黃旻鵬，李江騰，張建，王聰聰，王思青

板巖各向異性蠕變特性試驗(yàn)研究

黃旻鵬，李江騰，張建，王聰聰，王思青

(中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長沙，410083)

利用RYL-600微機(jī)控制巖石剪切流變儀，對(duì)江西九江地區(qū)典型板巖進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，研究板巖內(nèi)部固有各向異性對(duì)蠕變特性的影響。研究結(jié)果表明：板巖試樣蠕變曲線均出現(xiàn)明顯的瞬時(shí)彈性階段、衰減蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段，并未出現(xiàn)加速蠕變階段，且試樣在應(yīng)力水平穩(wěn)定的狀態(tài)下突然發(fā)生破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征；隨著層理面傾角變化，蠕變破壞類型即剪切破壞和張拉破壞也發(fā)生變化；在初始應(yīng)力水平下，層理面傾角為60°時(shí)的瞬時(shí)彈性應(yīng)變最大，傾角為90°時(shí)的瞬時(shí)彈性應(yīng)變最小，且隨著應(yīng)力水平大，瞬時(shí)彈性模量逐漸上升并趨于穩(wěn)定，瞬時(shí)彈性應(yīng)變則呈逐漸降低的趨勢；蠕變速率隨應(yīng)力水平提高而逐漸增大，層理面傾角為60°的試樣在高應(yīng)力下出現(xiàn)最大蠕變速率。

板巖；蠕變；各向異性；層理面傾角

自然界中，很多種類的巖石具有非連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性特征[1]。這是由于巖石在形成過程中存在大量層理、節(jié)理以及裂隙網(wǎng)絡(luò)，且?guī)r石內(nèi)部的礦物結(jié)晶顆粒具有不同的粒度和組合方式，造成巖石具有不同層次的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，進(jìn)而對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)、變形特征和破壞規(guī)律產(chǎn)生重要影響[2]。因此，研究巖石內(nèi)部固有各向異性對(duì)流變特性的影響具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石蠕變特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[3?8]，而對(duì)各向異性的蠕變特性試驗(yàn)研究較少。DUBEY等[9]對(duì)喜馬拉雅地區(qū)的鹽巖進(jìn)行了單軸壓縮蠕變特性試驗(yàn)，對(duì)軸向荷載與層理之間平行、垂直以及30°斜交這3種狀態(tài)下試樣的瞬時(shí)應(yīng)變、衰減蠕變階段持續(xù)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)蠕變速率等進(jìn)行了研究。LIU等[10]對(duì)泥質(zhì)巖進(jìn)行了三軸蠕變?cè)囼?yàn)，研究了偏應(yīng)力和結(jié)構(gòu)各向異性對(duì)泥質(zhì)巖蠕變特性的影響。付志亮等[11]以非線性蠕變理論作為基礎(chǔ)，對(duì)含油泥巖的彈性模量、泊松比、蠕變速率進(jìn)行了測試和分析。熊良宵等[12]對(duì)綠片巖進(jìn)行了單軸壓縮蠕變特性試驗(yàn)，將荷載與層理之間的關(guān)系分為垂直和平行2種，針對(duì)這2種情況下試樣的瞬時(shí)應(yīng)變、衰減蠕變持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)蠕變破壞機(jī)制進(jìn)行了研究。FABRE等[13]對(duì)含黏土成分較多的沉積巖進(jìn)行了單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，分析了加載方式、軸向荷載與層理的夾角對(duì)沉積巖長期流變特性的影響。肖明礫等[14]對(duì)石英云母片巖進(jìn)行了三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，研究了丹巴水電站石英云母片巖的三軸蠕變特性及其各向異性特性。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)增量加載方式，對(duì)江西九江地區(qū)典型板巖進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，獲取相應(yīng)的蠕變?cè)囼?yàn)曲線。以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，探討板巖內(nèi)部固有各向異性對(duì)蠕變特性的影響。

1 蠕變?cè)囼?yàn)

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)所采用的板巖巖樣取自江西九江地區(qū)某礦山鉆孔礦巖巖心，外觀為深灰—灰黑色，質(zhì)地均勻致密，具有顯著的片狀構(gòu)造，夾有灰色、青灰色變質(zhì)細(xì)砂巖或粉砂巖。試樣制備采用鉆孔取心法，按(即層理面與水平面的夾角)方向取樣。如圖1所示，取為0°，30°，60°和90°，制作4個(gè)試樣即試樣1~4，試樣是直徑×高度為50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，試樣高度和直徑允許偏差為±3 mm，試樣端面的平整度和側(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°[15]。

