姜海濤

(中鐵十九局集團 第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

巖石的流變特性是引發(fā)地下工程圍壓失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，而溫度變化對引水隧洞、隧道、巷道及地下天然氣低溫儲存工程等地下工程圍巖的長期穩(wěn)定性影響顯著.因此，有必要對巖石在低溫環(huán)境下的長期力學(xué)響應(yīng)與形變機制進行研究[1].

近些年，國內(nèi)外學(xué)者對負溫環(huán)境下巖石材料的力學(xué)特性和損傷響應(yīng)機制方面的研究成果顯著.徐光苗等通過MTS815伺服試驗系統(tǒng)對不同飽水狀態(tài)、不同溫度下的頁巖和砂巖進行了單、三軸壓縮試驗研究，分析了2種巖石的抗壓強度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)隨溫度和水飽和度的分布規(guī)律[2].唐明明等同樣采用MTS815伺服系統(tǒng)對花崗巖進行了不同溫度環(huán)境的三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)巖石的峰值強度并非一味地隨溫度的降低逐漸增大，而是逐漸趨緩，最終趨于穩(wěn)定，即臨界溫度為-40 ℃[3].奚家米等對不同溫度下飽水泥質(zhì)砂巖進行了三軸壓縮試驗[4].李棟偉等對白堊系凍結(jié)砂巖進行了三軸壓縮蠕變試驗，并基于Mise和M-C準則建立了凍結(jié)砂巖的蠕變模型[5].單仁亮等通過凍結(jié)紅砂巖三軸蠕變試驗，建立了考慮溫度效應(yīng)的三軸蠕變模型，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對模型進行了驗證，效果良好[6].

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對遼寧朝陽白石無壓引水隧洞砂巖進行不同溫度環(huán)境下的單軸壓縮加卸荷蠕變試驗，研究分析了溫度對巖石在蠕變過程中瞬彈、瞬塑、黏彈和黏塑性應(yīng)變隨溫度的演化規(guī)律，為低溫地區(qū)隧道等地下工程開挖提供寶貴的試驗依據(jù).

1 試驗方案

本文試驗旨在揭示在季凍區(qū)進行引水隧洞開挖時圍巖的長期穩(wěn)定性，為季凍區(qū)類似工程提供相應(yīng)的技術(shù)依據(jù).

1.1 試驗儀器

本文試驗均在MTS815.02巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)上完成.該試驗機是由美國生產(chǎn)的專門針對巖石類材料力學(xué)特性測試的多功能全自動伺服試驗機，具有獨立的圍壓、軸壓和孔隙水壓加載系統(tǒng)，該試驗機還可對試樣的軸向變形和徑向變形進行同步測量.

1.2 試樣制備

本文巖樣為采自遼寧朝陽白石無壓引水隧洞的致密砂巖，無裂隙、節(jié)理等天然缺陷，整體呈灰白色.試樣在現(xiàn)場粗加工后運至室內(nèi)實驗室進行細加工，經(jīng)切割、鉆孔取芯、打磨，最終加工出直徑50 mm、高100 mm的滿足國際巖石力學(xué)試驗標準的圓柱試件，如圖1所示.巖樣粒徑為0.01～0.43 mm，干容重為28.74 kN/m3，單軸抗壓強度為108.47 MPa.

圖1 制備好的砂巖試樣

1.3 試驗方法及過程

將制備好的巖樣在恒溫水域中浸泡48 h后取出，擦干表面水分，采用乳膠套對試樣進行密封，之后放入低溫凍結(jié)控制儀中冷凍36 h.同時，MTS815試驗機壓力室溫度同樣調(diào)節(jié)至預(yù)定值，待試樣從低溫控制儀中取出后，立即放入三軸壓力室內(nèi)繼續(xù)凍結(jié)1 h.該過程是為了保證試樣在全程均處于凍結(jié)狀態(tài)，以此來模擬高寒區(qū)圍巖所處的外部環(huán)境.浸水試樣及試樣安裝過程記錄如圖2所示.

圖2 試樣及試樣安裝過程

為對比分析不同負溫環(huán)境下砂巖試樣在同一荷載水平下的蠕變力學(xué)特性，需根據(jù)試樣單軸抗壓強度來計算各級荷載水平，根據(jù)各級荷載水平對砂巖進行多級單軸加卸荷蠕變試驗.設(shè)置加載速率為0.02 MPa/s，每級荷載加載時間為9 h，之后以0.03 MPa/s的卸載速率完全卸載至0 MPa，3 h后繼續(xù)加載至下一級荷載水平，如此循環(huán)往復(fù).根據(jù)隧道所處的地區(qū)氣象資料可知，朝陽白石地區(qū)冬季最低溫度為-20 ℃，夏季最高溫度為30 ℃，因此，本文取試驗溫度分別為20、10、0、-10、-20 ℃，每種溫度工況下進行3組平行試驗，分別記試樣編號為M1、M2、M3、M4、M5.

1.4 試驗結(jié)果

本文采用宋軍勇等對單軸加卸荷蠕變試驗數(shù)據(jù)的處理方法來繪制砂巖蠕變曲線[7].砂巖試樣在20、10、0、-10、-20 ℃時的分級單軸加卸荷蠕變曲線如圖3所示.

圖3 不同溫度下砂巖單軸加卸荷蠕變曲線

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：溫度對巖石的流變性具有較為明顯的影響，同一荷載水平下，砂巖試樣的瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變均隨溫度的逐漸降低而減小，試樣破壞時應(yīng)力水平則隨溫度的降低而逐漸增大；不同溫度條件下，試樣在破壞前各級荷載水平下均表現(xiàn)出衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變階段，加速蠕變階段則在最后一級荷載水平下產(chǎn)生.

