白砂巖峰后蠕變力學行為試驗研究★

谷亞軍，李樹清，黃 飛，陳國豪，朱顏平

(湖南科技大學資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

由于工程擾動的影響，巷道圍巖中會形成一個破裂區(qū)，在原巖應力作用下，破裂巖體會表現(xiàn)出較強的時間效應[1-2]，如破裂巖體的長期流變，這種現(xiàn)象很大程度上會影響巷道圍巖控制的效果。因此，進一步研究巖石峰后流變力學特性是工程圍巖穩(wěn)定性控制至關重要的因素。

巖石峰后蠕變試驗方面，Peng[3]發(fā)現(xiàn)破裂巖樣在荷載作用下蠕變失穩(wěn)時間較短。李曉、Jiang等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)圍壓與破裂巖樣的長期強度相關，隨著圍壓的增大，峰后蠕變由非穩(wěn)定型蠕變轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定型蠕變。牛雙建等[6]發(fā)現(xiàn)隨著應力水平的提高，在各級應力水平下的總?cè)渥兞砍手笖?shù)關系增加。劉傳孝等[7]通過擬合峰后單軸短時蠕變曲線，得出了基于Boltzmann函數(shù)的擬合曲線，確定了其待定系數(shù)且相關性較強。李樹清[8]、譚玉林[9]、劉圣等[10]開展了砂質(zhì)泥巖與紅砂巖峰后蠕變關系的試驗，發(fā)現(xiàn)巖石蠕變速率隨應力增大而增大，蠕變失穩(wěn)時間隨應力增大而縮短，圍壓增量會降低巖石峰后蠕變速率，減緩蠕變過程，延長失穩(wěn)時間。

上述研究對峰后蠕變力學特性進行了一些探索，但鑒于巖石種類復雜多樣，有必要開展更多類型巖石的峰后蠕變試驗，進一步確定石峰后蠕變力學特性。本文主要利用白砂巖試樣在MTS815巖石力學試驗系統(tǒng)上開展了峰后蠕變試驗，并通過分析實驗結果進而確定巖石峰后蠕變特性[11-15]。

1 試驗準備及試驗方法

1.1 試件準備

試驗樣品采自揚子地臺區(qū)上二疊龍?zhí)督M地層，為白砂巖，呈灰白色，無明顯裂隙和層理。根據(jù)國際巖石力學學會要求，將巖樣經(jīng)過鉆取、切割以及打磨等工序加工成標準圓柱形試件，尺寸為φ50 mm×100 mm。為確保加工巖樣的均質(zhì)性，對其進行波速測定篩選出合適的試樣。試驗前對白砂巖巖樣物理參數(shù)進行測量，試樣具體的物理參數(shù)如圖1所示。

1.2 試驗方法

基于MTS815電液伺服巖石試驗系統(tǒng)開展白砂巖峰后蠕變測試實驗。其中，圍壓選取10 MPa和15 MPa兩個等級，蠕變加載水平設置在巖石峰值強度的30%～60%處，軸向應力差值為2 MPa～4 MPa，待系統(tǒng)加載至預定值后保持12 h，如圖2所示的加載路徑。根據(jù)圖2所示，該蠕變實驗分為預加載、軸向位移加載、變形穩(wěn)定及分級蠕變共4個階段。其中，預加載階段表示將軸壓與圍壓同時加載到設計數(shù)值；軸向位移加載階段表示保持圍壓不變，軸向以位移加載模式加載至峰后設計數(shù)值；變形穩(wěn)定階段表示保持試件軸向位移恒定至軸壓與圍壓基本穩(wěn)定；分級蠕變階段表示控制軸壓逐級加載至設計數(shù)值并穩(wěn)壓保持。

2 試驗結果與分析

2.1 峰后蠕變曲線特征

鑒于蠕變階段時間較長，本次試驗主要開展了4組峰后蠕變實驗，測試獲得了如表1所示的巖石力學參數(shù)，并繪制了如圖3所示的分級加載峰后蠕變曲線和圖4所示的試件峰后各級蠕變特征參數(shù)直方圖。

表1 白砂巖力學特征參數(shù)

由圖3可知，4種白砂巖試樣峰后的分級加載峰后蠕變曲線由兩部分組成：等速蠕變、加速蠕變，曲線均未有明顯的衰減蠕變。由表1，圖4可知，4種白砂巖試樣發(fā)生加速蠕變階段的應力基本為其峰值強度的50.23%～57.39%應力水平處。4種巖樣發(fā)生蠕變破壞的應力水平雖存在部分的差異，但總體的峰值強度較為接近。

2.2 峰后蠕變量與應力水平之間的關系

由圖4可知，圍壓為15 MPa的試件BS15-1和BS15-2加速蠕變階段蠕變量占總?cè)渥兞康谋壤謩e為73%左右，而圍壓為10 MPa的試件BS10-1和BS10-2占比卻為71.61%和65.09%；試樣在這兩個階段的蠕變變形之比分別為2.7,2.8,2.5,1.86。由此可見，試件峰后蠕變主要出現(xiàn)在加速蠕變時期，該時期試件短時間產(chǎn)生較大的蠕變變形是導致白砂巖蠕變失穩(wěn)破壞的重要原因。

