陳國慶 萬 億 裴本燦 米冠宇

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 成都 610059， 中國)

0 引 言

青藏高原高寒地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營過程中，不乏巖體長期穩(wěn)定性問題，而巖石流變性作為反映巖體長期穩(wěn)定性的基本標(biāo)準(zhǔn)，往往與公路邊坡失穩(wěn)，橋梁基礎(chǔ)沉降及隧道圍巖變形等息息相關(guān)。目前，巖石流變以蠕變?yōu)橹餮芯枯^為廣泛，而研究方法以蠕變試驗(yàn)、本構(gòu)模型及數(shù)值分析等進(jìn)行巖石流變學(xué)理論的搭建。其中，試驗(yàn)是建立本構(gòu)模型的基礎(chǔ)，試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及結(jié)果決定了本構(gòu)模型的形態(tài)，大量學(xué)者基于不同的試驗(yàn)條件研究了適用于該環(huán)境下的本構(gòu)模型(陳衛(wèi)忠等， 2009； 張清照等， 2012； 康文獻(xiàn)等， 2016； 趙延林等， 2016； Wu et al.， 2017； 丑亞玲等， 2018; 陳昌富等， 2019； 蔡國軍等， 2019)，而數(shù)值分析作為溝通本構(gòu)模型與數(shù)據(jù)的橋梁，其反演方法也對本構(gòu)模型可靠性判別起關(guān)鍵作用(陳炳瑞等， 2005； 黃書嶺等， 2008)。

近幾年來，考慮溫度損傷效應(yīng)的巖石蠕變及本構(gòu)模型成為多場耦合作用下巖石蠕變劣化特征研究的熱點(diǎn)之一，胡其志等(2009)與朱元廣等(2011)對溫度影響下的巖石蠕變損傷演化過程進(jìn)行了詳細(xì)研究，并基于損傷力學(xué)建立了考慮溫度損傷的巖石蠕變本構(gòu)關(guān)系； 凍融循環(huán)作為一種動態(tài)溫度損傷效應(yīng)，同樣對巖石蠕變具有一定影響，因此，相關(guān)學(xué)者(江宗斌， 2016； 陳國慶等， 2017； 童慶闖， 2017； 張峰瑞等， 2019)對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的砂巖、泥巖與花崗巖等進(jìn)行了一系列蠕變試驗(yàn)，從不同角度分析了凍融循環(huán)對巖石蠕變特性的影響規(guī)律，其試驗(yàn)結(jié)果均表明凍融對巖石蠕變具有明顯的劣化效應(yīng)，具體表現(xiàn)為在相同應(yīng)力加載路徑下，蠕變變形量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，而蠕變時(shí)長、峰值應(yīng)力及長期強(qiáng)度等隨之降低； 研究指出，凍融循環(huán)次數(shù)的增加使得巖石軟化，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低而延性增加，在長期受荷條件下呈現(xiàn)出明顯的損傷特征。

然而，現(xiàn)有的研究對于凍融巖石蠕變特性主要分析了凍融循環(huán)對巖石宏觀長期力學(xué)性能的劣化響應(yīng)，而細(xì)化階段分析及損傷模型構(gòu)建還有待進(jìn)一步提升。鑒于此，本文通過對凍融循環(huán)后石英砂巖及紅砂巖單軸蠕變試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，深入討論凍融循環(huán)對砂巖各蠕變階段的損傷效應(yīng)及凍融循環(huán)對砂巖蠕變破壞形態(tài)演化的損傷機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建考慮凍融損傷的西原模型，并結(jié)合凍融后紅砂巖蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的正確性，借此揭示蠕變特征參數(shù)隨凍融損傷程度的變化規(guī)律。研究成果表明，凍融循環(huán)改變了砂巖蠕變過程中的黏彈塑性變形行為。

1 凍融作用下砂巖蠕變特性分析

1.1 凍融對石英砂巖蠕變特性的影響

一般而言，巖石蠕變可分為3個(gè)階段：衰減蠕變、穩(wěn)定蠕變與加速蠕變。衰減蠕變階段巖石應(yīng)變呈上凸形增長，為應(yīng)變率由大變小的彈性變形； 穩(wěn)定蠕變階段巖石應(yīng)變呈線性增長，為應(yīng)變率恒定的彈塑性變形； 加速蠕變階段巖石應(yīng)變陡增，為應(yīng)變率急劇增加的塑性變形。

