含水率對公路隧道圍巖物理力學性能影響分析

崔 欣

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

大多數巖體工程失穩主要是由于巖體結構面和節理裂隙等強度薄弱部位的時效變形積累而導致的蠕變破壞，水是其中關鍵因素之一。黃明[1]等對含水劣化的泥質粉砂巖進行了單軸蠕變試驗研究，建立含水損傷的泥質粉砂巖非線性蠕變模型。蔣海飛[2]等對處于高圍壓、高水壓下巖石的非線性本構模型進行研究，給出一個新的非線性黏性元件，并將其與Burgers模型串聯，并推導出新模型的本構方程。王軍保[3]等針對芒硝的蠕變特性，提出了一種非線性粘滯體元件，替換原Burgers模型中的黏性元件，并建立鹽巖非線性本構模型。舒志樂[4]等根據軟巖蠕變的非線性特性，提出了一個非線性粘滯系數的牛頓元件，該黏滯系數與應力水平、孔隙水壓力及蠕變時間呈函數關系，并將該模型與西原模型串聯，得到一個軟巖非線性黏彈塑性蠕變模型，推導了不同恒定荷載情況下的蠕變方程。齊亞靜[5]等通過在西原模型上串聯一個帶應變觸發器的非線性黏壺，給出了改進的西原模型，推導巖石在恒應力情況下的三維蠕變本構方程，并采用該流變模型對三峽庫區萬州紅層砂巖流變試驗全過程曲線進行辨識。結果表明，改進的西原模型能夠較好地描述砂巖的衰減階段、穩定階段及加速階段的變形過程，比傳統西原模型更為準確。

本文在總結前人研究成果的基礎上，以阜新海棠山隧道為工程背景，對該隧道含水砂巖進行單軸壓縮試驗及單軸壓縮蠕變試驗，分析各力學參數隨含水率的分布規律及含水巖石的蠕變特性，為類似工程提供可靠的試驗依據。

1 單軸壓縮試驗

1.1 試驗介紹

本文對浸水砂巖進行單軸壓縮試驗及單軸壓縮蠕變試驗，所有試驗均在MTS815.02多功能巖石力學伺服試驗系統上完成，該系統是由美國MTS公司生產的專門用于混凝土及巖石類材料力學性質測試的試驗系統，根據設備技術參數可知，該系統各項性能均滿足本文試驗要求。試驗所用砂巖試樣均采自海棠山隧道施工現場，試樣表面無節理裂隙等天然缺陷，呈灰白色。經現場粗加工后運至實驗室，再經切割、鉆孔取芯、打磨，最終制得直徑50 mm，高100 mm的標準巖石力學試驗試件，制備好的試樣見圖1。

圖1 砂巖試樣

首先將制備好的試件全部放入烘干箱內烘干，設置烘干箱溫度為104 ℃，時間為24 h。烘干完成后，取出試件放于干燥皿中冷卻至室溫，稱重；然后，對其中一部分試件進行浸水處理，在不同時刻取出對應編號試件，擦干表面后稱重，計算對應時刻試樣含水率，為避免試樣因水分蒸發而造成的試驗誤差，稱重后的試樣立即進行單軸壓縮試驗。

1.2 試驗結果分析

單軸壓縮試驗采用位移控制模式施加軸向荷載至試樣失穩破壞，設置加載速率為0.2 mm/min，不同時刻試樣含水率及試驗結果見表1，不同含水率單軸壓縮應力-應變曲線如圖2所示。

