李江騰，郭群，曹平，林杭，張向陽(yáng)，趙延林

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭，411201)

在巖土工程安全性的諸多影響因素中，水是最活躍的因素，很多地質(zhì)災(zāi)害如滑坡、泥石流、巖溶塌陷、水庫(kù)誘發(fā)地震、地面沉降等，其本質(zhì)上都是水量、水流速、水力坡度、水化學(xué)成分等發(fā)生變化，引發(fā)水?巖相互作用類型、速度或規(guī)模發(fā)生改變，從而導(dǎo)致巖土體失去與其周圍環(huán)境的平衡發(fā)生災(zāi)變[1]。巖石遇水發(fā)生軟化，弱化了巖石的物理力學(xué)參數(shù)，降低了巖土工程的穩(wěn)定性。而隨著時(shí)間的推移，孔隙水可以四處擴(kuò)散，水對(duì)巖石蠕變參數(shù)的影響就逐漸體現(xiàn)出來(lái)；因此，研究在飽水狀態(tài)下流變特性的影響具有十分重要的意義。關(guān)于水對(duì)巖石蠕變特性的影響，Okubo等[2]對(duì)凝灰?guī)r和安山石受單軸壓縮載荷時(shí)飽和水和風(fēng)干 2種狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變及蠕變特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Xie等[3]研究了白堊巖在飽和水條件下的彈塑性特性；Wawersik等[4]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)花崗巖和砂巖與時(shí)間有關(guān)的變形隨含水量的增大而增大，在單軸應(yīng)力狀態(tài)下，干試件和飽水試件的穩(wěn)態(tài)蠕變率相差大約 2個(gè)數(shù)量級(jí)；朱合華等[4]以任胡嶺隧道工程勘探巖樣為研究對(duì)象，通過(guò)巖石的室內(nèi)單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，研究了不同含水狀態(tài)下巖石的蠕變力學(xué)性能；高俊麗等[5]研究了節(jié)理巖體在水飽和情況下，研究了飽和水對(duì)巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度、流變速率和變形量的影響；黃小蘭等[6]以大慶泥巖為研究對(duì)象，進(jìn)行不同含水條件下的強(qiáng)度試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)，分析含水量變化對(duì)泥巖強(qiáng)度、彈性模量等基本力學(xué)參數(shù)以及蠕變特性的影響；李鈾等[7]對(duì)風(fēng)干與飽水狀態(tài)下花崗巖單軸流變特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)飽水后花崗巖長(zhǎng)期強(qiáng)度明顯降低及流變速率和變形量明顯增大。在此，本文作者利用RYL?600微機(jī)控制巖石剪切流變儀，采用分級(jí)增量循環(huán)加卸載方式，對(duì)甘肅金川有色金屬公司Ⅱ礦區(qū)斜長(zhǎng)巖在風(fēng)干和飽和水2種條件下進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，獲得相應(yīng)的蠕變?cè)囼?yàn)曲線。以試驗(yàn)為依據(jù)，探討飽和水對(duì)斜長(zhǎng)巖的蠕變特性的影響。

1 蠕變?cè)囼?yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

巖石蠕變?cè)囼?yàn)在中南大學(xué)巖土力學(xué)流變?cè)囼?yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)儀器為：采用長(zhǎng)春朝陽(yáng)公司生產(chǎn)的RYL-600微機(jī)控制巖石剪切流變儀，該流變儀主要用于巖石和巖石弱面的流變?cè)囼?yàn)或巖石直剪、單軸壓縮、巖石雙向壓縮等試驗(yàn)，主機(jī)組合門式框架結(jié)構(gòu)由軸向力加載框架、橫向力加載框架、控制柜、吊車等組成。本試驗(yàn)用到的軸向力加載框架主要由機(jī)座、滾珠絲杠副、動(dòng)橫梁、固定橫梁及軸向升降裝置組成，并選用日本松下全數(shù)字交流伺服高速系統(tǒng)；控制系統(tǒng)采用進(jìn)口原裝德國(guó)DOLI全數(shù)字伺服控制器。