圖1 試樣制備示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)根據(jù)層理面與水平面之間的不同夾角關(guān)系將試樣分為4組?？紤]到試驗(yàn)儀器的利用效率等因素，蠕變?cè)囼?yàn)采用分級(jí)增量加載方式進(jìn)行，將單軸抗壓強(qiáng)度的30%，40%，50%，70%，80%和90%作為蠕變?cè)囼?yàn)的各級(jí)荷載[16]，每級(jí)加載速率為100 N/s，具體試驗(yàn)分組情況見表1。

板巖單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)在中南大學(xué)巖土力學(xué)流變?cè)囼?yàn)室RYL?600微機(jī)控制巖石剪切流變儀上完成，試驗(yàn)機(jī)所配控制系統(tǒng)采用原裝德國進(jìn)口DOLI全數(shù)字伺服控制器，試驗(yàn)得到的蠕變曲線可實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，試驗(yàn)1~4的軸向應(yīng)變?時(shí)間曲線見圖2。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)板巖試樣進(jìn)行分級(jí)增量加載蠕變?cè)囼?yàn)，獲得了不同層理面傾角板巖在各級(jí)荷載狀態(tài)下的軸向應(yīng)變。

表1 蠕變?cè)囼?yàn)參數(shù)

(a) 試樣1；(b) 試樣2；(c) 試樣3；(d) 試樣4

由圖2可知：板巖試樣軸向應(yīng)變隨應(yīng)力水平等級(jí)的提高而提高，且在各級(jí)荷載狀態(tài)下試樣軸向應(yīng)變均可分為施加荷載過程中出現(xiàn)的瞬時(shí)彈性應(yīng)變和應(yīng)力水平穩(wěn)定狀態(tài)下出現(xiàn)的蠕變應(yīng)變2部分。除試樣2在加載過程中被破壞以外，其他試樣均在應(yīng)力水平穩(wěn)定的狀態(tài)下突然發(fā)生破壞。試樣在蠕變?cè)囼?yàn)過程中出現(xiàn)瞬時(shí)彈性階段、衰減蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段，但未出現(xiàn)加速蠕變階段。其原因是：試樣內(nèi)部的微觀裂紋在試驗(yàn)過程中由于應(yīng)力集中、疲勞等，導(dǎo)致其進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到臨界尺寸時(shí)，試樣突然發(fā)生破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。

2 層理面對(duì)板巖蠕變破壞形態(tài)的 影響

試樣1~4的蠕變破壞形態(tài)見圖3。

由圖3可知：隨著層理面與水平面夾角變化，板巖試樣的蠕變破壞類型發(fā)生改變，可分為剪切破壞和張拉破壞兩大類。

(a) 試樣1；(b) 試樣2；(c) 試樣3；(d) 試樣4

當(dāng)層理面傾角為0°和30°時(shí)(如圖3(a)和3(b)所示)，試樣的蠕變破壞類型為裂紋斜向貫穿層理面的剪切破壞。這是由于試樣內(nèi)部的板巖(母巖)和砂巖(夾層)的力學(xué)性質(zhì)不相同，導(dǎo)致兩者的蠕變變形并不一致，因而在其交界面出現(xiàn)徑向張力，試樣內(nèi)部形成微觀裂紋。但由于沿層理面方向的拉應(yīng)力分量較小，不足以產(chǎn)生沿層理面方向的滑動(dòng)位移，隨著應(yīng)力水平和蠕變時(shí)間增長，微觀裂紋逐漸擴(kuò)展并且匯聚成為貫穿層理面的宏觀剪切面，最終試樣沿該剪切面滑移并出現(xiàn)剪切破壞。

當(dāng)層理面傾角為60°時(shí)(如圖3(c)所示)，試樣的蠕變破壞類型為沿層理面的滑動(dòng)剪切破壞，此時(shí)，試樣的層理面即為剪切面，主要發(fā)生沿層理面方向的滑動(dòng)破壞。

