孔隙水壓作用下隧道圍巖的卸荷蠕變特性

張 平

(中鐵十九局集團 第三工程有限公司, 沈陽 110136)

0 引 言

巖石蠕變是巖石類材料的重要性質(zhì)，蠕變對于地下結(jié)構(gòu)的長期安全穩(wěn)定具有重要影響。蠕變包括加載蠕變和卸載蠕變，通常地下硐室開挖屬于卸荷過程。地下水同樣對隧道等地下硐室圍巖的安全穩(wěn)定具有重要影響。針對上述影響因素，文中開展了考慮孔隙水壓作用下的三軸卸荷蠕變實驗。

近年來，我國學(xué)者對巖石的蠕變力學(xué)特性進行了大量研究。姜海濤[1]通過MTS815.02三軸實驗系統(tǒng)對白石水電站引水隧洞圍巖進行了不同溫度環(huán)境下的單軸卸荷蠕變實驗。張龍云等[2]對花崗巖開展了溫度為50 ℃、不同圍壓下的三軸卸荷蠕變實驗，分析了花崗巖的卸荷蠕變力學(xué)特性及宏觀破壞機制。任青陽等[3]以貴州某高速公路項目為工程背景，對項目泥質(zhì)砂巖進行了恒軸卸圍實驗和等比例同時卸圍壓、軸壓實驗，分析了不同應(yīng)力路徑下泥巖的變形破壞特征。黃達等[4]以雅礱江錦屏一級水電站為工程背景，對該項目大理巖進行了分級卸荷蠕變實驗，分析了不同分級卸荷量下大理巖的力學(xué)變化特征。閆子艦等[5]同樣以錦屏一級水電站引水隧洞為工程背景，采用恒軸壓、卸圍壓實驗對大理巖進行了三軸卸荷蠕變實驗，分析了卸荷條件下大理巖的應(yīng)力狀態(tài)及變形特征。朱杰兵等[6]通過三軸卸荷蠕變實驗對頁巖的卸荷蠕變特性進行了研究。張樹光等[7]通過不同卸荷量的三軸卸荷蠕變實驗，建立了考慮卸荷量的損傷蠕變模型，并對模型參數(shù)進行了驗證。蒲成志等[8]建立了考慮時效損傷的蠕變模型，并通過砂質(zhì)頁巖三軸卸荷蠕變實驗對其所建立的模型進行了驗證。楊超等[9]為研究斷續(xù)巖體的卸荷蠕變特性，采用完整砂巖試樣切割后填充水泥砂漿來模擬斷續(xù)巖體，并對其進行了三軸卸荷蠕變實驗。張軍偉等[10]基于煤樣的三軸卸荷實驗，對不同卸荷速率下的煤樣卸荷力學(xué)特性進行了研究，并從能量角度分析了卸荷過程中煤樣的能量演化特征。

綜上分析，已有研究對孔隙水壓作用下的巖石力學(xué)特性進行了較為詳細的研究，但對孔隙水壓作用下巖石的卸荷力學(xué)特性研究相對較少。基于此，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合遼寧某在建隧道的工程實際，對該隧道砂巖展開了考慮孔隙水壓作用下的三軸卸荷蠕變實驗，分析了不同孔隙水壓的蠕變曲線、瞬時應(yīng)變及蠕應(yīng)變隨孔隙水壓分布規(guī)律，為工程實際提供可靠的理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗設(shè)備與試樣制備

此次砂巖三軸卸荷蠕變實驗在MTS815多功能巖石實驗機上完成(圖1a)。該設(shè)備具有3套獨立的加載系統(tǒng)，包括軸壓、圍壓及孔隙水壓加載系統(tǒng)。其中，軸壓系統(tǒng)采用了伺服電機、液壓及滾珠絲杠等技術(shù)，具有較好的穩(wěn)壓效果。實驗用砂巖采自隧道施工現(xiàn)場，主要成分為石英、長石、云母等。將現(xiàn)場巖塊進行粗加工后運抵室內(nèi)實驗室，經(jīng)過鉆孔、切割、打磨，制成直徑50 mm、高度100 mm的標準圓柱試件(圖1b)。

圖1 實驗設(shè)備與砂巖試樣Fig. 1 Test equipment and sandstone samples

1.2 實驗方法與結(jié)果

此次孔隙水壓作用下的砂巖三軸卸荷蠕變實驗的應(yīng)力路徑為恒軸壓、逐級卸圍壓。考慮到蠕變實驗時間相對較長，盡可能的得到蠕變?nèi)^程曲線，取第一級荷載水平為對應(yīng)條件下砂巖峰值強度的70%左右，以此來確保試樣能夠在3～5級荷載范圍內(nèi)發(fā)生破壞，進而得到包括加速蠕變階段的全過程蠕變曲線。在實驗開始前需對砂巖試樣進行飽水處理。根據(jù)隧道實際埋深，文中取三軸實驗圍壓為40 MPa，軸壓為220 MPa，偏應(yīng)力為180 MPa，孔隙水壓分別為0、5、10、15 MPa。具體實驗過程如下：

