擾動作用下硬巖蠕變及剪切破壞實驗研究

摘"要：為了研究深部巖體在擾動作用下的非線條蠕變特征和蠕變擾動效應(yīng)，采用巖石擾動蠕變試驗裝置，選用片麻巖為試樣，并采用了分級加載方式。在靜態(tài)軸壓、不同擾動幅值和頻率的作用下，進行了巖石壓縮擾動蠕變試驗，以獲得擾動載荷對巖石蠕變特性的影響。實驗結(jié)果顯示：試樣的剪切行為和剪切應(yīng)力曲線可分為完整試樣的壓剪破裂和剪斷后試樣的剪切滑移。通過對剪切變形與剪切應(yīng)力的結(jié)果分析，在軸壓達到40MPa時，觀察到巖石進入了蠕變敏感的起始階段。當(dāng)軸壓超過40MPa后，巖石的蠕變應(yīng)變急劇增加，曲線呈現(xiàn)更為陡峭的變化。這表明在特定的軸壓水平下，巖石對擾動的反應(yīng)更為敏感。研究結(jié)果有助于深入認識巖石剪切蠕變力學(xué)行為。

關(guān)鍵詞：深部巖體；巖石強度；擾動荷載；壓剪破裂

1"概述

在深部工程中，圍巖的應(yīng)力場和應(yīng)變分布表現(xiàn)出顯著的時間依賴性，尤其是在進行硐室開挖之后，圍巖的形變將逐步發(fā)展。在此情境下，微小的擾動對于高壓環(huán)境下巖體的物理力學(xué)特性產(chǎn)生顯著影響，甚至可能引起巖體在其強度極限下的破壞和不穩(wěn)定［1］。隨著深度的不斷加深，深部巖體面對高應(yīng)力和強干擾的復(fù)雜情況，使深部工程的支護工作變得更加困難［2］。深部圍巖的應(yīng)力狀態(tài)接近巖石強度的極限，干擾性變形成為圍巖形變的關(guān)鍵因素［3］。因此，研究巖石在干擾載荷下的蠕變力學(xué)特性對于深部工程的支護具有實際意義。眾多學(xué)者從不同視角研究了巖石的非線性蠕變性質(zhì)，并提出了多種非線性蠕變特性［4，5］。

然而，大多數(shù)研究都集中在擾動蠕變過程中擾動載荷的直接影響上，而相對較少的研究集中在擾動的振幅和頻率等因素上。為此，開展了不同振幅和頻率的巖石蠕變實驗，以更好地了解擾動對巖石蠕變特性的影響，為深部工程中動力擾動引發(fā)巖體蠕變破裂的機理提供理論依據(jù)。

2"巖石擾動試驗設(shè)備及方案

2.1nbsp;直剪蠕變實驗設(shè)備

在對深部巖石進行直剪蠕變實驗研究時，采用便攜式巖石直剪儀，該裝置的法向最大壓力可達500kN，橫向最大剪切力達到300kN，通過力傳感器直接測量法向力與剪切力。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、輕便、直觀，維修方便，試驗數(shù)據(jù)數(shù)字顯示準確可靠。實驗使用的是深部完整的片麻巖試樣，實驗分析過程包括壓剪斷裂和剪切滑移兩個階段，這兩個階段都在單次直剪蠕變實驗中實現(xiàn)。實驗裝置如圖1所示。

2.1.1"擾動加載系統(tǒng)

擾動加載系統(tǒng)的振動電機通過杠桿安裝于直剪儀豎向液壓裝置上，使振動電機產(chǎn)生的振動能通過杠桿直接傳遞到壓力室中，從而對巖石樣本實施軸向擾動。此設(shè)計使實驗裝置能夠模擬巖石在不同擾動頻率條件下的蠕變行為，并提供了靈活多變的實驗環(huán)境。

2.1.2"數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)利用多通道數(shù)據(jù)記錄器，連接應(yīng)力和位移傳感器，實現(xiàn)多通道應(yīng)力與位移數(shù)據(jù)的同步記錄。該系統(tǒng)的設(shè)計顯著提升了數(shù)據(jù)的可靠性與處理便利性，使實驗數(shù)據(jù)采集及分析過程更加高效可靠。

