基于蠕變力學(xué)試驗的巖石長期強度研究

劉 穎，陳 芳，鄒晨陽

(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

0 引 言

大型水電工程項目在建設(shè)過程中，為布置樞紐建筑，滿足施工需要，勢必會因挖掘而形成高陡斜坡。如某大型水利樞紐工程右岸開挖形成的邊坡高達97 m，開挖后穩(wěn)定性差，在開挖后一段時間坡體出現(xiàn)裂縫，2015年5月，坡體出現(xiàn)張拉裂縫，裂縫變形最大為21.35 mm；2016年12月，坡體裂縫變形達51.29 mm，坡體裂縫隨時間增長而增加。以上現(xiàn)象表明，斜坡巖石表現(xiàn)出一定的時效變形特征，很多學(xué)者對此進行了研究。趙永輝、李鈾、秦哲等[1-6]對飽和與干燥狀態(tài)下巖石單軸流變特性進行了分析；代偉、范秋雁等[7-8]開展了不同風(fēng)化程度下泥巖、軟巖在分級加載下的蠕變力學(xué)特性研究。總體來看，關(guān)于巖石蠕變力學(xué)試驗研究主要集中在：一是，巖石軸向變形與時間的關(guān)系；二是，對軟巖的蠕變力學(xué)特性研究。而對于硬巖徑向變形與時間的關(guān)系，以及巖石軸向、徑向蠕變速率與時間的關(guān)系研究較少。

本文以某大型水利樞紐工程右岸邊坡表面出露的砂巖為研究對象，在對該類巖石進行巖樣鑒定的基礎(chǔ)上，通過開展飽和與干燥條件下的蠕變力學(xué)試驗，分析巖石的蠕變變形、蠕變速率變化特征，并依此推斷巖石的長期強度，以期為工程后期監(jiān)測成果分析、工程防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 巖石樣品鑒定

為了解巖石的礦物成分，采用Leitz-ORTHOPLAN顯微鏡及D/max-2500PC型x射線衍射儀，進行巖樣鏡下鑒定及衍射分析。結(jié)果表明，巖樣發(fā)生了變質(zhì)作用，但原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造尚可辨認(rèn)，具層狀構(gòu)造，變質(zhì)細粒砂狀結(jié)構(gòu)。碎屑呈次棱角狀，由于變質(zhì)作用，邊緣不圓滑，粒徑0.03～0.15mm，細粒砂狀結(jié)構(gòu)為主，分選較好。碎屑成分主要是石英、葉臘石、云母，可見少量鉀長石、高嶺石。樣品薄片見圖1。

圖1 樣品薄片

1.2 試驗設(shè)計

本次巖石單軸蠕變試驗采用RLJW-2000微機控制巖石三軸、剪切蠕變伺服儀，通過分級加載法進行。試驗中，將巖石加工成標(biāo)準(zhǔn)圓柱形，制備飽和和干燥試樣各1組，巖石試樣編號、幾何尺寸、含水狀態(tài)見表1。

表1 巖石試樣編號、幾何尺寸、狀態(tài)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 巖石蠕變變形

在巖石單軸蠕變試驗中，干燥試樣共施加8級軸向荷載，分別為3.5、7.0、10.5、14.0、17.5、21.0、24.5 MPa和29.5 MPa，在29.5 MPa軸向應(yīng)力作用下，試樣發(fā)生蠕變破壞，每級加載時間約100 h，整個蠕變試驗持續(xù)700 h；飽和試驗共施加6級軸向荷載，分級軸向應(yīng)力分別為3.5、7.0、10.5、14.0、17.5 MPa和20.5 MPa，在20.5 MPa軸向應(yīng)力作用下，試樣發(fā)生蠕變破壞，每級加載時間約100 h，整個蠕變試驗持續(xù)500 h。巖樣分級加載蠕變見圖2。

圖2 巖樣分級加載蠕變

由于采用了分級加載方法，為將巖石分級加載蠕變曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榉謩e加載蠕變曲線，采用Chen[9]的加載方法，對巖石的蠕變荷載數(shù)據(jù)進行疊加，干燥、飽和巖樣軸向分別加載蠕變曲線及徑向分別加載蠕變曲線分別見圖3、4。