(1)安裝試件，采用熱縮管將巖石試樣及上下帶有密封圈的墊塊包裹住，使用環(huán)錮將熱縮管兩端套緊，防止液壓油進入管內(nèi)影響實驗結(jié)果。

(2)安裝孔隙水壓進水高壓管。

(3)安裝軸向及環(huán)向位移引伸計，調(diào)整試樣軸心位置，使其與實驗機軸心重合，封閉三軸壓力室。

(4)對三軸壓力室充油，油滿后設(shè)置圍壓、軸壓及孔隙水壓至預(yù)定值。首先，施加圍壓，加載速率為0.5 MPa/s，然后以相同速率施加孔隙水壓，最后以0.5 MPa/s的加載速率施加軸向應(yīng)力至預(yù)定值。

(5)待上述步驟完成后，開始卸圍壓至預(yù)定值，卸載速率為0.1 MPa/s，保持該應(yīng)力狀態(tài)一定時間后再卸載下一級圍壓，直至實驗失穩(wěn)破壞，提取實驗數(shù)據(jù)，進行下一組實驗。

根據(jù)上述實驗方案，不同孔隙水壓作用下的砂巖卸荷蠕變曲線如圖2所示，限于篇幅，文中僅給出孔隙水壓0和15 MPa的實驗數(shù)據(jù)，見表1。其中，σ為軸向應(yīng)力，σ1-σ3為偏應(yīng)力，t為蠕變時間，pw為孔隙水壓，ε1為瞬時應(yīng)變，ε2為蠕應(yīng)變，k=ε1/ε2。實驗中，當圍壓pz和軸壓分別達到40和220 MPa時，開始卸圍壓，卸載速率為0.1 MPa/s，每級卸載水平為5 MPa，直至試樣破壞。

表1 不同孔隙水壓下砂巖三軸卸荷蠕變實驗結(jié)果

圖2 不同孔隙水壓下砂巖三軸卸荷蠕變曲線Fig. 2 Triaxial unloading creep curves of sandstone under different pore pressure

2 結(jié)果與分析

2.1 不同孔隙水壓下的蠕變曲線

為了更加清晰的觀察不同孔隙水壓下砂巖卸荷蠕變曲線之間的差異，將不同孔隙水壓下的蠕變曲線繪于同一圖中，如圖3所示。

圖3 不同孔隙水壓下的砂巖蠕變曲線Fig. 3 Creep curves of sandstone under different pore pressures

由圖3可知，孔隙水壓對試樣的卸荷蠕變特性具有顯著影響。文中將從蠕變曲線、瞬時應(yīng)變、瞬時變形模量、蠕應(yīng)變、體積應(yīng)變及蠕變速率等方面對不同孔隙水壓作用下砂巖卸荷蠕變實驗結(jié)果進行分析。

由圖3可知，在同一荷載水平下，隨著孔隙水壓的逐漸增大，蠕變破壞所需時間逐漸縮短，試樣的變形量逐漸增大，變形能力逐漸增強，最終的破壞荷載水平逐漸減小。在最后一級荷載水平作用下，無孔隙水壓作用下砂巖試樣的加速蠕變曲線相對緩和。隨著孔隙水壓的逐漸增大，試樣的加速階段曲線逐漸變陡。當孔隙水壓為15 MPa、荷載水平加載至190 MPa時，試樣在經(jīng)歷短暫的蠕變后直接發(fā)生破壞，加速階段減弱，試樣表現(xiàn)出顯著的脆性破壞特征?？梢姡紫端畨簩r石試樣具有較為強烈的損傷劣化作用。其原因可解釋為，孔隙水壓能夠使試樣內(nèi)部裂隙尖端產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，使裂隙的擴展能力得到增強，且孔隙水壓越大，相同條件下試樣內(nèi)部孔隙的擴展能力越強。

2.2 孔隙水壓對砂巖卸荷瞬時應(yīng)變的影響

在卸圍壓瞬間試樣產(chǎn)生了變形，即瞬時變形。圖4為不同荷載水平下砂巖試樣的瞬時應(yīng)變隨孔隙水壓的變化曲線。由圖4可知，砂巖試樣的軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變均隨孔隙水壓的增大而逐漸增大，且增幅有逐漸遞減趨勢?？紫端畨涸趲r石蠕變過程中所產(chǎn)生的影響是動態(tài)變化的。當軸向荷載為零時，孔隙水壓對巖石的影響范圍有限，僅在局部產(chǎn)生劣化，削弱巖石的承載能力。隨著軸向荷載的增大，試樣內(nèi)部新生裂隙開始發(fā)育擴展，孔隙水壓將沿著新生裂隙逐漸擴散，影響范圍逐漸增大，并逐漸形成一條宏觀裂縫。裂縫以外的范圍將不再產(chǎn)生明顯裂隙，此時的孔隙水壓影響范圍達到極限。孔隙水壓對巖石承載能力的削弱不會再像剛開始時強烈，因此，試樣的瞬時應(yīng)變增幅逐漸減小。

