二疊系炭質(zhì)頁(yè)巖軟弱夾層蠕變特性研究*

尤耿明,王光進(jìn),,孔祥云,胡 航,陳志斌

(1.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院,云南 昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，金屬礦尾礦資源綠色綜合利用國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,云南 昆明 650093)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)石灰?guī)r礦山中大多發(fā)育有單層或多層炭質(zhì)頁(yè)巖，其在坡體中形成軟弱帶或軟弱結(jié)構(gòu)面，直接影響了石灰?guī)r礦山邊坡的穩(wěn)定性。炭質(zhì)頁(yè)巖軟弱夾層大規(guī)模滑動(dòng)破壞事故時(shí)有發(fā)生，如：重慶武隆雞尾山滑坡事故，約5×106m3的灰?guī)r山體被炭質(zhì)頁(yè)巖軟弱結(jié)構(gòu)面切割成“積木塊”狀崩塌而下，造成74人死亡、8人受傷；四川峨眉山水泥廠滑坡事故，約6×105m3的滑體沿炭質(zhì)頁(yè)巖軟弱夾層整體發(fā)生滑動(dòng)破壞，造成8人死亡[1-3]。因炭質(zhì)頁(yè)巖的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于石灰?guī)r，且位移較大，對(duì)時(shí)間的敏感度更高，往往成為決定石灰?guī)r礦山邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定的關(guān)鍵因素[4]。

在長(zhǎng)期的地質(zhì)演化過(guò)程中，巖土的自身結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生改變，其力學(xué)性質(zhì)也隨之變化；在長(zhǎng)期荷載和瞬時(shí)荷載的作用下，巖土的抗剪切破壞能力也會(huì)有所不同[5-6]。針對(duì)巖土長(zhǎng)期強(qiáng)度的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展：王明旭等[7]通過(guò)對(duì)礦化花崗巖試件的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，得到了礦化花崗巖的蠕變特性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性；劉志河等[8]針對(duì)灰石膏礦巖進(jìn)行了單軸蠕變?cè)囼?yàn)，探究了灰石膏礦巖的蠕變破壞過(guò)程和長(zhǎng)期壓縮蠕變強(qiáng)度；李祖勇等[9]基于凍結(jié)紅砂巖蠕變?cè)囼?yàn),利用過(guò)渡蠕變法、穩(wěn)態(tài)蠕變速率交點(diǎn)法等多種方法得到凍結(jié)砂巖長(zhǎng)期強(qiáng)度；周曉飛等[10]采用直剪蠕變儀對(duì)邊坡巖體中的泥質(zhì)夾層進(jìn)行了直剪蠕變?cè)囼?yàn),通過(guò)對(duì)模型冪級(jí)次的探尋獲得了邊坡巖體泥質(zhì)夾層的長(zhǎng)期強(qiáng)度；王宇等[11]通過(guò)拐點(diǎn)法確定了不同正應(yīng)力水平下壩基軟弱夾層的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度,并與穩(wěn)態(tài)蠕變速率法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證；張清照等[12]通過(guò)過(guò)渡蠕變法得出綠片巖試樣長(zhǎng)期強(qiáng)度基本為瞬時(shí)強(qiáng)度的80%左右；劉穎等[13]比較了不同含水狀態(tài)下巖石的蠕變速率及長(zhǎng)期強(qiáng)度變化特征；劉傳孝等[14]進(jìn)行了深部堅(jiān)硬細(xì)砂巖長(zhǎng)期強(qiáng)度試驗(yàn)；沈明榮等[15]開(kāi)展了紅砂巖的單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，利用等時(shí)曲線法探討了紅砂巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度；王振等[16]基于等應(yīng)變速率曲線拐點(diǎn)法及極限應(yīng)變法確定了綠片巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度；崔旋等[17]采用黏塑性應(yīng)變率法推斷了巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度；張強(qiáng)勇等[18]運(yùn)用等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線簇法探索了硬脆性輝綠巖的流變長(zhǎng)期強(qiáng)度；張龍?jiān)频萚19]根據(jù)巖石穩(wěn)態(tài)蠕變階段軸向和側(cè)向速率交點(diǎn)確定了巖石卸荷蠕變的長(zhǎng)期強(qiáng)度；李良權(quán)等[20]認(rèn)為穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力的關(guān)系可作為確定巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度的一種方法。