通過對以往的研究中(陳國慶等， 2017)關(guān)于不同凍融循環(huán)后石英砂巖蠕變試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步細(xì)化階段分析可以發(fā)現(xiàn)，凍融作用對巖石蠕變的影響不僅限于對其宏觀長期力學(xué)性能上的弱化，還涉及到巖石各蠕變階段的時(shí)效變形行為，具體表現(xiàn)在：(1)在非屈服應(yīng)力條件下隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加試樣經(jīng)歷的衰減蠕變時(shí)長逐步降低，而瞬時(shí)與穩(wěn)定蠕變變形量增加，對應(yīng)蠕變速率增大； (2)在屈服應(yīng)力條件下，巖石進(jìn)入加速蠕變階段的應(yīng)力閾值隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，從穩(wěn)定蠕變到加速破壞所經(jīng)歷的時(shí)間更短，對應(yīng)應(yīng)變增量更大?？傊?，凍融循環(huán)對巖石各蠕變階段具有明顯的損傷效應(yīng)。

因此，在分析凍融后石英砂巖蠕變劣化特征的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步說明凍融循環(huán)對砂巖蠕變的損傷效應(yīng)，本文開展了凍融循環(huán)后紅砂巖單軸蠕變試驗(yàn)。

1.2 凍融后紅砂巖單軸蠕變試驗(yàn)及結(jié)果分析

1.2.1 試樣制備

試驗(yàn)所采用的紅砂巖取自單一巖層較為均質(zhì)的巖塊，表面無明顯節(jié)理，為細(xì)砂狀結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)試驗(yàn)規(guī)程將紅砂巖制備成直徑50imm，高100imm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，并要求制備巖樣誤差不大于0.3imm，兩端不平行度不大于0.05imm。加工完后選取完整性較好的巖石進(jìn)行聲波測量，通過測定試樣的波速進(jìn)一步篩選均一性較好的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。在本次試驗(yàn)中共選取了15個(gè)巖樣，分為5組，每組3個(gè)。試驗(yàn)前將紅砂巖試樣放入真空抽氣飽和裝置內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制飽水，待試樣完全飽和后測定其飽和質(zhì)量以確定飽和含水率。巖樣的基本物理參數(shù)平均值如表1所示。

表1 試樣基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of red sandstone

1.2.2 試驗(yàn)方案

圖1 YSJ-01-00巖石蠕變試驗(yàn)儀Fig. 1 YSJ-01-00 rock creep experimental apparatus

1.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對凍融后紅砂巖蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，建立了如圖2～圖4所示的經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后紅砂巖蠕變變形及位移速率曲線，其反映了巖石蠕變受凍融循環(huán)影響的宏觀損傷特征。

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后紅砂巖蠕變曲線Fig. 2 Creep curves of red sandstone after different freeze-thaw cycles

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)后紅砂巖穩(wěn)定蠕變速率曲線Fig. 3 Steady creep rate and axial stress of red sandstone after different freeze-thaw cycles

圖4 最后一級荷載作用下紅砂巖蠕變及位移速率曲線Fig. 4 Creep displacement and rate curves of sandstone under the last load

不同凍融循環(huán)后紅砂巖穩(wěn)定蠕變速率與軸向應(yīng)力關(guān)系曲線如圖3所示。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，試樣的穩(wěn)定蠕變率隨軸向應(yīng)力的增加呈上凹形增長，這與一般的巖石蠕變試驗(yàn)現(xiàn)象一致； 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，在同一級荷載條件下巖石的穩(wěn)定蠕變速率明顯增長，表明巖石的穩(wěn)定蠕變率不僅受軸向應(yīng)力的影響，還與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)，間接反映出高應(yīng)力作用下巖石的穩(wěn)定蠕變速率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而大幅上漲。

