低應力條件下水對斜長巖蠕變性能的影響

李江騰，郭群，曹平，林杭，張向陽，趙延林

(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083；2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭，411201)

在巖土工程安全性的諸多影響因素中，水是最活躍的因素，很多地質災害如滑坡、泥石流、巖溶塌陷、水庫誘發地震、地面沉降等，其本質上都是水量、水流速、水力坡度、水化學成分等發生變化，引發水?巖相互作用類型、速度或規模發生改變，從而導致巖土體失去與其周圍環境的平衡發生災變[1]。巖石遇水發生軟化，弱化了巖石的物理力學參數，降低了巖土工程的穩定性。而隨著時間的推移，孔隙水可以四處擴散，水對巖石蠕變參數的影響就逐漸體現出來；因此，研究在飽水狀態下流變特性的影響具有十分重要的意義。關于水對巖石蠕變特性的影響，Okubo等[2]對凝灰巖和安山石受單軸壓縮載荷時飽和水和風干 2種狀態下的應力、應變及蠕變特性進行了試驗研究；Xie等[3]研究了白堊巖在飽和水條件下的彈塑性特性；Wawersik等[4]通過試驗發現花崗巖和砂巖與時間有關的變形隨含水量的增大而增大，在單軸應力狀態下，干試件和飽水試件的穩態蠕變率相差大約 2個數量級；朱合華等[4]以任胡嶺隧道工程勘探巖樣為研究對象，通過巖石的室內單軸壓縮蠕變試驗，研究了不同含水狀態下巖石的蠕變力學性能；高俊麗等[5]研究了節理巖體在水飽和情況下，研究了飽和水對巖石長期強度、流變速率和變形量的影響；黃小蘭等[6]以大慶泥巖為研究對象，進行不同含水條件下的強度試驗和蠕變試驗，分析含水量變化對泥巖強度、彈性模量等基本力學參數以及蠕變特性的影響；李鈾等[7]對風干與飽水狀態下花崗巖單軸流變特性進行了試驗研究，發現飽水后花崗巖長期強度明顯降低及流變速率和變形量明顯增大。在此，本文作者利用RYL?600微機控制巖石剪切流變儀，采用分級增量循環加卸載方式，對甘肅金川有色金屬公司Ⅱ礦區斜長巖在風干和飽和水2種條件下進行單軸壓縮蠕變試驗，獲得相應的蠕變試驗曲線。以試驗為依據，探討飽和水對斜長巖的蠕變特性的影響。

1 蠕變試驗

1.1 試驗方法

巖石蠕變試驗在中南大學巖土力學流變試驗室進行。試驗儀器為：采用長春朝陽公司生產的RYL-600微機控制巖石剪切流變儀，該流變儀主要用于巖石和巖石弱面的流變試驗或巖石直剪、單軸壓縮、巖石雙向壓縮等試驗，主機組合門式框架結構由軸向力加載框架、橫向力加載框架、控制柜、吊車等組成。本試驗用到的軸向力加載框架主要由機座、滾珠絲杠副、動橫梁、固定橫梁及軸向升降裝置組成，并選用日本松下全數字交流伺服高速系統；控制系統采用進口原裝德國DOLI全數字伺服控制器。

蠕變試驗的加載方式通常有單級加載、分級增量和分級增量循環加、卸載方式，本試驗采用分級增量循環加卸載方法[8]，如圖1所示。該方法吸取了分級增量加載方式的優點，克服了其缺點。在試驗過程中可觀測到巖石的滯后彈性恢復，測得其殘余變形，能全面地反映巖石蠕變曲線的加、卸載過程，為巖石流變力學模型的建立和模型參數的確定提供完整的試驗數據。各分級加載的載荷增量視試驗過程來定，初始增量為10 kN，臨近試樣參考強度后載荷增量相應減少，初始加載和分級階段卸載速率分別為300 N/s和1 000 N/s。各級荷載所持續的時間根據試件的應變速率變化情況予以確定，即當試樣的軸向變形在2 d內小于0.01 mm時，認為其變形基本穩定[9?10]，則完全卸載，觀測其滯后黏彈性恢復；當觀測到24 h內無滯后恢復時，再進行下一級荷載的循環。依此類推逐級進行，直至試件最終破壞為止。