2.2"試驗方案及過程

為確保試驗結(jié)果的一致性，選取同一塊片麻巖制備所有試樣。這些樣品被加工成100mm×100mm×100mm的立方體，平均密度為2.75g/cm3，單軸抗壓強度達到88.7MPa。選取一致性好的6個樣品，通過超聲檢測進行檢測。研究片麻巖的擾動蠕變特性時，實驗采取分級加載法，涵蓋了不同的軸向壓力、擾動幅度和頻率的單軸壓縮蠕變試驗［6］。依據(jù)片麻巖的應(yīng)力——應(yīng)變響應(yīng)及其基礎(chǔ)力學(xué)性質(zhì)，初始靜載壓力設(shè)為20MPa，隨后進行六級軸向加載，每級增加10MPa。擾動幅值設(shè)定為0.15kN、0.25kN、0.35kN，而擾動頻率分別設(shè)置為3.0Hz、6.0Hz、9.0Hz，在所有試驗中，保持擾動幅值和頻率對于同一試樣不變。

試驗步驟如下進行：（1）加工后的試樣被置于壓力室的中心位置，確保試樣的軸心與壓力室底面垂直。（2）配置并校準應(yīng)力與位移傳感器，隨后連接至多通道數(shù)據(jù)記錄器。（3）實施軸向加載，達到設(shè)定的壓力值并保持穩(wěn)定。（4）在軸向變形量連續(xù)12小時內(nèi)保持在0.001mm以下時，進行下一階段的加載。監(jiān)測直到樣本顯示出蠕變斷裂。整個試驗過程中，保證擾動幅度和頻率對于每個試樣保持一致。（5）進行應(yīng)力與蠕變數(shù)據(jù)的收集與分析，旨在探索不同實驗條件對片麻巖蠕變性質(zhì)的影響［7］。

3"試驗結(jié)果與分析

3.1"不同擾動幅值對剪切蠕變結(jié)果的研究

研究了軸壓分別為20MPa、40MPa和60MPa時擾動幅度和頻率對巖石蠕變形態(tài)的影響。圖2顯示出了當(dāng)擾動頻率為6Hz時在不同擾動幅度下的蠕變實驗曲線，包括蠕變速率的變化。從圖中可以看出，隨著軸向壓力的增加，巖石的蠕變變形也隨之增加，呈現(xiàn)出加速蠕變現(xiàn)象。特別是當(dāng)軸向壓力為40MPa、擾動幅度為11.2MPa、加載時間為21.34h時，巖石達到極限蠕變變形。在實驗中觀察到，在巖石達到加速蠕變階段并發(fā)生破裂之前，軸壓起著至關(guān)重要的作用。在恒定軸壓下，擾動會顯著增加蠕變變形量，并在擾動期間導(dǎo)致蠕變曲線呈現(xiàn)波動性。隨著擾動幅度的增加，巖石的蠕變量呈現(xiàn)階梯式增加，并且增大了突增值。在相同的軸壓和擾動頻率下，增加擾動幅度會導(dǎo)致蠕變變形量增加。另外，隨著軸壓的增加，巖石對擾動的敏感度也增加。在40MPa的軸向壓力下，原狀巖石樣品僅經(jīng)歷衰變和穩(wěn)定蠕變。然而，一旦施加擾動載荷，蠕變變形急劇增加，并進入加速蠕變階段，最終導(dǎo)致蠕變斷裂。因此，40MPa可以作為巖石擾動敏感性的分界點。

3.2"不同擾動頻率對剪切蠕變結(jié)果的研究

圖3為干擾幅值為8MPa時，片麻巖試件在不同軸向壓力和干擾頻率下的蠕變曲線。結(jié)果表明，在相同的同軸壓力和擾動幅度下，巖石的蠕變變形隨著擾動頻率的增加而顯著增加。與原狀相比，巖石蠕變由衰減穩(wěn)態(tài)階段變?yōu)榧铀偃渥冸A段。這一變化有時足以觸發(fā)蠕變失敗。擾動狀態(tài)下的蠕變變形量與無擾動狀態(tài)相比有顯著增加，極限蠕變變形量在受擾動條件下大大超過無擾動條件，增幅有時可達2～3倍。將圖2與圖3的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，擾動幅度對片麻巖蠕變變形的影響超過了擾動頻率的影響。因此，在特定條件下，增加擾動幅度可能引發(fā)更顯著的巖石蠕變變形。