圖3 干燥試樣分別加載蠕變

從圖3、4可知，在各級應(yīng)力水平作用下，干燥和飽和巖樣的軸向與徑向蠕變變形規(guī)律表現(xiàn)出一般性，應(yīng)變由瞬時應(yīng)變和蠕應(yīng)變2部分組成。表2、3為不同應(yīng)力作用下試樣的軸向、徑向瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變情況。

從表2、3可知，在相同應(yīng)力作用下，飽和試樣的軸向和徑向瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變及總應(yīng)變均大于干燥試樣。通過計算飽和與干燥試樣各應(yīng)變比值可知，干燥試樣的軸向瞬時應(yīng)變是飽和試樣的 14.27%～19.58%，蠕應(yīng)變是飽和試樣的20.24%～31.73%，總應(yīng)變是飽和試樣的16.97%～19.75%。干燥試樣的徑向瞬時應(yīng)變是飽和試樣的19.48%～32.81%，蠕應(yīng)變是飽和試樣的55.81%～71.54%，總應(yīng)變是飽和試樣的40.62%～61.61%。

表2 不同應(yīng)力作用下試樣的軸向瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變

注：比值為干燥試樣應(yīng)變/飽和試樣應(yīng)變

表3 不同應(yīng)力作用下試樣的徑向瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變

圖4 飽和試樣分別加載蠕變

從以上分析可看出，飽和與干燥試樣的軸向與徑向應(yīng)變差別均表現(xiàn)為，蠕應(yīng)變相差最大，總應(yīng)變次之，瞬時應(yīng)變最小。這也從一定程度反映出水對砂巖的蠕變特性影響最大，巖石變形會表現(xiàn)得更為明顯。

2.2 巖石蠕變速率

圖5 蠕變速率與時間的關(guān)系

為進一步分析砂巖的蠕變速率特性，通過計算圖3、4中蠕變曲線不同時刻的試驗數(shù)據(jù)點斜率，可以得到不同應(yīng)力作用下砂巖蠕變速率與時間的關(guān)系。圖5為最后一級應(yīng)力水平下砂巖的軸向與徑向的蠕變速率與時間的關(guān)系曲線。

從圖5可知，在最后一級應(yīng)力作用下，干燥巖樣軸向蠕變速率從0.101/h降低至8.56×10-4/h，徑向蠕變速率從0.707/h降低至9.12×10-4/h，試樣的軸向蠕變速率小于徑向蠕變速率；飽和試樣軸向蠕變速率從0.318/h減小至7.39×10-4/h，而徑向蠕變速率從0.369/h減小至7.93×10-4/h。

從以上分析可以看出，飽和試樣蠕變速率大于干燥試樣蠕變速率，且試樣的徑向初始蠕變速率大于軸向初始蠕變速率，徑向穩(wěn)定蠕變速率略大于徑向穩(wěn)定蠕變速率。這也從一定程度反映出砂巖的蠕變破壞主要受砂巖徑向蠕變破壞的影響。

2.3 巖石蠕變長期強度

根據(jù)砂巖蠕變破壞特性，可得到砂巖在干燥與飽和狀態(tài)下的蠕變長期強度。其中，飽和試樣蠕變長期強度為17.5 MPa，干燥試樣蠕變長期強度為24.5 MPa，受水的作用影響，飽和試樣的蠕變長期強度較干燥試樣降低了28.6%。

3 結(jié) 語

本文基于巖石蠕變力學(xué)試驗，對干燥與飽和狀態(tài)下的巖石進行了長期強度研究，得出以下結(jié)論：

(1)受水的作用影響，砂巖的變形特征表現(xiàn)得更為明顯，比較巖石瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變及總應(yīng)變，干燥和飽和試樣的蠕應(yīng)變相差最大，瞬時應(yīng)變最小。因此，水對砂巖的蠕應(yīng)變影響最為明顯。

(2)受水的作用影響，砂巖的蠕變長期強度大幅降低，飽和試樣的蠕變長期強度是干燥試樣的71.4%。因此，在工程施工及設(shè)計中應(yīng)考慮該類巖石工程的運行時效特性。

(3)在最后一級應(yīng)力水平作用下，巖石徑向蠕變較軸向蠕變率先進入加速蠕變階段，徑向的初始蠕變速率、穩(wěn)態(tài)蠕變速率以及加速蠕變速率均大于軸向的蠕變速率。因此，徑向蠕變可用于判斷巖石是否發(fā)生蠕變破壞，應(yīng)加強對巖石徑向蠕變的監(jiān)測。