某工程地基巖體流變特性現場試驗研究

白高峰，趙豐博，霍雨佳，姜 浩

（1.河北建研建筑設計有限公司，河北 石家莊 050022；2.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172）

1 概 述

巖石的流變性是指巖石在外界荷載、溫度等條件下呈現出與時間有關的變形、流動和破壞等性質，其本質是組成巖石的礦物組構（骨架）和結構面形態隨時間不斷調整，導致其應力、應變狀態亦隨時間而持續地變化[1]。流變是巖土工程變形失穩的重要原因之一。開展巖石流變特性研究，深入了解巖石流變變形及其破壞規律，對于基巖地基、邊坡、隧洞等巖體工程建設具有十分重大的現實意義和經濟價值。

1.1 工程背景

某工程地基地層巖性為志留系下統連灘群第五組（S1lne）沉積巖，為一套粉砂巖為主夾泥質粉砂巖、泥頁巖或互層的地層序列。根據該項目前期工程活動，發現已建廠房地基因巖體流變所導致的地基沉降量較大，為預測擬建廠房的地基變形規律和沉降量，防止地基變形過大或失穩引發事故，開展了針對廠房地基巖體流變特性的現場試驗研究。

1.2 研究現狀

自從認識到巖石流變對工程建設的重要性以來，國內外學者對巖石的流變性進行了大量的研究，主要集中在室內流變試驗和流變模型辨識兩大方面。

國內外學者自18世紀30年代始，曾對巖石的流變性進行了大量室內試驗研究[2-12]，掌握了許多巖石的流變特性與規律。但人類巖石工程的對象主要為巖體，現場的巖體流變試驗更接近于工程實際條件，由于現場巖體流變試驗耗時長、成本高，目前現場試驗的研究成果有限。

巖石流變模型的研究是流變理論的重要組成部分，也是近幾年學者研究的熱點。通過模型可以把復雜的流變屬性加以簡化，以直觀的方式表達出來，并為數值分析和計算處理提供方便。流變模型主要有經驗模型、元件模型和損傷斷裂模型[13-16]。

本次研究特別之處在于采用了現場巖體試驗，防止了室內巖石試驗未能考慮各種結構面的不足，試驗條件更接近工程使用的受力狀態。

2 現場流變試驗

2.1 工程地質條件

（1）地層巖性

廠房地基地層巖性為志留系下統連灘群第五組（S1lne）沉積巖，為一套粉砂巖為主夾泥質粉砂巖、泥頁巖或互層的地層序列。地基巖體自上而下風化程度依次為：強風化、中等風化和微風化。廠坪高程強風化層分布范圍較小，主要為中等風化層。中等風化砂巖、泥質粉砂巖、泥頁巖巖石堅硬程度分別屬較堅硬、較軟巖、軟巖。

（2）地質構造

場地總體為單斜地層，巖層傾向北西，傾角較緩，約5°～20°。但是局部軟弱巖層中發育有小范圍的褶曲現象，局部地段受構造運動擠壓影響，傾角變化較大，表現為揉皺強烈，揉皺的規模較小。

廠址區節理裂隙較為發育，節理裂隙總體上以剪性節理為主，節理面大部分平直閉合，節理面可見鐵質浸染，一般延伸長度大于3 m。

2.2 試驗過程及成果

本次研究在廠坪高程開展了三點流變試驗，試驗部位巖體分別為中等風化砂巖、中等風化泥質粉砂巖和中等風化泥頁巖。各試驗部位巖體性質見圖1。

圖1 試驗點照片及巖體性質Fig.1 Test site photos and properties of rock mass

流變試驗應力路徑見圖2。

圖2 流變試驗應力路徑Fig.2 Stress path of rheological test

首先開展0.3 MPa應力水平下的加、卸載流變試驗（基底設計荷載約為0.6 MPa，0.3 MPa為基底設計荷載的1/2）；之后再開展0.6 MPa應力水平下的加、卸載流變試驗。0.6 MPa為基底設計荷載，該級試驗為整個流變的重點，穩壓時間也相對較長；最后開展1.2 MPa應力水平下的加、卸載流變試驗（1.2 MPa為基底設計荷載0.6 MPa的2倍），該級流變試驗時，泥頁巖流變試驗點因為反力不足，試驗壓力未能加載至 1.2 MPa，所以泥頁巖流變試驗點開展了2次0.6 MPa應力水平下的加載流變試驗。