3.3"各因素對剪切破壞結(jié)果的研究

圖2與圖3展示了在不同軸壓、擾動幅度及頻率條件下片麻巖試樣的蠕變速度曲線。未受擾動時，蠕變速度隨時間延長而逐步降低，開始階段下降最為迅速，最后穩(wěn)定在一定值附近，微小波動。軸壓增加時，瞬時蠕變速度整體上升，經(jīng)過初始急劇降低后，在20分鐘之后開始緩慢降低并達到穩(wěn)定狀態(tài)，同時輕微波動。這種波動可能源于片麻巖內(nèi)部細小裂紋在應(yīng)力作用下逐步壓緊的過程。雖然這對整體趨勢影響不大，但會在試樣中引起瞬時應(yīng)變，逐漸趨于穩(wěn)定。擾動期間，巖石蠕變速度波動較大，隨著擾動次數(shù)的增加，同一巖樣蠕變速度變化加快。擾動強度的變化對蠕變速度的波動幅度和頻率有顯著影響；擾動頻率與幅度提高時，蠕變速度曲線波動更為顯著。特別是，擾動幅度對蠕變速度的影響比擾動頻率更加突出，為理解片麻巖在各種擾動條件下的蠕變行為提供了關(guān)鍵作用。

直剪試驗系統(tǒng)的剪切能力上限為500kN，導(dǎo)致隨試樣剪切面積增加，能施加的最大法向應(yīng)力相應(yīng)降低［8］。圖4展現(xiàn)的試樣剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線呈現(xiàn)兩個顯著階段：壓剪斷裂和剪斷后滑移。在壓剪斷裂階段，曲線表現(xiàn)出初始壓密和彈性變形特征，期間出現(xiàn)折點，這可能指示試樣在早期顯示出較高的強度和剛度。進入剪切滑移階段，在較高的法向應(yīng)力作用下，曲線從剪切峰向滑移峰快速或緩慢下降，下降速率隨法向應(yīng)力的增大而減小。在較低的法向應(yīng)力條件下，曲線先從剪切峰值下降到接近于零的水平，然后上升到滑移峰值，表明當(dāng)法向應(yīng)力降低時，試件受剪程度增加。

通過對片麻巖直剪試驗的剪切變形與剪切應(yīng)力曲線以及破壞模式的分析，反映了從壓剪斷裂到剪切滑移階段的完整直剪試驗流程。試樣前后面的類片狀破裂通常在剪斷面顯現(xiàn)之前形成；當(dāng)試樣達到第一個峰值，即壓剪斷裂點時，剪斷面首次出現(xiàn)，隨后試樣的裂紋模式趨于穩(wěn)定；進而進入剪切滑移階段。

4"結(jié)論

（1）擾動幅度與頻率是影響片麻巖蠕變性質(zhì)的關(guān)鍵因素。這些參數(shù)的增加導(dǎo)致巖石的蠕變變形急劇增加。在應(yīng)力與時間條件不變時，擾動幅度對巖石蠕變的破壞作用比擾動頻率更為明顯。

（2）片麻巖的蠕變敏感性隨軸壓的升高而增加，尤其當(dāng)軸壓達到40MPa時，標志著進入蠕變敏感的起始區(qū)域。軸壓超過40MPa后，巖石的蠕變應(yīng)變急劇增加，曲線出現(xiàn)更加明顯的陡峭變化，說明在一定的軸壓水平下，巖石對擾動的反應(yīng)更為敏感，這種敏感性在高軸壓條件下尤其突出。

（3）通過對剪切變形與剪切應(yīng)力的結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)該過程可以明顯分為兩個階段：一階段對應(yīng)于試樣的壓剪斷裂，另一階段對應(yīng)于剪斷后的剪切滑移。這樣的分階段描述有助于深入理解試驗過程中巖石經(jīng)歷的不同破裂階段，進而深化對巖石蠕變行為的認識。

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基金資助：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃省級項目：動態(tài)擾動誘致巖石剪切蠕變失穩(wěn)破裂機理（項目編號：S2022"10147025）

作者簡介：律天昊（2002—"），男，滿族，遼寧阜新人，本科在讀，研究方向：土木工程。