朱其志,縱 躍*

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098)

甘肅北山花崗巖體已經(jīng)被確定為我國高放廢物地質(zhì)處置地下實驗室的推薦場址,開展預(yù)選區(qū)代表性硐室圍巖的巖體力學(xué)性質(zhì)研究,對圍巖的時效力學(xué)行為的試驗研究是地下實驗室開工的重要準(zhǔn)備工作之一[1-4]。田洪銘等[5-6]針對花崗巖開展力學(xué)特性試驗研究,深入分析了其力學(xué)行為、變形規(guī)律和破壞特征;陳亮等[7]使用聲發(fā)射定位系統(tǒng),對北山深部花崗巖開展了單軸拉伸和三軸壓縮下的損傷演化特征試驗,為北山花崗巖損傷演化規(guī)律研究奠定了基礎(chǔ);趙星光等[8-9]分析了北山花崗巖在單、三軸壓縮條件下的破裂過程和強度特性、全應(yīng)力-應(yīng)變曲線規(guī)律;李鵬飛等[10-16]對北山花崗巖進(jìn)行三軸循環(huán)加、卸載試驗,建立強度參數(shù)隨塑性參數(shù)變化的數(shù)學(xué)模型,以上研究成果為研究和分析北山花崗巖力學(xué)特性提供了重要參考。

本文以甘肅北山花崗巖為研究對象,利用全應(yīng)力巖石三軸試驗儀,開展如下研究:首先,進(jìn)行一系列的常規(guī)三軸壓縮試驗得到巖樣的基本力學(xué)參數(shù),為后面的流變試驗提供試驗依據(jù)。其次,進(jìn)行相同圍壓不同偏應(yīng)力等級下的單級蠕變試驗,得到試樣的蠕變曲線及變形特征;進(jìn)行不同圍壓等級條件下的兩次多級蠕變試驗,得到試樣的多級蠕變曲線并研究試樣的蠕變變形特征。最后,進(jìn)行相同圍壓不同初始偏應(yīng)力等級下的單級松弛試驗,得到試樣的單級松弛試驗及變形特征;進(jìn)行不同圍壓下的循環(huán)松弛試驗,得到試樣的循環(huán)松弛試驗曲線及變形特征。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試樣制備

用于實驗測試的巖石標(biāo)本是從地下研究實驗室新昌遺址#BS28鉆孔取芯的。寄主巖為花崗巖,稱為北山花崗巖,其表面呈灰白色。所有三軸壓縮試驗都是在直徑50 mm、長度100 mm的圓柱形試樣上進(jìn)行的。采用經(jīng)典飽和法確定巖石的初始平均密度,測試巖石樣品的平均干容重約為2.72 g/cm-3。

1.2 試驗儀器

本實驗試樣在巖石三軸壓縮機(jī)的MTS815巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)進(jìn)行。試件被黑色橡膠夾套,然后放置在兩個鋼制塞之間。試驗在一個熱隔離的小房間中進(jìn)行,實驗期間保持恒溫。軸向變形是用一對線性可變差動變壓器(LVDTs)測量的,橫向變形是用放置在試件中心部分的周向伸度計測量的。

1.3 試驗方案

在常規(guī)三軸實驗中,開展巖石三軸壓縮試驗,是為了得到如下所示的不同圍壓條件下的巖石試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,北山花崗巖在低圍壓情況下和高圍壓的破壞形式明顯不同,因此對低圍壓實驗的圍壓進(jìn)行加密實驗。本文的常規(guī)三軸壓縮試驗在9個圍壓等級(0、1、2、5、10、15、25、30和40 MPa)下進(jìn)行。首先在軸向和橫向同時增加圍壓,直到達(dá)到規(guī)定的靜水應(yīng)力狀態(tài)。然后沿軸向以0.02 mm/min的應(yīng)變速率施加偏應(yīng)力,直至試件破壞。為了排除試樣中偶然出現(xiàn)的試樣缺陷或較大的實驗誤差,在同一圍壓下進(jìn)行了1至4組重復(fù)實驗,共25組實驗。