3個流變試驗點的變形全過程曲線如圖3～5所示。加壓過程中巖體向下壓縮變形為負，退壓過程中巖體向上回彈變形為正。

圖3 泥頁巖流變試驗點變形全過程曲線Fig.3 Curve of whole deformation process of mud shale rheological test point

圖4 泥質粉砂巖流變試驗點變形全過程曲線Fig.4 Curve of whole deformation process of argillaceous siltstone rheological test point

圖5 砂巖流變試驗點變形全過程曲線Fig.5 Curve of whole deformation process of sandstone rheological test point

泥頁巖給出的變形全過程曲線（圖 3）中包含了0.3 MPa加載、卸載，0.6 MPa加載、卸載，以及第二次 0.6 MPa加載過程。累計觀測時間超過1 600 h（67 d）。

泥質粉砂巖給出的變形過程曲線（圖 4）中包含了 0.6 MPa加載、卸載，1.2 MPa加載過程。0.3 MPa的加卸載過程曲線因為受外界影響較大，規律性較差，在上述流變過程曲線圖中沒有給出。給出的曲線部分累計觀測時間超過1 500 h（63 d）。砂巖給出的變形過程曲線（圖5）中包含了0.6 MPa加載、卸載，1.2 MPa加載、卸載過程。0.3 MPa的加卸載過程曲線同樣因為受外界影響較大，規律性較差，在上述流變過程曲線圖中沒有給出。給出的曲線部分累計觀測時間超過1 400 h（58 d）。

3 試驗成果分析

3.1 成果曲線分析

圖 6中給出的泥頁巖流變過程曲線包含了0.3 MPa加、卸載過程。

圖6 泥頁巖在0.3 MPa應力水平下的加、卸載流變曲線Fig.6 Rheological curve of mud shale under loading and unloading at 0.3 MPa stress level

在0.3 MPa應力水平下，試驗部位泥頁巖表現出較明顯的衰減流變特征，但是該段曲線形態較復雜。在流變試驗過程中，由于溫度變化、荷載補償過程中的應力調整等原因，試驗系統會產生一定的系統誤差，此系統誤差的量值是相對固定的。如果試驗巖體的變形越大，該系統誤差對試驗結果的影響就越小。但是在0.3 MPa應力水平下，巖體的變形較小，此系統誤差對試驗結果的影響就較為顯著。

在0.6 MPa應力加荷過程下（圖7～9），泥頁巖和泥質粉砂巖在瞬時變形后，很快即達到穩定變形，其減速蠕變過程大約歷時100 h，而砂巖在此應力水平下，瞬時變形后，表現出較長的減速蠕變階段，隨后變形趨于穩定，其減速蠕變過程大約歷時350 h。砂巖相較泥質粉砂巖和泥頁巖，其減速蠕變階段更為明顯，達到穩定變形所需時間較長。

圖7 泥頁巖0.6 MPa應力水平下的加載流變曲線Fig.7 Rheological curve of mud shale under loading at 0.6 MPa stress level

圖8 泥質粉砂巖0.6 MPa應力水平下的加載流變曲線Fig.8 Rheological curve of argillaceous siltstone under loading at 0.6 MPa stress level

圖9 砂巖在0.6 MPa應力水平下的加載流變曲線Fig.9 Rheological curve of loading of sandstone under loading at 0.6 MPa stress level