蠕變?cè)囼?yàn)的加載方式通常有單級(jí)加載、分級(jí)增量和分級(jí)增量循環(huán)加、卸載方式，本試驗(yàn)采用分級(jí)增量循環(huán)加卸載方法[8]，如圖1所示。該方法吸取了分級(jí)增量加載方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了其缺點(diǎn)。在試驗(yàn)過(guò)程中可觀測(cè)到巖石的滯后彈性恢復(fù)，測(cè)得其殘余變形，能全面地反映巖石蠕變曲線的加、卸載過(guò)程，為巖石流變力學(xué)模型的建立和模型參數(shù)的確定提供完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。各分級(jí)加載的載荷增量視試驗(yàn)過(guò)程來(lái)定，初始增量為10 kN，臨近試樣參考強(qiáng)度后載荷增量相應(yīng)減少，初始加載和分級(jí)階段卸載速率分別為300 N/s和1 000 N/s。各級(jí)荷載所持續(xù)的時(shí)間根據(jù)試件的應(yīng)變速率變化情況予以確定，即當(dāng)試樣的軸向變形在2 d內(nèi)小于0.01 mm時(shí)，認(rèn)為其變形基本穩(wěn)定[9?10]，則完全卸載，觀測(cè)其滯后黏彈性恢復(fù)；當(dāng)觀測(cè)到24 h內(nèi)無(wú)滯后恢復(fù)時(shí)，再進(jìn)行下一級(jí)荷載的循環(huán)。依此類推逐級(jí)進(jìn)行，直至試件最終破壞為止。

圖1 分級(jí)增量循環(huán)加、卸載方式Fig.1 Circular incremental step load and unload

1.2 試樣制備

本試驗(yàn)巖樣取自金川Ⅱ礦區(qū) ZK06鉆孔礦巖巖芯，經(jīng)高精度切割、磨平，加工成50 mm×100 mm(直徑×長(zhǎng)度)的標(biāo)準(zhǔn)試樣。試樣端面平整度和側(cè)面平整度控制在0.03 mm以內(nèi)，試樣中心線與端面的垂直度誤差小于0.25°，干燥巖樣放入烘干機(jī)內(nèi)在105 ℃高溫下烘2 d，飽和巖樣在水中浸泡7 d。

2 結(jié)果分析與比較

2.1 2種狀態(tài)下的加載蠕變曲線比較

對(duì)試樣進(jìn)行循環(huán)加卸載蠕變實(shí)驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以處理繪制成圖。加載瞬間，巖石發(fā)生瞬時(shí)彈性響應(yīng)，隨后，產(chǎn)生隨時(shí)間而增大的蠕變變形。蠕變變形的速率隨時(shí)間而逐漸趨緩，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后，變形不再增大，巖石的最終變形趨向于一個(gè)穩(wěn)定值。圖2～4所示為典型試件在不同載荷等級(jí)下的蠕變曲線。

從圖2～4可知：在低應(yīng)力下，斜長(zhǎng)角閃巖在2種狀態(tài)下的蠕變曲線一直很平穩(wěn)，但是，飽和水試樣的蠕變曲線位于干燥試樣蠕變曲線的上方，其原因是：水一方面溶解了礦物質(zhì)，使孔隙加大；另一方面，水存在于巖石顆粒之間，使它們的接觸面更加光滑、更不牢靠，因此，在同等應(yīng)力下飽和巖樣的變形會(huì)增大。由于本次試驗(yàn)在低應(yīng)力下進(jìn)行，巖樣只產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)蠕變，沒(méi)有加速蠕變。

圖2 σ=25.48 MPa時(shí)2種狀態(tài)典型巖樣蠕變曲線Fig.2 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=25.48 MPa

圖3 σ=45.86 MPa時(shí)2種狀態(tài)典型巖樣蠕變曲線Fig.3 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=45.86 MPa