在最后一級荷載作用下，經(jīng)歷60次與90次凍融循環(huán)的試樣均出現(xiàn)了明顯的加速蠕變現(xiàn)象(圖4)，通過對比在該階段下的蠕變及位移速率曲線可以發(fā)現(xiàn)：(1)試樣在發(fā)生塑性流動前累積的應(yīng)變增量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，而從穩(wěn)定蠕變到加速破壞所經(jīng)歷的蠕變時(shí)長隨之降低； (2)試樣的蠕變位移速率曲線整體呈U形，充分反映出試樣在衰減及穩(wěn)定蠕變階段其速率從遞減到穩(wěn)定的特征，以及損傷累計(jì)表現(xiàn)出塑性區(qū)擴(kuò)展導(dǎo)致蠕變速率從穩(wěn)定到加速增長的現(xiàn)象，而凍融循環(huán)次數(shù)的增加使得巖石整體的蠕變速率增大，且在加速蠕變階段表現(xiàn)得尤為顯著。

紅砂巖在經(jīng)歷多級加載破壞后，其宏觀破壞模式也隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸演化，如圖5所示。在無凍融條件下試樣破壞僅有一條貫穿整體的主縱向裂縫，伴隨在上下端處形成一縱向次生裂縫以連通主裂縫，而在巖樣上部約三分之一處觀察到一橫向次生裂縫。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，縱向及橫向次生裂縫逐漸演化，表面裂紋數(shù)顯著增加，試樣端部巖塊首先破裂。伴隨次生裂紋不斷發(fā)育，局部呈現(xiàn)出明顯的張拉特征，故巖石破裂方式逐步從單一斜剪切破壞過渡為共軛斷面拉剪復(fù)合型破壞。

圖5 不同凍融循環(huán)后紅砂巖試樣宏觀破壞圖Fig. 5 Macroscopic failure modes of red sandstone after different freeze-thaw cycles

不同凍融循環(huán)后紅砂巖宏觀破壞形態(tài)差異顯著，其原因歸結(jié)于： (1)組成紅砂巖的礦物成分中含大量黏土礦物，如蒙脫石、伊利石、高嶺土和綠泥石等，在凍融循環(huán)作用下不同礦物具有不同的凍脹融縮尺度，進(jìn)而產(chǎn)生的不均勻變形對試樣造成了一定損傷并有助于凍融過程中水分的遷移； (2)紅砂巖中的水分受凍融作用發(fā)生相變，在凍結(jié)過程中產(chǎn)生凍脹力對原生孔隙壁進(jìn)行擠壓，融化后又可以自由水的形態(tài)進(jìn)行遷移，再反復(fù)對孔隙壁施壓并伴隨水分遷移產(chǎn)生更大的凍脹力，微觀封閉裂縫逐漸在試樣內(nèi)部積累，而在長期受荷條件下，時(shí)效性損傷有助于裂縫互相貫通，形成微裂縫網(wǎng)，在低于蠕變屈服強(qiáng)度的條件下試樣裂縫的擴(kuò)展會逐步穩(wěn)定，而在屈服應(yīng)力條件下，由于有效面積減小在試樣內(nèi)部形成應(yīng)力集中效應(yīng)，應(yīng)力超出巖石微元體強(qiáng)度，微裂縫網(wǎng)不斷發(fā)育延伸，最終試樣沿主破壞面破裂(圖6)。

圖6 不同凍融循環(huán)后紅砂巖試樣蠕變破壞機(jī)理圖Fig. 6 Creep failure mechanism of red sandstone after different freeze-thaw cycles

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是凍融循環(huán)后的石英砂巖還是紅砂巖，在蠕變試驗(yàn)中均呈現(xiàn)出明顯的弱化現(xiàn)象，且凍融損傷涉及到巖石蠕變的各個(gè)階段。為了更深入研究凍融循環(huán)對砂巖各蠕變階段的損傷效應(yīng)，以下從巖石蠕變本構(gòu)關(guān)系的角度出發(fā)，通過構(gòu)建考慮凍融損傷的蠕變本構(gòu)模型，進(jìn)一步量化探討凍融循環(huán)作用下砂巖的蠕變特性。

2 凍融巖石時(shí)效損傷本構(gòu)關(guān)系

2.1 凍融損傷系數(shù)及長期受荷損傷變量

凍融對巖石蠕變特性的影響可定性化描述為在相同應(yīng)力路徑下衰減蠕變、穩(wěn)定蠕變及加速蠕變均隨凍融對巖石的劣化程度發(fā)生變化，而定量化評價(jià)其損傷效應(yīng)則可通過考慮蠕變力學(xué)參數(shù)隨凍融損傷程度變化的非定常性特征來表述，且由于巖石長期受荷引起的疲勞損傷，基于時(shí)效性特征的參數(shù)本身具有衰減性，故其應(yīng)宏觀上反映凍融與長期受荷的損傷耦合作用。