在1.2 MPa應力加荷過程下（圖10、圖11），泥質粉砂巖和砂巖在瞬時變形完成后，都有明顯的減速蠕變過程，然后變形趨于穩定。泥質粉砂巖至變形穩定大約歷時 400 h，砂巖至變形穩定大約歷時200 h，泥質粉砂巖較砂巖的減速蠕變時間較長。

圖10 泥質粉砂巖在1.2 MPa應力水平下的加載流變曲線Fig.10 Rheological curve of loading of argillous siltstone under loading at 1.2 MPa stress level

圖11 砂巖在1.2 MPa應力水平下的加載流變曲線Fig.11 Rheological curve of loading of sandstone under loading at 1.2 MPa stress level

各種巖性在不同應力水平下的卸荷過程均表現出彈性后效：卸荷后，首先出現瞬時彈性變形恢復，隨后變形恢復速率逐漸變小并趨于零，最后趨于穩定。泥頁巖卸荷后表現出大于起始狀態的正變形，但正變形量很小，分析可能由于系統誤差導致。砂巖和泥質粉砂巖卸荷后，都存在殘余應變，且殘余應變隨荷載的增大而增大。

3.2 含水狀態對試驗的影響

以泥頁巖在第一次0.6 MPa加載流變過程中的實測數據為依據，分析降雨對巖體流變的影響。圖3中，在橫坐標約500 h位置，泥頁巖流變曲線中有一段因連續降雨導致的變形陡坎。將該段曲線單獨取出、放大，如圖12所示。

圖12 泥頁巖流變曲線中的降雨影響段Fig.12 Rainfall influence section in mud shale rheological curve

表 1中給出了那段時間廠區的天氣狀況記錄表。對比流變觀測曲線和天氣狀況，可以發現流變曲線形態與天氣狀況之間具有明顯的對應關系。2015年1月27日之前，試驗點變形一直較穩定，每天只是隨著晝夜溫差變化有小幅波動。但1月27日、1月28日連續2天降雨之后，雨水從板房周邊滲入試驗巖體內，導致巖體含水率增高。從1月29日凌晨開始，變形出現較明顯變化，向下的沉降變形增加了約0.1 mm。1月29日降雨停止后，變形有小幅回彈，但是回彈形態較復雜，而且未能立即恢復至降前的變形水平。另外在影響程度上，連續2天的降雨導致泥頁巖沉降變形增加了約0.1 mm，該試驗點在0.6 MPa荷載作用下，總變形量約2.5 mm，降雨所導致的變形占前期總變形量的4%左右。

表1 天氣記錄表Table 1 Weather chart

對比泥質粉砂巖和砂巖流變試驗點在同時間段的變形情況，發現泥質粉砂巖和砂巖流變受降雨的影響沒有泥頁巖明顯。說明降雨或含水狀態的變化主要影響泥頁巖軟巖的流變。泥頁巖主要以泥質礦物為主，與水有更強的結合性，遇水有明顯的軟化性（中等風化泥頁巖軟化系數為0.25），所以會發生上述現象。

對比泥質粉砂巖和砂巖流變試驗點在同時間段的變形情況，發現泥質粉砂巖和砂巖流變受降雨的影響沒有泥頁巖明顯。說明降雨或含水狀態的變化主要影響泥頁巖軟巖的流變。泥頁巖主要以泥質礦物為主，與水有更強的結合性，遇水有明顯的軟化性（中等風化泥頁巖軟化系數為0.25），所以會發生上述現象。

3.3 流變模型辨識

考慮模型應為后續數值計算服務的實用性和簡便性，本次流變試驗模型采用常用的廣Kelvin模型描述，該模型由虎克體與Kelvin體串聯組成，即三參數廣義Kelvin模型[17]，模型結構見圖13。