當(dāng)層理面傾角為90°時(shí)(如圖3(d)所示)，試樣的蠕變破壞類型為平行層理面的劈裂張拉破壞。這是由于板巖與砂巖的彈性模量等力學(xué)參數(shù)差異較大，而當(dāng)試樣上、下端受到約束時(shí)，兩者具有相同的軸向蠕變應(yīng)，因此，母巖與夾層之間存在應(yīng)力差，導(dǎo)致試樣內(nèi)部沿層理面產(chǎn)生張拉裂紋。受泊松效應(yīng)的影響，張拉裂紋沿平行層理面方向擴(kuò)展形成破裂面；隨著應(yīng)力水平增長，當(dāng)試樣內(nèi)部的橫向拉應(yīng)力大于抗壓極限時(shí)，破裂面逐漸張開，最終試樣沿平行層理面方向發(fā)生劈裂張拉破壞。

3 瞬時(shí)彈性應(yīng)變的比較

各級(jí)荷載狀態(tài)下試樣的瞬時(shí)彈性應(yīng)變、瞬時(shí)彈性模量和蠕變速率見表2，瞬時(shí)彈性應(yīng)變與試驗(yàn)荷載的關(guān)系見圖4。在分級(jí)增量加載條件下，每級(jí)的總瞬時(shí)彈性應(yīng)變?yōu)榍懊娓骷?jí)瞬時(shí)彈性應(yīng)變的累加值，總瞬時(shí)彈性應(yīng)變與試驗(yàn)荷載的關(guān)系見圖5。瞬時(shí)彈性模量與試驗(yàn)荷載的關(guān)系見圖6。

由表2、圖4和圖5可知：在初始應(yīng)力水平下，試樣3(層理面傾角為60°)的瞬時(shí)彈性應(yīng)變大于試樣1和2(層理面傾角分別為0°和30°)的瞬時(shí)應(yīng)變?cè)隽?，且試?(層理面傾角為90°)瞬時(shí)彈性應(yīng)變最小。其原因是：對(duì)試樣施加軸向壓應(yīng)力的瞬間，除了內(nèi)部微觀孔洞或裂隙被壓閉合外，由于砂巖(夾層)的黏聚力和彈性模量比板巖(母巖)的低，因此，當(dāng)層理面與水平面夾角為60°時(shí)，夾層與母巖的交界面出現(xiàn)拉應(yīng)力，進(jìn)而沿層理面方向產(chǎn)生滑動(dòng)剪切位移，導(dǎo)致其瞬時(shí)彈性應(yīng)變比其他試樣的大。當(dāng)層理面傾角為0°和30°時(shí)，由試樣的破壞形態(tài)可知，此時(shí)其并未產(chǎn)生沿層理面方向的滑動(dòng)位移，因此，瞬時(shí)彈性應(yīng)變主要來源于母巖與夾層內(nèi)微裂隙的壓密閉合。當(dāng)層理面與水平面夾角為90°即軸向荷載平行于層理時(shí)，板巖試樣沿平行層理面方向產(chǎn)生張拉裂紋，并形成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的片狀巖塊；將這些片狀巖塊類比為壓桿[17]，由試驗(yàn)現(xiàn)象可知受壓時(shí)其彎矩較小，因此，產(chǎn)生的撓度也較小，此時(shí)，試樣表現(xiàn)出較大的瞬時(shí)彈性模量，而瞬時(shí)彈性應(yīng)變則較小。

1—試樣1；2—試樣2；3—試樣3；4—試樣4。

1—試樣1；2—試樣2；3—試樣3；4—試樣4。

1—試樣1；2—試樣2；3—試樣3；4—試樣4。

由于試樣在低應(yīng)力狀態(tài)下經(jīng)歷長時(shí)間的蠕變變形，使初始裂紋不斷閉合，因此，隨著應(yīng)力水平增加，其瞬時(shí)彈性應(yīng)變總體上呈逐漸降低的趨勢(第3級(jí)應(yīng)力水平和第4級(jí)應(yīng)力水平之間的應(yīng)力差值為單軸抗壓強(qiáng)度的20%，此時(shí)，瞬時(shí)彈性應(yīng)變出現(xiàn)小幅度上升)，且層理面與水平面方向夾角不同的試樣間瞬時(shí)彈性應(yīng)變差異明顯減小。從表2和圖6可以看出：在高應(yīng)力狀態(tài)下，各試樣瞬時(shí)彈性模量相對(duì)穩(wěn)定，表明此時(shí)試樣的瞬時(shí)彈性應(yīng)變也逐漸趨于穩(wěn)定，與表2及圖4和圖5所示情況一致。

4 蠕變速率影響因素分析

蠕變速率與應(yīng)力關(guān)系曲線見圖7。采用應(yīng)力函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見圖8。