表1 試驗結果

圖2 不同含水率單軸壓縮應力-應變曲線

由圖2可知，不同含水率單軸壓縮應力-應變與經典巖石應力-應變曲線大體相似，均可劃分為5個階段，即壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段、峰后階段和殘余階段。壓密階段由于應變速率較慢，巖石受力較小，表觀變形體現在巖石內部承載能力最弱部分的變化，即巖石中原有裂隙因受壓后導致閉合，表現為早期的非線性變形，反映在應力-應變曲線為上凹型，該段曲線的斜率隨應力的增大而逐漸增大，表明巖石內部微裂隙在剛開始時變化較快，裂隙逐漸被壓密；彈性階段是由曲線轉為直線拐點處開始，應力-應變呈線性關系，其中，曲轉直的拐點成為巖石的壓密極限；塑性屈服階段則緊跟彈性變形之后發生，巖石開始產生非線性變化，巖石內外部裂隙開始進入不穩定發展階段直至破壞，微裂隙應力集中效應明顯，裂隙繼續擴展，在薄弱處產生破壞，導致應力重分布，如此又產生新的薄弱部位而繼續破壞，巖石再次進行應力重分布，如此循環往復直至巖石完全破壞，此時的強度即為巖石單軸抗壓強度；峰后階段巖石內部裂隙快速發展，形成宏觀破裂面，并沿著破裂面產生滑動，強度急劇降低，且隨著含水的逐漸增大，峰后曲線逐漸趨緩；殘余階段巖石產生破壞后強度迅速降低，但并未減小至零，說明巖石破壞后具有一定的殘余強度。

從曲線整體形態上可以看出當含水率較小時(如w=0%，0.68%)，曲線在達到峰值后突然下降，形似“斷崖”，說明巖石在較低含水率下表現為脆性破壞，且含水率越小“斷崖”越明顯。隨著含水率的提高，曲線在彈性變形階段的斜率逐漸減小。當含水率較大時(如w=1.47%，2.83%，3.91%)時，曲線達到峰值后并未出現“斷崖”，而是表現為具有一定延性，此時應力變化不大，應變繼續發展，與實際地下工程中圍巖遇水后巖質變軟情況相似，說明巖石長期受水浸泡后，其強度、彈性模量降低明顯，由表可知，當含水率為0%時，試樣的單軸抗壓強度、彈性模量分別為27.49 MPa和5.314 GPa，當含水率為3.91%時，試樣單軸抗壓強度、彈性模量分別為18.79 MPa和4.239 GPa，降幅分別為31.65%和23.59%，產生這種現象可能由于干燥狀態下試樣所承受的壓力完全由巖石內部骨架承擔，而含水狀態下則由孔隙水承擔一部分，有效應力減小。

2 單軸壓縮蠕變試驗

2.1 試驗介紹

含水砂巖單軸壓縮蠕變試驗采用單試件逐級增量法進行加載，其蠕變曲線示意圖見圖3。根據不同含水率試樣單軸壓縮峰值強度對蠕變試驗荷載水平進行分級，首先采用力控制模式對試樣施加軸向應力至預定值，加載速率為0.2 MPa/s，根據工程實際情況，采用力控制加載方式施加軸壓，加載速率為0.2 MPa/s，每一級荷載施加時間為蠕變變形進入穩定蠕變后，施加下一級荷載，如此反復循環直至試樣失穩破壞。

圖3 單試件逐漸增量加載法

2.2 試驗結果分析

圖4為不同含水率砂巖分級加載蠕變曲線，試驗采用荷載控制，嚴格遵循變形穩定后再加載原則，試驗過程中并未考慮等時加載，對后文采用陳氏加載法處理數據時應適當對加載時間較短的曲線進行延長。根據已有結論可知，巖石蠕變試驗一般分為兩個或三個階段，即衰減蠕變、穩定蠕變或衰減蠕變、穩定蠕變和加速蠕變。“兩階段”蠕變一般發生在應力水平偏低的狀態下，而“三階段”蠕變則發生在應力水平偏高的情況下。衰減蠕變階段，蠕變速率隨時間逐漸減小，至某一常量(或零)后保持不變，進入穩定蠕變階段；隨著時間的繼續延長，蠕變速率開始變化，進入加速蠕變階段，并逐漸增大直至巖石破壞。從圖3砂巖單軸蠕變試驗結果可知，前4種含水率狀態下，試樣均處于“兩階段”蠕變，當含水率達到近似飽和時，即w=3.91%，荷載水平為32 kN時，蠕變進入加速蠕變階段，巖石發生破壞。