圖13 廣義Kelvin模型示意圖Fig.13 Schematic diagram of generalized Kelvin model

模型中各元件的物理意義如下：EH為彈簧的彈性模量，反映加卸載瞬時的彈性變形性質；E1為Kelvin體的彈性模量；η1為Kelvin體的黏滯系數，反映蠕變速率（η1越大，蠕變速率越小）。

三參量廣義Kelvin蠕變模型的本構方程如下：

式中：ε為應變；σ為應力，MPa；EH為彈簧的彈性模量，MPa；E1為Kelvin體的彈性模量，MPa；η1為Kelvin體的黏滯系數，MPa?h；t為時間，h。

式（1）反映的是應力（σ）和應變（ε）之間的關系，現場流變試驗獲得的是荷載（P）和變形（w）之間的關系。要將式（1）中的應力（σ）-應變（ε）關系轉換成荷載（P）-變形（w）關系，經過較復雜的數學、力學推導，相關研究可以參見參考文獻[18]，得出基于三參量廣義Kelvin模型的承壓板法巖體載荷蠕變公式如下：

其中：A=EHEH1+6KEH+6KE1

式（2）中：w為承壓板表面變形，mm；P為荷載，MPa；D為承壓板直徑，m；EH為瞬時模量，GPa；K為體積變形模量，GPa；μ為泊松比。

體變模量K與彈簧模量EH的轉換關系如下：

3.4 流變參數反演

彈簧模量EH按下式計算：

式中：E0為瞬時彈性模量，按式（5）計算，計算時變形采用加卸載過程中的瞬時變形。

式中：μ為泊松比；P為試驗壓力，MPa；D為承壓板直徑，m；w為變形，mm。

流變本構模型中的彈性模量E1、黏滯系數η1依據按式（2）在實測蠕變曲線的基礎上，采用非線性最小二乘法擬合優化求解。得到擬合曲線見圖14～16。

圖14 泥頁巖蠕變試驗曲線與蠕變方程擬合曲線Fig.14 Rheological test curve and fitting curve of mud shale

圖15 泥質粉砂巖蠕變試驗曲線與蠕變方程擬合曲線Fig.15 Rheological test curve and fitting curve of argillaceous siltstone

圖16 砂巖蠕變試驗曲線與蠕變方程擬合曲線Fig.16 Rheological test curve and fitting curve of sandstone

從圖中可以看出，模型對實測曲線擬合效果較好，根據擬合結果，得出不同巖性的流變參數，見表2。

表2 廣義Kelvin流變模型參數及瞬時模量與長期模量Table 2 Parameters of generalized Kelvin rheological model, instantaneous modulus and long-term modulus

表 2中給出了與廣義 Kelvin模型相對應的地基巖體流變參數，還給出了地基巖體的瞬時模量E0和長期模量E∞。該成果參數可以直接帶入三維地質數值計算模型開展流變數值計算，可以得到不同時刻地基巖體變形場、地基巖體變形達到基本穩定所需要的時間、地基巖體在加（卸）載完成時的瞬時變形和考慮流變變形的最終變形量。

4 結 論

（1）三種巖性在加載、卸載過程中都表現出一定的流變性，恒載下呈衰減蠕變特征：變形量隨時間增長，但變形速率逐漸減小并趨于零。

（2）由于構成巖石礦物不同和巖石結構的差異，在蠕變過程中表現為，在低應力水平（0.6 MPa）荷載下，泥質粉砂巖和泥頁巖比砂巖達到變形穩定所需蠕變時間短；在高應力水平（1.2 MPa）荷載下，泥質粉砂巖比砂巖達到變形穩定所需蠕變時間長。

（3）砂巖和泥質粉砂巖卸荷后，都存在殘余應變，且殘余應變隨荷載的增大而增大。

（4）在恒荷載下，巖體含水率的變化對軟巖泥頁巖變形影響較明顯，但對泥質粉砂巖和砂巖的變形影響較小。

（5）采用三參數廣義Kelvin模型，對流變試驗曲線擬合，擬合效果較好，得出了地基巖體的各項流變參數。