首先，考慮黏彈性參數(shù)具有隨凍融損傷程度變化的非定常性特征，即：

E(T)=Ke(T)E0

(1)

η(T)=Kη(T)η0

(2)

式中，E(T)與η(T)為凍融循環(huán)T次后的彈性模型與黏性系數(shù)；E0與η0為無凍融循環(huán)的彈性模量與黏性系數(shù)；Ke(T)與Kη(T)分別為彈性凍融損傷系數(shù)與黏性凍融損傷系數(shù)。

其次，由于巖石是由不同礦物晶體所組成的固態(tài)集合體，在長期受荷過程中，微觀晶體顆粒間長期力學(xué)性質(zhì)的差異反映出細(xì)觀損傷的積累具有基于時(shí)效效應(yīng)的隨機(jī)分布特征，以統(tǒng)計(jì)學(xué)連續(xù)型分布函數(shù)表達(dá)為：

dD/dt=f(t)

(3)

式中，f(t)為損傷密度函數(shù)；D為基于時(shí)效效應(yīng)的長期受荷損傷變量。考慮時(shí)效損傷積累為非線性的遞增行為，引入雙參數(shù)的Weibull分布函數(shù)定義損傷密度函數(shù)，即：

(4)

(5)

式中，θ與λ為長期受荷損傷參數(shù)。

黏性系數(shù)為凍融環(huán)境下的時(shí)效性參數(shù)，具有時(shí)效衰減性與凍融損傷性特征，將其進(jìn)行長期受荷損傷與凍融損傷耦合，建立如下耦合方程：

η(T，t)=(1-D)Kη(T)η0=Kη(T)η0e-(t/λ)θ

(6)

以上建立的蠕變力學(xué)參數(shù)具有凍融損傷與凍融長期受荷時(shí)效損傷耦合的非定常性特征，將其引入相應(yīng)的蠕變本構(gòu)模型中即可建立起描述凍融巖石蠕變的損傷本構(gòu)模型。

2.2 考慮凍融損傷的西原模型

圖7 考慮凍融損傷的西原模型Fig. 7 Nishihara model considering freeze-thaw damage

根據(jù)串聯(lián)元件之間應(yīng)力相等總應(yīng)變等于各原件應(yīng)變之和，并聯(lián)元件之間應(yīng)變相等總應(yīng)力等于各原件應(yīng)力之和，同時(shí)考慮元件參數(shù)在凍融損傷與長期受荷時(shí)效損傷作用下所呈現(xiàn)的非定常性，將E(T)與η(T，t)引入到模型所對應(yīng)的彈簧體與牛頓黏壺中。由于短時(shí)效應(yīng)的損傷并不明顯，考慮凍融時(shí)效損傷耦合的黏性系數(shù)只引入于描述蠕變加速階段的黏塑性體中，基此建立如下蠕變損傷本構(gòu)關(guān)系：

(7)

式中，σ1(ε1)、σ2(ε2)和σ3(ε3)分別為彈簧體、Kelvin體與黏塑性體所對應(yīng)的應(yīng)力(應(yīng)變)；Es(T)為線性彈簧體的彈性模量；Ek(T)為Kelvin體中彈簧體的彈性模量，ηk(T)為Kelvin體中牛頓黏壺所對應(yīng)的黏性系數(shù)；ηs(T，t)為黏塑性體中牛頓黏壺所對應(yīng)的黏性系數(shù)，σs為蠕變屈服強(qiáng)度；g(t)為條件判斷函數(shù)，即：

(8)

式中，ts為巖石加速蠕變起始時(shí)。通過求解上述方程關(guān)于應(yīng)變時(shí)間的一階線性微分方程通解，可得到：

(9)