圖4 不同含水率分級加載蠕變曲線

根據陳氏加載法對分級加載蠕變進行處理，得到分別加載蠕變曲線如圖5所示，限于篇幅，文中僅給出含水率3.91%時的分別加載蠕變曲線，表給出了不同含水率下各級荷載水平所對應的瞬時蠕變值和蠕變速率，同級荷載水平下的應力有所差異，但波動均在誤差允許范圍內，可近似認為應力數值相同。

圖5 含水率為3.91%時砂巖分別加載蠕變曲線

當含水率為0%(干燥狀態)，荷載水平為5.0741 MPa時，瞬時應變為2.2170%，而當荷載水平為17.0918 MPa時，瞬時應變增大至3.9992%；當含水率為0.68%(天然含水狀態)，荷載水平為5.0619 MPa時，瞬時應變為2.4353%，而荷載水平為17.0510 MPa時，瞬時應變增大至4.4343 %；當含水率為3.91%(飽和含水狀態)，荷載水平為5.1019 MPa時，瞬時應變為2.9827%，而荷載水平為17.3261 MPa時，瞬時應變增大至5.4009%；可見，相同含水率情況下，瞬時應變隨荷載水平單調遞增。

以含水率為0.68%(天然含水狀態)為例，各級荷載水平下試樣進入穩定蠕變時間分別為：當荷載水平為5.0741 MPa時，約100 min，當荷載水平為8.1803 MPa時，約300 min，當荷載水平為10.3651 MPa時，約420 min，當荷載水平為13.2906 MPa時，約540 min，當荷載水平為17.0510 MPa時，約720 min；可見，荷載水平對巖石蠕變進入穩定階段起到了關鍵的作用，當含水率為3.91%(飽和含水狀態)，且荷載水平為17.3261 MPa，加載時間約35 h時，蠕變曲線發生突變，應變值迅速增大，由此判斷此種情況下試樣發生破壞。

表2 蠕變試驗結果

由表2可知，在含水率為0%情況下，前三級荷載水平下穩定蠕變速率均為零，當荷載水平分別為13.3225 MPa和17.0918 MPa時，穩定蠕變速率分別為0.0030和0.0041；而在含水率為0.68%情況下，第一、二級荷載水平下的穩定蠕變速率為零，當荷載水平分別為10.3651、13.2906、17.0510 MPa時，穩定蠕變速率分別為0.0036、0.0063、0.0080；在含水率為3.91%情況下，第一級荷載水平下的穩定蠕變速率為零，其余四級荷載水平下的穩定蠕變速率分別為0.0041、0.0083、0.0147、0.0157，可見，蠕變速率逐漸由零向非零常數過渡，亦隨荷載水平增大而逐漸增大。

圖6為含水率為0.68%時的等時應力-應變曲線，從圖中可以發現，等時應力-應變曲線由一簇折線組成，且存在一特定荷載，使該荷載左右曲線呈現不同狀態，稱該點為巖石的長期強度σs。當應力小于σs時，曲線幾乎成直線變化，當應力大于σs時，曲線發散，由線性轉變為非線性，且大幅增長，最終致使試件破壞。根據蠕變試驗結果，當含水率w=0%、w=0.68%時，長期強度σs為13 MPa；當含水率w=1.47%時，長期強度σs為10 MPa；當含水率為w=2.83%、w=3.91%時，長期強度σs為8 MPa。

圖6 等時應力-應變曲線

3 結論

(1)根據單軸壓縮試驗結果，砂巖峰值強度、彈性模量均隨含水率增大而逐漸減小，泊松比隨含水率單調遞增，各力學參數隨含水率均逐漸趨緩，砂巖破壞模式隨含水率增大逐漸由脆性向延性過渡。

(2)根據單軸壓縮蠕變試驗結果，同一荷載水平下，隨著含水率的逐漸增大，瞬時應變逐漸增大，蠕變速率逐漸增大；試樣長期強度隨含水率的增大逐漸下降。