù)十倍增長(zhǎng)。

(3)砂巖天然狀態(tài)、飽水1 d和飽水5 d的長(zhǎng)期強(qiáng)度分別為28.03,26.65,21.87 MPa，長(zhǎng)期強(qiáng)度隨著飽水時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸衰減。實(shí)際工程中，尤其是長(zhǎng)期受水作用影響下的巖石工程，應(yīng)考慮長(zhǎng)期強(qiáng)度折減問題。