巖石流變特性及長期強度的試驗研究

張藝鐘

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院 廣西柳州 545005）

巖石流變特性及長期強度的試驗研究

張藝鐘

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院 廣西柳州 545005）

研究人員根據(jù)巖石的蠕變的特點設(shè)計相關(guān)的壓縮蠕變實驗以便更好的分析巖石的橫向蠕變，并找到其橫向蠕變的規(guī)律，同時對其軸向的蠕變進(jìn)行實驗規(guī)律差異的總結(jié)，最后依據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析巖石強度的持久性探討巖石的性質(zhì)。為了更好的適應(yīng)巖石的持續(xù)強度，工程上依據(jù)巖石的蠕變的閾值來劃分確定。而利用巖石的橫向蠕變閾值比軸向蠕變閾值可以確定巖石的長期強度更加的準(zhǔn)確，所以巖石的蠕變穩(wěn)定特性可以做為巖土工程施工設(shè)計的重要依據(jù)。

巖石流變特性；長期強度；橫向蠕變；試驗研究

引言

物理上把物質(zhì)外部作用力所引起的變形和流動的性質(zhì)叫做流變性，而流變性通常是指在加工時的應(yīng)力情況、物體形變的速度和粘度等的綜合反映。流變性也可以反映巖石的主要特性。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，很多的巖石都具有流變的特性。流變特性和時效特性還可以預(yù)測巖石的長期穩(wěn)定性。[1]隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，人們越來越注重巖體工程以及采礦工程的規(guī)模擴(kuò)大，所以在這樣的背景下，我們更需要深入的研究巖石的流變性質(zhì)，更加注重探究巖石材料流變特性的實驗。

1 巖石的流變性能研究現(xiàn)狀

巖石的性能往往不同于其他的材質(zhì)。其可以存在于高溫高壓的環(huán)境中不被破壞，同時巖石是一種多孔的介質(zhì)，且?guī)r石的性質(zhì)與組成它的礦物質(zhì)的含量具有很大的關(guān)系。但是巖石具有特定的比重以及孔隙度，同時巖石還須具有抗壓強度等物理性質(zhì)。經(jīng)過大量的實驗分析我們發(fā)現(xiàn)，相對于橫向穩(wěn)定的蠕變階段的應(yīng)力閾值，巖石的軸向穩(wěn)定蠕變階段的應(yīng)力閾值更高。橫向蠕變的蠕變反應(yīng)速度比較快，反應(yīng)的時間比較早。實驗中比較少見橫向蠕變效應(yīng)的詳細(xì)實驗研究，目前研究巖石的長期強度時大部分只研究軸向蠕變的性質(zhì)。

2 巖石的實驗儀器和實驗方法

2.1 巖石的實驗儀器

在對巖石進(jìn)行實驗時，往往需要使用重力驅(qū)動的偏心輪式的加載流變儀，這種流變儀具有杠桿擴(kuò)力的功能，實驗系統(tǒng)可以大大的減少誤差，并穩(wěn)定擴(kuò)張力，對巖石進(jìn)行穩(wěn)定持續(xù)的加載。因此，可以實現(xiàn)流變實驗的實驗需求。應(yīng)變式荷載測試的系統(tǒng)可以使得精度更高。實驗中對巖石的變形測試是利用電測的方法實現(xiàn)的，同時還需要加入機(jī)械式的測量方案相互結(jié)合。[2]機(jī)械測量的系統(tǒng)確保了巖石整體形變的測量精準(zhǔn)度。電阻的應(yīng)變力測量系統(tǒng)可以讓巖石的局部形變的精準(zhǔn)程度更高。利用聲波監(jiān)測的系統(tǒng)對實驗樣品巖石進(jìn)行濾定的巖石挑選可以使得實驗樣品巖石的物理性質(zhì)得到統(tǒng)一。

2.2 實驗的流程分析

實驗用的樣品必須確保其物理性質(zhì)等的穩(wěn)定性，實驗中需要記錄巖石的顏色、物理結(jié)構(gòu)、層理特性、條紋、裂痕和完整性進(jìn)行精確的記錄。實驗時需要確定單軸抗壓強度的具體數(shù)值后，把巖石等分成各個樣品快。同時利用聲波儀來測試縱波橫波的波速值加以記錄，并選擇比較相似波長的巖石作為樣本。[3]實驗開始時，需要先測量樣品巖石的單軸抗壓強度以及其極限的應(yīng)變力。記錄好相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)從而作為蠕變實驗的分級加載的主要參照。而巖石的蠕變實驗需要在流變儀上進(jìn)行，在實驗的過程中對樣本分級別加載并逐個進(jìn)行。加載的速率一般在0.5～1MPa之間，沒個級別的壓強持續(xù)時間通常為2d。實驗的逐級加載方式是利用定量變化的原理實現(xiàn)的。在每次的實驗加載后都需要及時的讀取所用的數(shù)據(jù)，作為此次加載的應(yīng)變力。