ε(t)即為考慮凍融損傷的西原模型蠕變本構(gòu)方程。

3 模型驗(yàn)證分析

3.1 模型驗(yàn)證及參數(shù)辨識

基于凍融循環(huán)后紅砂巖單軸蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Levenberg-Marquardt算法對考慮凍融損傷的西原模型進(jìn)行參數(shù)辨識，辨識結(jié)果見表2與表3?；诓煌瑑鋈谘h(huán)次數(shù)后紅砂巖蠕變試驗(yàn)所對應(yīng)的模型辨識參數(shù)，以試驗(yàn)時(shí)間為相同自變量建立起模型理論曲線與相同條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(圖8)。為了更直觀地反映理論曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比結(jié)果及凍融循環(huán)次數(shù)對紅砂巖各蠕變階段的損傷效應(yīng)，本文僅顯示部分凍融循環(huán)次數(shù)下的模型辨識參數(shù)及理論試驗(yàn)對比圖。

表2 非屈服應(yīng)力條件下凍融損傷模型辨識參數(shù)Table 2 Parameters of freeze-thaw damage model under non-yield stress

表3 屈服應(yīng)力條件下凍融損傷模型辨識參數(shù)Table 3 Parameters of freeze-thaw damage model under yield stress

圖8 紅砂巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論曲線對比Fig. 8 Comparison of experimental data of red sandstone and theory curvesa. σ=17.9iMPa；b. σ=35.8iMPa； c. σ=53.5iMPa； d. σ=71.3iMPa； e. σ=89.2iMPa

圖8a～圖8d為非屈服應(yīng)力條件下凍融循環(huán)次數(shù)為0、60及120次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論曲線對比，而圖8e為屈服應(yīng)力條件下凍融循環(huán)次數(shù)為60及90次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論曲線對比(含加速蠕變階段)。

通過分析不同凍融循環(huán)次數(shù)后紅砂巖單軸蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出與凍融后石英砂巖蠕變相同的規(guī)律，即：(1)在低于屈服應(yīng)力條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加試樣更快地進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段，且在穩(wěn)定蠕變階段的變形量更大，表明其蠕變速率隨凍融循環(huán)增加而增加，反映了凍融損傷對巖石的軟化效應(yīng)； (2)在相同屈服應(yīng)力條件下，試樣從穩(wěn)定蠕變到加速破壞所經(jīng)歷的時(shí)間更短，破壞時(shí)累計(jì)的應(yīng)變增量更大，反映了凍融損傷對巖石長期力學(xué)性能的弱化效應(yīng)。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論曲線的對比結(jié)果可以看出，考慮凍融損傷的西原模型與凍融后紅砂巖蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)在任何工況下均有較高的擬合度，表明了模型不僅能描述凍融砂巖在衰減蠕變與穩(wěn)定蠕變階段應(yīng)變呈非線性及線性增長的黏彈性變形行為，還可以反映其在加速蠕變階段應(yīng)變從非線性增長到塑性流動的黏塑性特征，且通過對比傳統(tǒng)西原模型的理論曲線可以看出改進(jìn)的模型彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型難以準(zhǔn)確描述巖石加速蠕變特征的不足。綜上所述，在任何應(yīng)力及凍融循環(huán)次數(shù)下考慮凍融損傷的西原模型均能與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，即說明了模型的正確性及適用性。

圖9 凍融損傷參數(shù)擬合曲線Fig. 9 Fitting curves of freeze-thaw damage parametersa. 彈性凍融損傷特征曲線； b. 黏性凍融損傷特征曲線

表2與表3中所示為考慮凍融損傷的西原模型辨識參數(shù)，從表中可看出彈性模量及黏性系數(shù)均隨凍融循次數(shù)增加而減小，對應(yīng)巖石內(nèi)部力學(xué)性質(zhì)逐漸弱化。為定量描述其衰減特征，求出式(1)、式(2)中的彈性凍融損傷系數(shù)及黏性凍融損傷系數(shù)關(guān)系式，選取其中描述黏彈性特征的參數(shù)進(jìn)行非線性擬合，建立起參數(shù)關(guān)于凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)方程。

圖10 長期受荷損傷參數(shù)敏感性分析Fig. 10 Sensitivity analysis of damage parameters under long-term loada. 損傷參數(shù)θ； b. 損傷參數(shù)λ