在蠕變試驗中,常規(guī)三軸蠕變試驗考慮了2個圍壓等級,即5和15 MPa。選擇圍壓等級為15 MPa的條件進(jìn)行了3個不同偏應(yīng)力等級下的單級蠕變試驗,分別為峰值偏應(yīng)力的92%、93%、95%(225.7、228、232.5 MPa);分別進(jìn)行了圍壓等級為5、15 MPa條件下的多級蠕變試驗,其中,對于圍壓5 MPa的情況,最終試驗的偏應(yīng)力為5級,各級偏應(yīng)力為130、140、145、150、155 MPa;對于圍壓 15 MPa 的情況,最終試驗的偏應(yīng)力為7級,各級偏應(yīng)力為180、190、200、210、220、230和235 MPa。表1為三軸蠕變試驗的具體試驗方案及對應(yīng)試樣參數(shù)。

表1 三軸蠕變試驗方案及試樣參數(shù)Tab.1 Triaxial creep test scheme and parameters of samples

在松弛實驗中,試驗圍壓選擇為15 MPa,進(jìn)行了不同偏應(yīng)力等級下的單級松弛試驗,初始偏應(yīng)力等級設(shè)置為4個等級,分別為峰值偏應(yīng)力的70%、80%、90%、95%(171、196、221、233 MPa);進(jìn)行了一組循環(huán)松弛,初始偏應(yīng)力等級設(shè)置為200 MPa,共進(jìn)行了6次循環(huán)。表2為應(yīng)力松弛試驗的具體試驗方案及對應(yīng)參數(shù)。

表2 應(yīng)力松弛試驗方案及試樣參數(shù)Tab.2 Stress relaxation rest scheme and parameters of samples

表3 常規(guī)三軸壓縮試驗力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of conventional triaxial compression tests

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)三軸實驗

2.1.1 常規(guī)三軸實驗結(jié)果

按照前文的試驗方案對北山花崗巖進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗,得到不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示,軸壓為σ1,圍壓為σ3,軸向應(yīng)變?yōu)棣?,側(cè)向應(yīng)變?yōu)棣?,則偏應(yīng)力為σ1-σ3,體應(yīng)變?yōu)棣舦=ε1+2ε3。從偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出,花崗巖在加載過程中經(jīng)歷了壓密階段、線彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段、應(yīng)變軟化階段。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,確定花崗巖試樣的彈性模量E、泊松比v、峰值強度σc、峰值軸向應(yīng)變εc、峰值側(cè)向應(yīng)變εd等力學(xué)參數(shù)。

從圖1中可以看出,隨著圍壓的增加,試樣的峰值強度逐漸增大,說明北山花崗巖的峰值強度對圍壓的變化很敏感。隨著圍壓的增加,峰值強度對應(yīng)的應(yīng)變也隨之增大。需要指出的是,隨著圍壓的增加,北山花崗巖峰前非線性行為增強,并且該趨勢隨圍壓的增大而逐漸增強?？紤]到壓縮應(yīng)力條件下,花崗巖塑性變形的主要原因是由于微裂紋之間的相互滑移、搓動導(dǎo)致,可認(rèn)為不可恢復(fù)變形是巖石損傷演化的結(jié)果,反過來非彈性變形又對損傷的演化趨勢產(chǎn)生影響。

2.1.2 常規(guī)三軸實驗結(jié)果分析

從上述試驗的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出,所有試樣在加載過程中均經(jīng)歷了以下4個階段:壓密階段、線彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段、應(yīng)變軟化階段。

試樣的體積應(yīng)變在試樣的加載過程中不斷變化,隨著偏應(yīng)力逐漸增大,在壓密階段體積應(yīng)變不斷增大,且增大速率逐漸減小。當(dāng)試樣變形進(jìn)入線彈性階段時,體積應(yīng)變同樣線性增大。當(dāng)試樣變形進(jìn)入裂紋擴(kuò)展階段時,體積應(yīng)變增大速率逐漸變緩,當(dāng)偏應(yīng)力達(dá)到裂紋損傷應(yīng)力時,體積應(yīng)變達(dá)到最大值,之后體積應(yīng)變逐漸減小,試樣開始發(fā)生擴(kuò)容,逐漸由壓縮變?yōu)榕蛎?直到試樣破壞。