從目前來(lái)看，學(xué)者們對(duì)巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度的研究大多基于單軸、三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，且大多是針對(duì)堅(jiān)硬巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度研究，缺乏通過(guò)剪切蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)軟弱巖體長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度的系統(tǒng)研究。本文通過(guò)對(duì)二疊系炭質(zhì)頁(yè)巖軟弱夾層的室內(nèi)常規(guī)剪切試驗(yàn)及剪切蠕變?cè)囼?yàn)，研究軟弱夾層的常規(guī)抗剪強(qiáng)度及長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度，以及軟弱夾層的蠕變位移規(guī)律及蠕變特性。

1 常規(guī)剪切試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)參照所取軟弱夾層現(xiàn)場(chǎng)所受到的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)天然狀態(tài)下的炭質(zhì)頁(yè)巖軟弱夾層進(jìn)行常規(guī)剪切試驗(yàn)。將密封固定好的試樣加工成5個(gè)尺寸為 15 cm×15 cm×15 cm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別進(jìn)行5個(gè)不同正應(yīng)力大小的剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)前先對(duì)所有位移傳感器采集數(shù)據(jù)直至穩(wěn)定，再勻速連續(xù)施加正應(yīng)力，達(dá)到預(yù)定值并穩(wěn)定10 min后，保持正應(yīng)力不變，開(kāi)始勻速連續(xù)施加剪應(yīng)力直至軟弱夾層試樣被破壞。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖1是軟弱夾層常規(guī)剪切試驗(yàn)的剪應(yīng)力-位移曲線，表1是軟弱夾層常規(guī)剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

圖1 常規(guī)剪應(yīng)力-位移曲線

表1 軟弱夾層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由圖1可以看出：當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值剪切強(qiáng)度后，試樣發(fā)生了剪切破壞，然后在較小的剪應(yīng)力作用下就可使試樣持續(xù)變形；試樣峰值剪切強(qiáng)度隨著正應(yīng)力σ的增大而增大，峰值剪切強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的峰值位移也隨之增大，呈現(xiàn)出較好的規(guī)律性。5個(gè)正應(yīng)力條件下對(duì)應(yīng)不同的峰值剪切強(qiáng)度得到5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，利用最小二乘法將5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合得到抗剪強(qiáng)度-正應(yīng)力變化關(guān)系(見(jiàn)圖2)，以庫(kù)侖剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則為基礎(chǔ)求得軟弱夾層的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

圖2 常規(guī)抗剪強(qiáng)度-正應(yīng)力關(guān)系

2 剪切蠕變力學(xué)特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)參照軟弱夾層所處的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài),制備3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，在3個(gè)不同正應(yīng)力狀態(tài)下分級(jí)施加剪應(yīng)力進(jìn)行剪切蠕變?cè)囼?yàn)。在加載正應(yīng)力及剪應(yīng)力之前，將所有傳感器先采集數(shù)據(jù) 24 h 以上，待位移傳感器穩(wěn)定后勻速連續(xù)施加正應(yīng)力，達(dá)到預(yù)設(shè)值后保持正應(yīng)力不變，開(kāi)始分級(jí)施加剪應(yīng)力，每施加一級(jí)剪應(yīng)力前需要前一級(jí)剪切蠕變變形趨于穩(wěn)定。根據(jù)常規(guī)剪切試驗(yàn)的峰值剪應(yīng)力預(yù)估試樣發(fā)生流變破壞的剪應(yīng)力，至少分 5 級(jí)剪應(yīng)力進(jìn)行加載，直至試樣發(fā)生流變破壞。具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 剪切蠕變?cè)囼?yàn)方案