依靠試樣峰后各級應力狀態(tài)下的蠕變量，繪制如圖5所示的蠕變量-應力水平關系圖。

對4個試樣的蠕變量-應力水平關系進行擬合，得到其各自的回歸曲線，具體關系式如下：

BS15-1：ε=0.134 1+1.657 2×10-12×e0.601 9σ，R2=0.999。

BS15-2：ε=0.179 7+3.802 0×10-14×e0.633 9σ，R2=0.999。

BS10-1：ε=0.359 9+7.515 7×10-12×e0.693 2σ，R2=0.988。

BS10-2：ε=0.447 6+1.014 6×10-8×e0.502 8σ，R2=0.989。

由圖5可以看出，各級峰后蠕變量與應力水平呈指數(shù)函數(shù)關系，白砂巖的峰后蠕變分為以下3個階段：依次是等速蠕變、加速蠕變、蠕變失穩(wěn)。

2.3 峰后軸向蠕變與徑向蠕變的對比分析

由于實驗過程中MTS815試驗機的環(huán)向傳感器發(fā)生故障，試件BS10-1和BS10-2的徑向蠕變數(shù)據(jù)采集發(fā)生錯誤，因此本節(jié)僅以試件BS15-1和BS15-2實驗數(shù)據(jù)進行分析。通過疊加原理分析試樣數(shù)據(jù)后，得到其分級加載峰后軸向與徑向蠕變曲線，如圖6所示。

由圖6可知，在圍巖保持不變時，試件的各級徑向蠕變量隨應力水平的增大而增大，且在最后一級應力水平下，軸向蠕變量增大程度明顯比徑向蠕變量的大。峰后徑向蠕變參數(shù)試驗結果見圖7。

由表1和圖7可知，試件徑向總?cè)渥兞靠傮w比軸向總?cè)渥兞恳　Ｔ嚇影l(fā)生等速蠕變時，軸向蠕變量比徑向蠕變量要小，主要發(fā)生徑向蠕變；而在加速蠕變時，軸向蠕變量比徑向蠕變量大，主要發(fā)生軸向蠕變。對于白砂巖不同蠕變階段的特性，采取不同的應對措施。

2.4 峰后蠕變破壞特征

白砂巖峰后蠕變的破壞形態(tài)如圖8所示。

由圖8可知，試樣破壞形態(tài)主要為單一剪切破壞，在不同圍壓和軸向壓力作用下，試樣的破壞形態(tài)并沒有出現(xiàn)明顯差異。

3 圍壓對峰后蠕變的影響

3.1 圍壓對峰后蠕變速率的影響

根據(jù)圖2的白砂巖峰后蠕變曲線獲得了白砂巖峰后蠕變速率均值和加速蠕變階段維持時間，如表2所示。

表2 白砂巖峰后蠕變速率均值

由表2可知，除試件BS10-1第2級蠕變速率均值外，圍壓15 MPa比圍壓10 MPa下的蠕變速率均值有一定程度的減小，而加速蠕變維持時間有一定程度的增長。這說明，圍壓變化對白砂巖峰后蠕變特性有一定的影響，增大圍壓，可以在一定程度上降低白砂巖的峰后蠕變速率。

3.2 圍壓對峰后蠕變量的影響

圍壓10 MPa下的蠕變破壞應力水平均比圍壓15 MPa下第一級應力水平要小，而圍壓10 MPa下的各級蠕變量均大于圍壓15 MPa下的各級蠕變量。

在蠕變失穩(wěn)時間方面，圍壓10 MPa下蠕變失穩(wěn)持續(xù)時間分別為36.09 h和36.03 h，圍壓15 MPa下的蠕變失穩(wěn)持續(xù)時間為38.32 h和42.61 h，圍壓15 MPa下的蠕變失穩(wěn)持續(xù)時間總計比圍壓10 MPa時延長了2.23 h以上。

綜上所述，圍壓和白砂巖的峰后蠕變特性相關。各級應力水平下的峰后蠕變速率隨圍壓的增大而降低，從而增加白砂巖蠕變失穩(wěn)時間，改良巖石的峰后蠕變特性。

4 結論

1)各級峰后蠕變量與應力水平呈指數(shù)函數(shù)關系，白砂巖的峰后蠕變依次是等速蠕變、加速蠕變、蠕變失穩(wěn)。

2)試件徑向總?cè)渥兞勘容S向總?cè)渥兞啃　］S向蠕變量和徑向蠕變量在不同蠕變階段存在一定區(qū)別，當巖樣為等速蠕變時主要發(fā)生徑向蠕變，而巖樣為加速蠕變時主要發(fā)生軸向蠕變。

3)試樣破壞形態(tài)主要為單一剪切破壞，在不同圍壓和軸向壓力作用下，試樣的破壞形態(tài)并沒有出現(xiàn)明顯差異。

4)白砂巖的峰后蠕變特性對圍壓的影響較敏銳。增大圍壓能夠在一定程度上降低白砂巖的峰后蠕變速率，從而增加蠕變失穩(wěn)時間。