在低圍壓等級下,北山花崗巖試樣表現(xiàn)出明顯的脆性,試樣破壞主要以劈裂為主;而隨著圍壓的繼續(xù)增大,試樣的脆性特征減弱,延性逐漸增強,在圍壓等級較高的條件下,試樣的破壞形式主要以剪切破壞為主。

在試樣的破壞形式方面,北山花崗巖在低圍壓下主要以劈裂為主;在圍壓等級較高的條件下,試樣的破壞形式主要以剪切破壞為主。結(jié)果表明,北山花崗巖為一種典型的脆性巖石,巖石破壞時的不可恢復(fù)變形較小,且隨著圍壓增大沒有出現(xiàn)脆-延性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

2.2 蠕變試驗結(jié)果與分析

2.2.1 單級蠕變試驗結(jié)果與分析

圖2至圖4為單級蠕變試驗的試驗曲線,偏應(yīng)力等級分別為峰值強度的92%、93%和95% (225.7、228和 232.5 MPa)。試驗結(jié)果可以明顯觀察到典型蠕變過程的三個階段:初始蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段及加速蠕變階段。初始蠕變階段從試樣的偏應(yīng)力剛達(dá)到預(yù)設(shè)值開始,該階段持續(xù)時間較短,期間試樣的蠕變速率會很快降低并逐漸趨近于一個穩(wěn)定值,在蠕變速率達(dá)到穩(wěn)定值時試樣進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段;穩(wěn)定蠕變階段持續(xù)時間最長,該階段試樣應(yīng)變持續(xù)增長,蠕變速率基本保持不變;試樣進(jìn)入加速蠕變階段后,試樣蠕變速率在較短時間內(nèi)迅速變大,最終試樣破壞。

圖3 單級加載蠕變試驗曲線(228 MPa)Fig.3 Single stage loading creep test curve (228 MPa)

圖4 單級加載蠕變試驗曲線(232.5 MPa)Fig.4 Single stage loading creep test curve (232.5 MPa)

在蠕變前的瞬時加載過程中,試樣的軸向變形要明顯大于環(huán)向變形,軸向變形大小約為環(huán)向的3～4倍。試驗的體積應(yīng)變的變化趨勢與軸向應(yīng)變相同,在加載偏應(yīng)力達(dá)到裂紋損傷應(yīng)力σcd后,體積應(yīng)變開始減小,試樣中出現(xiàn)軸向微裂紋,試樣開始擴(kuò)容。

在蠕變過程中,試樣的環(huán)向應(yīng)變會先于軸向應(yīng)變進(jìn)入初始蠕變階段,且其應(yīng)變的改變量會更加明顯,這是由于在蠕變過程開始時,試樣中產(chǎn)生了許多豎向的細(xì)小裂紋,這導(dǎo)致了試樣的環(huán)向膨脹變形加劇。在流變進(jìn)入加速蠕變階段時,試樣內(nèi)部的軸向裂縫已經(jīng)充分發(fā)展,且主破壞面的剪切裂縫已經(jīng)成型,試樣的應(yīng)變開始加速。試樣的環(huán)向應(yīng)變先于軸向應(yīng)變開始加速,且環(huán)向應(yīng)變的變化趨勢明顯大于軸向應(yīng)變,體積應(yīng)變同樣開始加速的時間與環(huán)向應(yīng)變相同,體積應(yīng)變在蠕變階段的變化趨勢總體與環(huán)向應(yīng)變一致。

2.2.2 多級蠕變試驗結(jié)果與分析

多級加載蠕變試驗過程中,偏應(yīng)力按照多個不同等級進(jìn)行加載。圍壓為5 MPa的多級加載蠕變試驗,最終實現(xiàn)的偏應(yīng)力等級為5級,分別為130、140、145、150和 155 MPa;圍壓為15 MPa的多級加載蠕變試驗,最終實現(xiàn)的偏應(yīng)力等級為7級,分別為 180、190、200、210、220、230和235 MPa。