圖4 孔隙水壓對瞬時應(yīng)變的影響Fig. 4 Effect of pore water pressure on transient strain

從圖4中還可以看出，相同荷載水平及孔隙水壓下，試樣軸向瞬時應(yīng)變均大于橫向瞬時應(yīng)變，且軸向瞬時應(yīng)變的變化率同樣大于橫向瞬時應(yīng)變。以荷載水平195 MPa為例，當孔隙水壓為0時，試樣的軸向瞬時應(yīng)變?yōu)?.069%，橫向瞬時應(yīng)變?yōu)?.057%；當孔隙水壓增大10 MPa時，試樣的軸向、橫向瞬時應(yīng)變分別為0.088%、0.061%，其中，軸向瞬時應(yīng)變的變化率為0.002 4，橫向瞬時應(yīng)變的變化率為0.000 5，驗證了前述觀點。

2.3 孔隙水壓對砂巖蠕應(yīng)變的影響

圖5為不同荷載水平下砂巖試樣的卸荷蠕應(yīng)變隨孔隙水壓的分布曲線。隨著孔隙水壓的逐漸增大，試樣的蠕應(yīng)變呈逐漸遞增趨勢，且荷載水平越高，曲線的斜率越高，表明孔隙水壓隨砂巖蠕應(yīng)變的影響越顯著。

圖5 蠕應(yīng)變與孔隙水壓的關(guān)系Fig. 5 Relationship between creep strain and pore water pressure

圖6為不同荷載水平下砂巖的蠕應(yīng)變與瞬時應(yīng)變比值隨孔隙水壓的分布規(guī)律。二者比值同樣隨孔隙水壓的增大呈逐漸遞增趨勢。以孔隙水壓15 MPa為例，當荷載水平為 185 MPa時，試樣的軸向蠕應(yīng)變?yōu)?.047%，橫向蠕應(yīng)變?yōu)?.040%，軸向蠕應(yīng)變與瞬時應(yīng)變比值為0.6，橫向蠕應(yīng)變與瞬時應(yīng)變比值為0.91；當荷載水平為190 MPa時，軸向蠕應(yīng)變?yōu)?.054%，橫向蠕應(yīng)變?yōu)?.062%，軸向蠕應(yīng)變與瞬時應(yīng)變比值為0.63，橫向蠕應(yīng)變與瞬時應(yīng)變比值為0.95。通過上述數(shù)據(jù)分析可知，荷載水平直接影響孔隙水壓在巖石卸荷蠕變過程中的作用。

圖6 砂巖卸荷蠕應(yīng)變與瞬時應(yīng)變比值隨孔隙水壓的變化規(guī)律Fig. 6 Ratio of unloading creep strain to instantaneous strain varies with pore water pressure

產(chǎn)生上述圖中現(xiàn)象的原因可通過損傷力學(xué)角度進行解釋。巖石類材料發(fā)生蠕變，其實質(zhì)是內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)在外荷載作用下隨時間不斷改變、內(nèi)部孔隙裂隙不斷擴展、損傷逐漸積累的過程。巖石的損傷程度將直接影響其蠕變過程，而試樣內(nèi)部的損傷程度與荷載、時間及孔隙水壓有直接聯(lián)系。一般情況下，巖石的損傷程度隨荷載水平升高逐漸增大，隨蠕變時間的延長逐漸增大，隨孔隙水壓的增強逐漸增大。在有孔隙水壓的作用下，試樣內(nèi)部的裂隙更易張開，損傷程度更加嚴重。因此，同一荷載水平及作用時間下，有孔隙水壓的蠕變量更大。

3 結(jié) 論

(1)相同荷載水平下，孔隙水壓越大，蠕變破壞所需時間越短，試樣的變形量越大，變形能力越強，最終破壞荷載水平越小。在最后一級荷載水平作用下，無孔隙水壓作用下砂巖試樣的加速蠕變曲線相對緩和。隨著孔隙水壓的逐漸增大，試樣的加速階段曲線逐漸變陡。

(2)相同荷載水平下，隨著孔隙水壓的逐漸增大，砂巖試樣的軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變均呈逐漸遞增趨勢，且增幅逐漸減?。辉嚇拥娜鋺?yīng)變呈逐漸遞增趨勢，且荷載水平越高，曲線的斜率越高，表明孔隙水壓隨砂巖蠕應(yīng)變的影響越顯著。根據(jù)砂巖的卸荷瞬時應(yīng)變與蠕應(yīng)變的比值隨孔隙水壓的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，二者比值同樣隨孔隙水壓的增大呈逐漸遞增趨勢。