3 巖石的蠕變值分析

3.1 巖石的蠕變規(guī)律

巖石的橫向蠕變規(guī)律和軸向的蠕變規(guī)律既有相同點也有不同點。具體表現(xiàn)為，當(dāng)增加一級的負(fù)荷時，軸向的蠕變有瞬時的變形，而橫向的蠕變也會出現(xiàn)類似的情況，但是橫向的蠕變和軸向的蠕變都有不同的規(guī)律可循。兩者都有一個發(fā)生蠕變的應(yīng)力閾值范圍，閾值大于應(yīng)力值的情況發(fā)生時，蠕變會發(fā)生巨變，并立即衰減到初始值零，因此，只發(fā)生可第一階段的蠕變。相比較而言，閾值小于應(yīng)力值的情況發(fā)生時，蠕變的變化會趨于平穩(wěn)的狀態(tài)，因此，處于第二階段的蠕變，第二階段的蠕變速度在相同的負(fù)荷下是一個恒定的常數(shù)，而即使換成不同的負(fù)荷，其蠕變的速度依舊是十分接近的，并沒有表現(xiàn)出與負(fù)荷量有數(shù)值上的關(guān)系。試驗中的橫向蠕變階段比軸向的蠕變階段發(fā)生的時間更早。若在同一級的負(fù)荷下，則橫向蠕變的速度會與軸向蠕變的速度不同，且前者大于后者。當(dāng)負(fù)荷處于最后一個階段時，橫向蠕變的速度會加快，先進(jìn)入到加速蠕變的狀態(tài)。所以，橫向蠕變所導(dǎo)致的巖石蠕變的破壞更加的早。]對負(fù)荷的增大情況進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，軸向的應(yīng)力與橫向的應(yīng)力有很大的關(guān)系。橫向應(yīng)力的變化率與軸向應(yīng)力的變化率大大不同，且相比較之后可以發(fā)現(xiàn)，橫向應(yīng)力的曲線的變化率更大，表明其變化更快，而軸向的應(yīng)力曲線的斜率變化相對于橫向的應(yīng)力變化率就比較小，并表現(xiàn)出明顯的波狀。

3.2 巖石長期強度的確定

以往對巖石的長期強度的認(rèn)定都是利用軸向的穩(wěn)定蠕變閾值來作為參考的。當(dāng)巖石的應(yīng)力到達(dá)了第二階段的蠕變閾值應(yīng)力發(fā)生的階段，它的蠕變變形的現(xiàn)象會與時間成正相關(guān)，即時間越長蠕變越明顯，進(jìn)而達(dá)到了蠕變的第三階段，最后迫使巖石由于蠕變而遭到破壞。所以，橫向的蠕變階段比較穩(wěn)定，且比軸向的發(fā)生的時間更早。根據(jù)巖石的橫向蠕變閾值來對巖石的長期強度進(jìn)行確定就更為準(zhǔn)確了。工程上會根據(jù)實驗的巖石的應(yīng)力閾值來明確巖石的長期強度，并設(shè)計巖土的工程周期以及施工計劃，這樣會確保巖土施工處于長期安全穩(wěn)定的狀態(tài)。然后在橫向的穩(wěn)定蠕變速率往往初始階段都比較小，直到軸向的穩(wěn)定蠕變發(fā)生時才有所增加，所以工程上利用橫向的穩(wěn)定蠕變的閾值來作為長期強度的判斷就顯得更為精準(zhǔn)。因此，橫向蠕變的數(shù)值對巖土的工程施工具有很大的現(xiàn)實意義。

4 結(jié)束語

巖石的樣品進(jìn)行測試的過程中得出橫向的蠕變和軸向的蠕變都顯示出不同的特點，橫向的蠕變的加速情況更加的明顯，而且出現(xiàn)加速蠕變的階段時間相對于軸向的蠕變早，并且軸向的蠕變在加速蠕變的第三階段表現(xiàn)的并不明顯，加速蠕變一出現(xiàn)就會使得樣品遭到破壞。無論是軸向的蠕變還是橫向的蠕變都有一個應(yīng)力的閾值，橫向蠕變的應(yīng)力閾值可以確定巖石的長期強度，對于巖土的工程具有很大的幫助，巖土工程可以根據(jù)巖石的流變特性以及其長期強度的情況作為工程施工的指導(dǎo)。

[1]張龍云，張強勇，李術(shù)才，等.硬脆性巖石卸荷流變試驗及長期強度研究[J].煤炭學(xué)報，2015（10）：1～9.

[2]朱其志，趙倫洋，劉海旭，等.巖石流變模型的快速顯式積分算法及比較研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2015（12）：23～26.

[3]曾鋒，鐘贛平.脆性巖石的流變長期強度研究進(jìn)展與展望[J].科技信息，2014（1）：20～28.

TU458.3

A

1004-7344（2016）18-0184-01

2016-6-10

張藝鐘（1985-），男，湖南醴陵人，助理工程師，本科，主要從事土工測試、巖石抗壓方面的工作。