圖5和圖6分別給出了圍壓為5、15 MPa條件下的蠕變曲線,從中可以看出,北山花崗巖蠕變變形具有明顯的三階段蠕變特征。分析試驗曲線,每一級蠕變的加載階段均導(dǎo)致了一定的瞬時變形,進(jìn)入初始蠕變階段,蠕變速率逐漸降低,一段時間后蠕變速率達(dá)到一個穩(wěn)定值,進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段。在穩(wěn)定蠕變階段試樣的蠕變速率基本保持不變,在最后一級加載之前,試樣均未進(jìn)入加速蠕變階段。在最后一級的蠕變過程中,試樣在經(jīng)歷初始蠕變階段及穩(wěn)定蠕變階段之后,蠕變速率急劇加速,進(jìn)入加速蠕變階段,試樣迅速發(fā)生破壞。在該蠕變試驗中,試樣的軸向應(yīng)變及環(huán)向應(yīng)變有相同的應(yīng)變規(guī)律,但環(huán)向應(yīng)變相較于軸向應(yīng)變的變化出現(xiàn)的更早,且更為顯著,在最后的加速蠕變階段,環(huán)向應(yīng)變曲線出現(xiàn)了明顯的加速現(xiàn)象。

圖5 多級加載蠕變試驗曲線圖(圍壓5 MPa)Fig.5 Multistage loading creep test curve under confining pressure of 5 MPa

圖6 多級加載蠕變試驗曲線圖(圍壓15 MPa)Fig.6 Multistage loading creep test curve under confining pressure of 15 MPa

由圖5和圖6可以看出,在未達(dá)到發(fā)生破壞的偏應(yīng)力等級時,蠕變量及蠕變速率隨偏壓的增大有增大的趨勢,但變化不顯著。當(dāng)偏應(yīng)力等級達(dá)到了足以發(fā)生破壞時,蠕變量及蠕變速率顯著增長。表4和表5為各級蠕變的蠕變量以及穩(wěn)定蠕變速率的完整數(shù)據(jù)。

表4 多級蠕變試驗結(jié)果(圍壓5 MPa)Tab.4 Multistage creep test results under confining pressure of 5 MPa

表5 多級蠕變試驗結(jié)果(圍壓15 MPa)Tab.5 Multistage creep test results under confining pressure of 15 MPa

2.3 松弛實驗結(jié)果與分析

2.3.1 單級應(yīng)力松弛實驗結(jié)果與分析

圖7為單級松弛試驗過程中偏應(yīng)力隨時間變化的曲線。從曲線中可以看出,北山花崗巖存在著明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象,在應(yīng)力松弛試驗進(jìn)行的前30 min,巖石試樣的偏應(yīng)力迅速降低,并在30 min左右出現(xiàn)拐點,偏應(yīng)力的降低速度逐漸減緩。在12 h偏應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)進(jìn)入穩(wěn)定階段,但曲線出現(xiàn)波動,分析原因是儀器伺服過程中產(chǎn)生的誤差。圖中虛線為試驗數(shù)據(jù)校正值。

圖7 單級松弛試驗曲線Fig.7 Single stage relaxation test curve

引入應(yīng)力松弛量、應(yīng)力松弛度對試驗結(jié)果進(jìn)行分析,描述試樣的偏應(yīng)力衰減程度,定義應(yīng)力松弛度λ為

(1)

式中,σ0為初始偏應(yīng)力,σt為剩余偏應(yīng)力,σ′為應(yīng)力松弛量。

通過分析曲線得到松弛試驗進(jìn)行12 h 時的應(yīng)力松弛度λ12 h,對比最終應(yīng)力松弛度λ,在σ<σs的條件下,λ12 h/λ隨著初始偏應(yīng)力的增大而表現(xiàn)出增大的趨勢,表明初始偏應(yīng)力越大,應(yīng)力松弛過程發(fā)展的越快。單級松弛試驗的部分結(jié)果見表6。