1—試樣1；2—試樣2；3—試樣3；4—試樣4。

(a) 試樣1和2；(b) 試樣3和4

由表2和圖8可知：隨著應(yīng)力水平提高，板巖試樣的蠕變速率逐漸增大。這是因?yàn)榘鍘r內(nèi)部存在成層賦存的層理或節(jié)理等弱面，當(dāng)層理面剪應(yīng)力增大時(shí)，由此引發(fā)的裂紋擴(kuò)展速率加快，使蠕變速率上升。由圖7可知：當(dāng)應(yīng)力水平較大時(shí)，試件3出現(xiàn)了最大蠕變速率，此時(shí)試樣層理面與水平面的夾角為60o，接近試樣的破裂角，蠕變速率明顯增大。因此，應(yīng)力以及試件的層理面傾角均為蠕變速率影響因素。

5 結(jié)論

1) 板巖試樣在蠕變?cè)囼?yàn)過程中出現(xiàn)了瞬時(shí)彈性階段、衰減蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段，但未出現(xiàn)加速蠕變階段；大多數(shù)試樣在應(yīng)力水平穩(wěn)定狀態(tài)下突然發(fā)生破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。

2) 隨著層理面與水平面夾角的變化，板巖試樣的蠕變破壞類型也發(fā)生改變。當(dāng)層理面傾角為0°和30°時(shí)，破壞類型為裂紋斜向貫穿層理面的剪切破壞；當(dāng)傾角為60°時(shí)，破壞類型為沿層理面的滑動(dòng)剪切破壞；當(dāng)傾角為90°時(shí)，破壞類型為平行層理面的劈裂張拉破壞。

3) 在初始應(yīng)力水平下，層理面傾角為60°時(shí)的瞬時(shí)彈性應(yīng)變大于0°和30°時(shí)的瞬時(shí)應(yīng)變?cè)隽?，而傾角為90°時(shí)瞬時(shí)彈性應(yīng)變最小。隨著應(yīng)力水平增加，試樣的瞬時(shí)彈性應(yīng)變呈逐漸降低趨勢，且層理面與水平面方向夾角不同的試樣間瞬時(shí)彈性應(yīng)變差異明顯 減小。

4) 應(yīng)力以及試件的層理面傾角均為蠕變速率影響因素。隨著應(yīng)力提高，板巖試樣的蠕變速率逐漸增大；當(dāng)層理面傾角接近試樣的破裂角時(shí)，蠕變速率明顯增大。

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(編輯 陳燦華)

Experimental study on creep characteristics of anisotropic slate

HUANG Minpeng, LI Jiangteng, ZHANG Jian, WANG Congcong, WANG Siqing

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

A set of uniaxial compression creep experiments of typical slate specimens which come from Jiangxi Jiujiang region were performed using RYL-600 microcomputer control rock shear rheometer. The effects of internal inherent anisotropy on creep mechanical properties of slate were studied according to the experimental data. The results show that all the strain-time curves of specimens exhibite obvious instantaneous elastic stage, transient creep stage and steady state creep stage while do not exhibit the accelerated creep stage, the creep failure occurs suddenly under the steady stress level, showing obvious brittle failure characteristics. With the change of the bedding plane angle, creep damage types also change, including shear failure and tensile failure. Under the initial stress level, the instantaneous elastic strain is the largest when the bedding plane angle is 60°, while it is the smallest when the angle is 90°, and with the increase of stress level, the instantaneous elastic modulus gradually increases and stabilizes, while the instantaneous elastic strain decreases gradually. Creep rate increases with the increase of stress level, creep rate of the specimen with bedding planes inclination angle of 60° is the fastest among all specimens under high stress condition.

slate; creep; anisotropy; inclination of bedding

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.031

TU452

A

1672?7207(2017)08?2210?07

2016?09?29；

2016?11?03

長江科學(xué)院開放研究基金資助項(xiàng)目(CKWV2016390/KY)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374246)；湖南省水利廳科技項(xiàng)目(30227)；中南大學(xué)碩士生自主探索創(chuàng)新項(xiàng)目(2016zzts453)(Project(CKWV2016390/KY) supported by the Open Research Program of Changjiang River Scientific Research Institute; Project(51374246) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(30227) supported by the Science and Technology Program of Water Resources Department of Hunan Province; Project(2016zzts453) supported by the Master Independent Explored Innovation of Central South University)

李江騰，博士(后)，教授，從事巖土工程研究；E-mail：ljtcsu@163.com