2.2 剪切蠕變位移變化規(guī)律

在一定的正應(yīng)力條件下，逐級(jí)施加剪應(yīng)力，將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)通過(guò) Boltzmann 線性疊加原理擬合為蠕變曲線。圖3為不同正應(yīng)力條件下的蠕變曲線。由圖3可知，二疊系炭質(zhì)頁(yè)巖軟弱夾層具有明顯的蠕變特性，具體可概括為3個(gè)階段。

a.初始蠕變階段。各級(jí)剪應(yīng)力加載后，試樣均出現(xiàn)了瞬時(shí)變形，該階段用時(shí)短，剪切位移大，蠕變速率先迅速增大后持續(xù)衰減。

b.穩(wěn)態(tài)蠕變階段。初始蠕變階段結(jié)束后，除最后一級(jí)剪應(yīng)力外，各級(jí)剪應(yīng)力下試樣均出現(xiàn)了穩(wěn)定蠕變，蠕變曲線近似于水平直線，該階段歷時(shí)較長(zhǎng)，位移微小，蠕變速率趨于0。

c.加速蠕變階段。在施加最后一級(jí)剪應(yīng)力時(shí)，試樣出現(xiàn)明顯的加速變形，剪切位移在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，直至試樣破裂。

以正應(yīng)力為 1.5 MPa 時(shí)的剪切蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果為例，可知在相同正應(yīng)力條件下，施加的剪應(yīng)力越大，試樣的蠕變位移和蠕變位移速率越大。表3給出了正應(yīng)力為 1.5 MPa 時(shí)軟弱夾層在各級(jí)剪應(yīng)力下的剪切蠕變位移及位移速率。

(a)σ=0.5 MPa (b)σ=1.0 MPa (c)σ=1.5 MPa

表3 軟弱夾層的剪切蠕變位移(σ=1.5 MPa )

2.3 長(zhǎng)期與常規(guī)抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比

巖石在長(zhǎng)期恒定的荷載作用下強(qiáng)度逐漸降低，并趨于一個(gè)穩(wěn)定的臨界值。當(dāng)荷載大于此臨界值時(shí)，巖石的蠕變變形會(huì)不斷增加直至破壞；當(dāng)荷載小于此臨界值時(shí)，蠕變變形趨于收斂，巖石不會(huì)發(fā)生破壞；此臨界值稱為巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度。本文通過(guò)對(duì)軟弱夾層試樣的分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)，基于每一級(jí)剪應(yīng)力水平下的蠕變曲線，以不同時(shí)間為參數(shù)，得到一簇位移-剪應(yīng)力等時(shí)曲線(見(jiàn)圖4)，曲線的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力水平即為巖石的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度。由3個(gè)正應(yīng)力條件下的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度得到3個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)線性擬合得到如圖5所示的抗剪強(qiáng)度-正應(yīng)力關(guān)系，求得試樣的黏聚力C和內(nèi)摩擦角φ(見(jiàn)表4)。由表4可知，軟弱夾層的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度明顯小于常規(guī)抗剪強(qiáng)度，其黏聚力的降幅為 42.5%，內(nèi)摩擦角的降幅為25.3%，由此表明黏聚力對(duì)時(shí)間的敏感度比內(nèi)摩擦角高。

(a)σ=0.5 MPa (b)σ=1.0 MPa (c) σ=1.5 MPa

圖5 長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度-正應(yīng)力變化關(guān)系

表4 長(zhǎng)期與常規(guī)抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)二疊系炭質(zhì)頁(yè)巖的常規(guī)剪切試驗(yàn)及剪切蠕變?cè)囼?yàn),得到以下主要結(jié)論：

a.在常規(guī)剪切試驗(yàn)中，軟弱夾層峰值剪切強(qiáng)度、峰值位移與正應(yīng)力正相關(guān)，正應(yīng)力越大，試樣的抗剪切能力越強(qiáng)。

b.在剪切蠕變?cè)囼?yàn)中，通過(guò)Boltzmann 線性疊加原理得到軟弱夾層蠕變曲線，軟弱夾層蠕變特性表現(xiàn)為初始、穩(wěn)態(tài)、加速三個(gè)變形階段；初始蠕變階段位移速率先增大后減小，直至位移變形穩(wěn)定后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段；最后一級(jí)剪應(yīng)力下，出現(xiàn)加速蠕變階段，位移不斷增加直至試樣破壞。在相同正應(yīng)力條件下，剪應(yīng)力增大，軟弱夾層的蠕變位移和蠕變速率隨之增大。

c.軟弱夾層的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度明顯小于常規(guī)抗剪強(qiáng)度，黏聚力降幅較大，對(duì)時(shí)間的敏感度較高。