表6 單級松弛試驗結(jié)果Tab.6 Single stage relaxation test results

在應(yīng)力松弛試驗中,應(yīng)力松弛過程的影響因素主要有初始偏應(yīng)力以及加載速率。本文松弛試驗的軸向預(yù)應(yīng)變加載速率均為0.03 mm/min。從表6中可以得出,剩余偏應(yīng)力σt隨著初始偏應(yīng)力σ0的增大而增大。

2.3.2 循環(huán)松弛實驗結(jié)果分析

循環(huán)加卸載試驗的試驗結(jié)果如圖8所示,圖中黑色虛線為松弛試驗曲線的修正曲線,循環(huán)松弛試驗每次循環(huán)的初始偏應(yīng)力均為200 MPa,每次循環(huán)松弛過程時間為12 h,共進(jìn)行6次循環(huán)。分析曲線可以得出,6次松弛過程中偏應(yīng)力在一段時間后均未持續(xù)降低且逐漸趨于定值,屬于衰減松弛過程。表7為循環(huán)松弛試驗的部分試驗結(jié)果,6次松弛的軸向應(yīng)變ε0分別為4.893×10-3、5.112×10-3、5.207×10-3、5.265×10-3、5.302×10-3、5.324×10-3,ε0隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷增加。12 h偏應(yīng)力σ12 h分別為158.1、189.7、191.9、193.3、194.2、194.6 MPa,σ12 h隨著次數(shù)的增加不斷增加。

圖8 循環(huán)松弛試驗曲線Fig.8 Cyclic relaxation test curve

表7 循環(huán)松弛試驗結(jié)果Tab.7 Cyclic relaxation test results

可以看出,σ12 h隨循環(huán)松弛試驗的進(jìn)行會逐漸趨于一個穩(wěn)定值。隨著循環(huán)次數(shù)的增大,最終軸向應(yīng)變的走向?qū)c蠕變試驗相似,這是因為從循環(huán)松弛試驗的整個過程看,其類似于進(jìn)行了一次偏應(yīng)力為200 MPa 的蠕變試驗,而本次循環(huán)松弛試驗結(jié)束時進(jìn)行到對應(yīng)蠕變試驗的穩(wěn)定蠕變階段。可以推測,如果循環(huán)松弛試驗的循環(huán)次數(shù)足夠多,軸向應(yīng)變會表現(xiàn)出與蠕變試驗相對應(yīng)的三階段變化,即在初始蠕變階段,軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大,且其增大的速率會逐漸減小并趨近于定值;進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段,軸向應(yīng)變會穩(wěn)定增大,應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)增大的速率為一穩(wěn)定值;最后進(jìn)入加速蠕變階段,軸向應(yīng)變會迅速增大,且應(yīng)變速率也隨之不斷增大,最終試樣破壞。

3 結(jié)論

1)北山花崗巖三軸壓縮過程中經(jīng)歷了壓密階段、線彈性階段、裂紋擴(kuò)展階段、應(yīng)變軟化階段。在試樣的破壞形式方面,北山花崗巖在低圍壓下主要以劈裂為主;在圍壓等級較高的條件下,試樣的破壞形式主要以剪切破壞為主。北山花崗巖為一種典型的脆性巖石,巖石破壞時的不可恢復(fù)變形較小,且隨著圍壓增大沒有出現(xiàn)脆-延性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

2)北山花崗巖主要經(jīng)歷了三個典型蠕變階段:初始蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段及加速蠕變階段,隨著試驗偏應(yīng)力的增大,蠕變各階段的蠕變速率均會增大,且蠕變各階段的持續(xù)時間會逐漸減小。北山花崗巖的蠕變形式為非穩(wěn)定蠕變,其應(yīng)變曲線出現(xiàn)了典型的蠕變?nèi)A段特征。

3)北山花崗巖在應(yīng)力松弛試驗中,試樣主要經(jīng)歷了兩個階段,即衰減松弛階段和穩(wěn)定松弛階段,隨著松弛應(yīng)力隨著初始偏應(yīng)力的增大而逐漸增大,且隨著初始偏應(yīng)力繼續(xù)增大,其增大的速度也會增大。北山花崗巖在應(yīng)力松弛過程的初始松弛階段,其偏應(yīng)力下降速度很快,在較短時間內(nèi)即能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。