圖4 σ=66.24 MPa時(shí)2種狀態(tài)典型巖樣蠕變曲線Fig.4 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=66.24 MPa

2.2 流變速率的比較

由測(cè)試的數(shù)據(jù)得到典型試樣在不同載荷下的蠕變速率曲線，見圖5～7。

從圖5～7可知：在飽和水和干燥2種狀態(tài)下的蠕變速率曲線都經(jīng)過(guò)衰減和穩(wěn)定階段，但干燥條件下蠕變速率曲線位于飽和水下方，說(shuō)明干燥狀態(tài)比飽和狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定階段(蠕變速率為0)所經(jīng)歷的時(shí)間要短，其原因是飽和狀態(tài)需要一個(gè)排水過(guò)程。

2.3 瞬時(shí)彈性應(yīng)變和瞬時(shí)彈性模量

巖樣加載時(shí)均產(chǎn)生一定量的瞬時(shí)彈性應(yīng)變，瞬時(shí)彈性反應(yīng)程度可以通過(guò)瞬時(shí)彈性模量來(lái)反映。將每級(jí)荷載下的瞬時(shí)應(yīng)力與瞬時(shí)彈應(yīng)變的比值定義為瞬時(shí)彈性模量。表1中瞬時(shí)彈性應(yīng)變?yōu)閷?shí)測(cè)值，各級(jí)載荷下瞬時(shí)彈性模量E的關(guān)系見圖8，各級(jí)載荷下瞬態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系σ?ε(t=0時(shí))曲線見圖9。

圖5 σ=25.48 MPa時(shí)2種狀態(tài)典型巖樣蠕變速率曲線Fig.5 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=25.48 MPa

圖6 σ=45.86 MPa時(shí)2種狀態(tài)典型巖樣蠕變速率曲線Fig.6 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=45.86 MPa

表1 各級(jí)應(yīng)力狀態(tài)下的瞬時(shí)彈性應(yīng)變和瞬時(shí)彈性模量Table1 Instantaneous elastic strain and modulus under different stresses

圖7 σ=66.24 MPa時(shí)2種狀態(tài)典型巖樣蠕變速率曲線Fig.7 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=66.24 MPa

圖8 各級(jí)載荷下瞬時(shí)彈性模量E與應(yīng)變的關(guān)系Fig.8 Relationship between instantaneous elastic modulus and stress

圖9 t=0時(shí)σ?ε曲線Fig.9 Stresses?strain curves when t=0 h

從表1和圖8可以看出：瞬時(shí)彈性模量有隨應(yīng)力增加而增加的趨勢(shì)。其原因是巖石在很低應(yīng)力下內(nèi)部微裂隙壓密閉合；在同一應(yīng)力下，2種狀態(tài)的瞬時(shí)彈性模量不同，飽和水的瞬時(shí)彈性模量低于干燥條件下的瞬時(shí)彈性模量，即飽和水的作用使得試樣的瞬時(shí)彈性模量降低。

3 結(jié)論

(1)水影響巖石的變形。在同一應(yīng)力下，含飽和水試件的蠕變曲線位于干燥試樣蠕變曲線上方，即在相同載荷下產(chǎn)生相應(yīng)的變形要大，表明水能加速變形。

(2)水影響巖石達(dá)到穩(wěn)定蠕變階段的時(shí)間。在同一應(yīng)力水平下，含飽和水試件的蠕變速率曲線位于干燥試樣蠕變速率曲線上方，飽和狀態(tài)試樣達(dá)到穩(wěn)定階段所經(jīng)歷的時(shí)間比干燥狀態(tài)試樣的時(shí)間要長(zhǎng)。

(3)水影響巖石瞬時(shí)彈性變形模量。低應(yīng)力時(shí)瞬時(shí)彈性模量隨應(yīng)力增加而增加，且飽和水使得巖石的瞬時(shí)彈性模量降低。

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