3.2 凍融損傷特征參數(shù)分析

基于上述考慮凍融損傷的西原模型辨識參數(shù)，選取描述巖石蠕變黏彈性變形行為的特征參數(shù)，建立起關(guān)于Es與ηk參數(shù)的損傷系數(shù)擬合曲線(圖9所示，擬合曲線均滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系)。圖9a 為彈性凍融損傷特征曲線，其間接反映了巖石蠕變變形中的彈性成分受凍融循環(huán)的影響程度，通過擬合函數(shù)關(guān)系式可以看出，在不同應(yīng)力條件下彈性損傷系數(shù)均隨凍融循環(huán)的增加而逐漸減小，如果引用關(guān)于凍融損傷變量的定義De=1-Ke(張慧梅等， 2010)來描述巖石蠕變受凍融的影響(曲線關(guān)于Ke=0.5對稱)則可說明其具有損傷擴(kuò)展型特征。圖9b為黏性凍融損傷特征曲線，對比彈性凍融損傷特征曲線則可看出黏性損傷系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加其下降幅度更為明顯，不同應(yīng)力下曲線均呈凹性下降特征，反映出凍融對巖石蠕變時(shí)效流動性的顯著影響。

3.3 長期受荷損傷參數(shù)敏感性分析

上述建立的西原模型中由于考慮了長期受荷時(shí)效損傷效應(yīng)，引入了關(guān)于損傷隨機(jī)分布特征的Weibull函數(shù)，而函數(shù)中含有的雙參數(shù)λ及θ對模型描述巖石加速蠕變起關(guān)鍵作用，故本節(jié)通過控制變量法討論長期受荷損傷參數(shù)對加速蠕變階段的影響規(guī)律。

長期受荷損傷參數(shù)的分布規(guī)律反映了加速蠕變階段應(yīng)變隨時(shí)間遞增的非線性變化幅度(圖10)。損傷參數(shù)θ越大則加速蠕變應(yīng)變速率越大，巖石內(nèi)部微觀裂縫的累積到宏觀斷面的產(chǎn)生所經(jīng)歷的時(shí)間越短，而λ越小同樣對應(yīng)加速蠕變更為劇烈； 反之θ越小λ越大對應(yīng)巖石加速蠕變具有明顯的時(shí)效特征，即應(yīng)變率隨時(shí)間而緩慢遞增，應(yīng)變隨時(shí)間有明顯的非線性變化趨勢，其機(jī)理可解釋為：在屈服荷載條件下，巖石內(nèi)部晶體互相摩擦滑移，不斷形成新的受力結(jié)構(gòu)來抵抗外荷載，伴隨微觀裂縫逐步累積，對應(yīng)有效面積逐漸減小，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，周圍微觀裂縫快速擴(kuò)展為宏觀斷面，巖石失穩(wěn)其應(yīng)變激增。

4 結(jié) 論

(1)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的石英砂巖及紅砂巖蠕變試驗(yàn)結(jié)果表明，砂巖各蠕變階段均受凍融損傷影響顯著，具體表現(xiàn)為：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣更快從衰減蠕變階段過渡到穩(wěn)定蠕變階段，且對應(yīng)蠕變變形量及速率均顯著增加，而進(jìn)入加速蠕變階段的應(yīng)力閾值逐漸降低，從穩(wěn)定蠕變到加速破壞所經(jīng)歷的時(shí)間更短。

(2)在長期荷載作用下，凍融后紅砂巖的宏觀破裂形態(tài)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加從單一斜剪切破壞模式向共軛斷面拉剪復(fù)合型破壞模式演化，其破壞機(jī)理在于凍融過程中巖石內(nèi)部微裂隙的發(fā)育及時(shí)效性損傷促進(jìn)了微裂隙的擴(kuò)展和貫通。

(3)將不同凍融循環(huán)后紅砂巖蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)與考慮凍融損傷的西原模型理論曲線進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，該模型不僅能反映凍融砂巖在衰減蠕變與穩(wěn)定蠕變階段的黏彈性變形行為，還可以描述其在加速蠕變階段應(yīng)變從非線性增長向塑性流動演化的黏塑性特征。

(4)通過分析凍融損傷特征參數(shù)隨凍融循環(huán)變化的衰減效應(yīng)及長期受荷損傷參數(shù)對加速蠕變的影響規(guī)律，得出彈性模量及黏性系數(shù)在任何應(yīng)力條件下均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而明顯下降，且黏性系數(shù)的下降幅度更為明顯，而長期受荷損傷參數(shù)具有控制加速蠕變階段應(yīng)變非線性變化的遞增幅度。