圖1 分級增量循環加、卸載方式Fig.1 Circular incremental step load and unload

1.2 試樣制備

本試驗巖樣取自金川Ⅱ礦區 ZK06鉆孔礦巖巖芯，經高精度切割、磨平，加工成50 mm×100 mm(直徑×長度)的標準試樣。試樣端面平整度和側面平整度控制在0.03 mm以內，試樣中心線與端面的垂直度誤差小于0.25°，干燥巖樣放入烘干機內在105 ℃高溫下烘2 d，飽和巖樣在水中浸泡7 d。

2 結果分析與比較

2.1 2種狀態下的加載蠕變曲線比較

對試樣進行循環加卸載蠕變實驗，并對試驗數據加以處理繪制成圖。加載瞬間，巖石發生瞬時彈性響應，隨后，產生隨時間而增大的蠕變變形。蠕變變形的速率隨時間而逐漸趨緩，當達到一定時間后，變形不再增大，巖石的最終變形趨向于一個穩定值。圖2～4所示為典型試件在不同載荷等級下的蠕變曲線。

從圖2～4可知：在低應力下，斜長角閃巖在2種狀態下的蠕變曲線一直很平穩，但是，飽和水試樣的蠕變曲線位于干燥試樣蠕變曲線的上方，其原因是：水一方面溶解了礦物質，使孔隙加大；另一方面，水存在于巖石顆粒之間，使它們的接觸面更加光滑、更不牢靠，因此，在同等應力下飽和巖樣的變形會增大。由于本次試驗在低應力下進行，巖樣只產生穩態蠕變，沒有加速蠕變。

圖2 σ=25.48 MPa時2種狀態典型巖樣蠕變曲線Fig.2 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=25.48 MPa

圖3 σ=45.86 MPa時2種狀態典型巖樣蠕變曲線Fig.3 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=45.86 MPa

圖4 σ=66.24 MPa時2種狀態典型巖樣蠕變曲線Fig.4 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=66.24 MPa

2.2 流變速率的比較

由測試的數據得到典型試樣在不同載荷下的蠕變速率曲線，見圖5～7。

從圖5～7可知：在飽和水和干燥2種狀態下的蠕變速率曲線都經過衰減和穩定階段，但干燥條件下蠕變速率曲線位于飽和水下方，說明干燥狀態比飽和狀態達到穩定階段(蠕變速率為0)所經歷的時間要短，其原因是飽和狀態需要一個排水過程。

2.3 瞬時彈性應變和瞬時彈性模量

巖樣加載時均產生一定量的瞬時彈性應變，瞬時彈性反應程度可以通過瞬時彈性模量來反映。將每級荷載下的瞬時應力與瞬時彈應變的比值定義為瞬時彈性模量。表1中瞬時彈性應變為實測值，各級載荷下瞬時彈性模量E的關系見圖8，各級載荷下瞬態應力與應變關系σ?ε(t=0時)曲線見圖9。

圖5 σ=25.48 MPa時2種狀態典型巖樣蠕變速率曲線Fig.5 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=25.48 MPa

圖6 σ=45.86 MPa時2種狀態典型巖樣蠕變速率曲線Fig.6 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=45.86 MPa

表1 各級應力狀態下的瞬時彈性應變和瞬時彈性模量Table1 Instantaneous elastic strain and modulus under different stresses

圖7 σ=66.24 MPa時2種狀態典型巖樣蠕變速率曲線Fig.7 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=66.24 MPa

圖8 各級載荷下瞬時彈性模量E與應變的關系Fig.8 Relationship between instantaneous elastic modulus and stress

圖9 t=0時σ?ε曲線Fig.9 Stresses?strain curves when t=0 h

從表1和圖8可以看出：瞬時彈性模量有隨應力增加而增加的趨勢。其原因是巖石在很低應力下內部微裂隙壓密閉合；在同一應力下，2種狀態的瞬時彈性模量不同，飽和水的瞬時彈性模量低于干燥條件下的瞬時彈性模量，即飽和水的作用使得試樣的瞬時彈性模量降低。

3 結論

(1)水影響巖石的變形。在同一應力下，含飽和水試件的蠕變曲線位于干燥試樣蠕變曲線上方，即在相同載荷下產生相應的變形要大，表明水能加速變形。

(2)水影響巖石達到穩定蠕變階段的時間。在同一應力水平下，含飽和水試件的蠕變速率曲線位于干燥試樣蠕變速率曲線上方，飽和狀態試樣達到穩定階段所經歷的時間比干燥狀態試樣的時間要長。

(3)水影響巖石瞬時彈性變形模量。低應力時瞬時彈性模量隨應力增加而增加，且飽和水使得巖石的瞬時彈性模量降低。

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