由圖3還可以看出：砂巖試樣的瞬時應(yīng)變和蠕應(yīng)變均隨著溫度的降低呈顯著減小趨勢，以第1級荷載水平為例，隨著溫度的逐漸降低，砂巖試樣的瞬時應(yīng)變分別為0.371%、0.284%、0.179%、0.142%、0.098%，瞬時應(yīng)變減幅分別為23.45%、36.97%、20.67%、30.98%；砂巖試樣的蠕變量分別為0.451%、0.287%、0.201%、0.163%、0.117%，蠕應(yīng)變減幅分別為36.36%、29.97%、18.91%、28.22%.

2 試驗結(jié)果分析

隨著溫度的逐漸降低，試樣M1在第3級荷載處發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時的蠕變破壞應(yīng)力為90 MPa；類似地，M2、M3、M4試樣分別在第4、5、6級荷載水平處發(fā)生失穩(wěn)破壞，破壞應(yīng)力分別為100、110、120 MPa；而M5試樣在第6級荷載處只發(fā)生了衰減和穩(wěn)定蠕變，并未發(fā)生加速蠕變，其原因可能是由于溫度在-20 ℃時砂巖試樣內(nèi)部孔隙水全部凍結(jié)成冰，致使巖石強度及抗壓性能顯著增強，而-10 ℃時出現(xiàn)加速蠕變的原因可能是由于此時巖石內(nèi)部孔隙并未完全凍結(jié)，內(nèi)部孔隙中還殘留部分液態(tài)水，巖石強度提升幅度較弱，致使該條件下砂巖試樣出現(xiàn)加速蠕變破壞.

2.1 瞬時應(yīng)變

根據(jù)單軸加卸荷應(yīng)變數(shù)據(jù)的計算方法可知[7]，巖石的瞬時應(yīng)變是由瞬時彈性應(yīng)變與瞬塑應(yīng)變共同組成.圖4為不同試驗工況下的瞬彈應(yīng)變隨荷載水平變化的分布規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)：砂巖試樣的瞬彈應(yīng)變隨荷載水平的增大呈遞增趨勢；相同荷載水平下，隨著溫度的逐漸降低，瞬彈應(yīng)變逐漸減小.以第1級荷載水平為例，試樣M1～M5的瞬彈應(yīng)變分別為0.234%、0.187%、0.127%、0.098%和0.081%，溫度由20 ℃降至-20 ℃，瞬彈應(yīng)變降幅達到65.38%.限于篇幅，文中并未給出瞬塑應(yīng)變隨荷載水平的分布曲線，但根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知：M1～M5的瞬塑應(yīng)變分別為0.133%、0.116%、0.107%、0.078%和 0.073%，溫度由20 ℃降至-20 ℃，瞬塑應(yīng)變降幅為41.59%，可見溫度對巖石在蠕變過程中的瞬時應(yīng)變影響較大，溫度的降低能夠顯著地提升巖石材料的抗變形能力，抑制巖石類材料在長期荷載作用下的裂隙發(fā)育，且根據(jù)本文研究發(fā)現(xiàn)，溫度對瞬彈應(yīng)變影響顯著.

圖4 不同溫度下瞬彈應(yīng)變與荷載關(guān)系曲線

2.2 黏彈及黏塑性應(yīng)變

同樣根據(jù)單軸加卸荷應(yīng)變數(shù)據(jù)的計算方法可知[7]，巖石的蠕應(yīng)變是由黏彈應(yīng)變和黏塑應(yīng)變共同組成.圖5為不同試驗工況下黏塑應(yīng)變隨荷載水平的分布規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)：不同溫度環(huán)境下，巖石的黏塑應(yīng)變隨荷載水平的逐漸增大而增大；相同荷載水平下，黏塑應(yīng)變隨溫度的降低而逐漸減小.以試樣M5為例，隨著荷載水平的逐漸增大，黏塑應(yīng)變占蠕應(yīng)變比例分別為41.75%、46.71%、51.58%、56.59%和60.06%.

圖5 不同溫度下黏塑應(yīng)變與荷載關(guān)系曲線

由圖5還可以看出：荷載水平越高，黏塑應(yīng)變占比越大，巖石在高應(yīng)力水平作用下流變性逐漸顯現(xiàn)，蠕變速率逐漸加快，蠕變進入加速蠕變階段，可認為此階段蠕變?nèi)繛轲に軕?yīng)變；隨著荷載水平的繼續(xù)增大，試樣在應(yīng)力加載歷史和時間的作用下最終失穩(wěn)破壞.因此，黏塑應(yīng)變是工程巖體流變失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵因素.

3 結(jié)論

1) 同一荷載水平下，砂巖試樣的瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變均隨溫度的逐漸降低呈單調(diào)遞減趨勢，巖石破壞荷載水平則隨溫度的降低呈單調(diào)遞增趨勢.不同溫度條件下，試樣在破壞前各級荷載水平下均表現(xiàn)出衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變階段，加速蠕變階段則在最后一級荷載水平下產(chǎn)生.

2) 砂巖的瞬彈應(yīng)變、瞬塑應(yīng)變均隨荷載水平的增大而逐漸增大；同一荷載水平下，隨著溫度的逐漸降低，瞬彈、瞬塑應(yīng)變呈單調(diào)遞減趨勢.不同溫度環(huán)境下，砂巖的黏彈、黏塑應(yīng)變均隨荷載水平的逐漸增大而增大，同一荷載水平下，黏彈、黏塑應(yīng)變均逐漸減小.