張藝鐘

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院 廣西柳州 545005）

巖石流變特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

張藝鐘

（廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院 廣西柳州 545005）

研究人員根據(jù)巖石的蠕變的特點(diǎn)設(shè)計(jì)相關(guān)的壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)以便更好的分析巖石的橫向蠕變，并找到其橫向蠕變的規(guī)律，同時(shí)對(duì)其軸向的蠕變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)規(guī)律差異的總結(jié)，最后依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析巖石強(qiáng)度的持久性探討巖石的性質(zhì)。為了更好的適應(yīng)巖石的持續(xù)強(qiáng)度，工程上依據(jù)巖石的蠕變的閾值來劃分確定。而利用巖石的橫向蠕變閾值比軸向蠕變閾值可以確定巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度更加的準(zhǔn)確，所以巖石的蠕變穩(wěn)定特性可以做為巖土工程施工設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

巖石流變特性；長(zhǎng)期強(qiáng)度；橫向蠕變；試驗(yàn)研究

引言

物理上把物質(zhì)外部作用力所引起的變形和流動(dòng)的性質(zhì)叫做流變性，而流變性通常是指在加工時(shí)的應(yīng)力情況、物體形變的速度和粘度等的綜合反映。流變性也可以反映巖石的主要特性。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，很多的巖石都具有流變的特性。流變特性和時(shí)效特性還可以預(yù)測(cè)巖石的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。[1]隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹碓阶⒅貛r體工程以及采礦工程的規(guī)模擴(kuò)大，所以在這樣的背景下，我們更需要深入的研究巖石的流變性質(zhì)，更加注重探究巖石材料流變特性的實(shí)驗(yàn)。

1 巖石的流變性能研究現(xiàn)狀

巖石的性能往往不同于其他的材質(zhì)。其可以存在于高溫高壓的環(huán)境中不被破壞，同時(shí)巖石是一種多孔的介質(zhì)，且?guī)r石的性質(zhì)與組成它的礦物質(zhì)的含量具有很大的關(guān)系。但是巖石具有特定的比重以及孔隙度，同時(shí)巖石還須具有抗壓強(qiáng)度等物理性質(zhì)。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)分析我們發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于橫向穩(wěn)定的蠕變階段的應(yīng)力閾值，巖石的軸向穩(wěn)定蠕變階段的應(yīng)力閾值更高。橫向蠕變的蠕變反應(yīng)速度比較快，反應(yīng)的時(shí)間比較早。實(shí)驗(yàn)中比較少見橫向蠕變效應(yīng)的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)研究，目前研究巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)大部分只研究軸向蠕變的性質(zhì)。

2 巖石的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法

2.1 巖石的實(shí)驗(yàn)儀器

在對(duì)巖石進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往需要使用重力驅(qū)動(dòng)的偏心輪式的加載流變儀，這種流變儀具有杠桿擴(kuò)力的功能，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以大大的減少誤差，并穩(wěn)定擴(kuò)張力，對(duì)巖石進(jìn)行穩(wěn)定持續(xù)的加載。因此，可以實(shí)現(xiàn)流變實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)需求。應(yīng)變式荷載測(cè)試的系統(tǒng)可以使得精度更高。實(shí)驗(yàn)中對(duì)巖石的變形測(cè)試是利用電測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還需要加入機(jī)械式的測(cè)量方案相互結(jié)合。[2]機(jī)械測(cè)量的系統(tǒng)確保了巖石整體形變的測(cè)量精準(zhǔn)度。電阻的應(yīng)變力測(cè)量系統(tǒng)可以讓巖石的局部形變的精準(zhǔn)程度更高。利用聲波監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品巖石進(jìn)行濾定的巖石挑選可以使得實(shí)驗(yàn)樣品巖石的物理性質(zhì)得到統(tǒng)一。

2.2 實(shí)驗(yàn)的流程分析

實(shí)驗(yàn)用的樣品必須確保其物理性質(zhì)等的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)中需要記錄巖石的顏色、物理結(jié)構(gòu)、層理特性、條紋、裂痕和完整性進(jìn)行精確的記錄。實(shí)驗(yàn)時(shí)需要確定單軸抗壓強(qiáng)度的具體數(shù)值后，把巖石等分成各個(gè)樣品快。同時(shí)利用聲波儀來測(cè)試縱波橫波的波速值加以記錄，并選擇比較相似波長(zhǎng)的巖石作為樣本。[3]實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，需要先測(cè)量樣品巖石的單軸抗壓強(qiáng)度以及其極限的應(yīng)變力。記錄好相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從而作為蠕變實(shí)驗(yàn)的分級(jí)加載的主要參照。而巖石的蠕變實(shí)驗(yàn)需要在流變儀上進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)的過程中對(duì)樣本分級(jí)別加載并逐個(gè)進(jìn)行。加載的速率一般在0.5～1MPa之間，沒個(gè)級(jí)別的壓強(qiáng)持續(xù)時(shí)間通常為2d。實(shí)驗(yàn)的逐級(jí)加載方式是利用定量變化的原理實(shí)現(xiàn)的。在每次的實(shí)驗(yàn)加載后都需要及時(shí)的讀取所用的數(shù)據(jù)，作為此次加載的應(yīng)變力。

3 巖石的蠕變值分析

3.1 巖石的蠕變規(guī)律

巖石的橫向蠕變規(guī)律和軸向的蠕變規(guī)律既有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn)。具體表現(xiàn)為，當(dāng)增加一級(jí)的負(fù)荷時(shí)，軸向的蠕變有瞬時(shí)的變形，而橫向的蠕變也會(huì)出現(xiàn)類似的情況，但是橫向的蠕變和軸向的蠕變都有不同的規(guī)律可循。兩者都有一個(gè)發(fā)生蠕變的應(yīng)力閾值范圍，閾值大于應(yīng)力值的情況發(fā)生時(shí)，蠕變會(huì)發(fā)生巨變，并立即衰減到初始值零，因此，只發(fā)生可第一階段的蠕變。相比較而言，閾值小于應(yīng)力值的情況發(fā)生時(shí)，蠕變的變化會(huì)趨于平穩(wěn)的狀態(tài)，因此，處于第二階段的蠕變，第二階段的蠕變速度在相同的負(fù)荷下是一個(gè)恒定的常數(shù)，而即使換成不同的負(fù)荷，其蠕變的速度依舊是十分接近的，并沒有表現(xiàn)出與負(fù)荷量有數(shù)值上的關(guān)系。試驗(yàn)中的橫向蠕變階段比軸向的蠕變階段發(fā)生的時(shí)間更早。若在同一級(jí)的負(fù)荷下，則橫向蠕變的速度會(huì)與軸向蠕變的速度不同，且前者大于后者。當(dāng)負(fù)荷處于最后一個(gè)階段時(shí)，橫向蠕變的速度會(huì)加快，先進(jìn)入到加速蠕變的狀態(tài)。所以，橫向蠕變所導(dǎo)致的巖石蠕變的破壞更加的早。]對(duì)負(fù)荷的增大情況進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸向的應(yīng)力與橫向的應(yīng)力有很大的關(guān)系。橫向應(yīng)力的變化率與軸向應(yīng)力的變化率大大不同，且相比較之后可以發(fā)現(xiàn)，橫向應(yīng)力的曲線的變化率更大，表明其變化更快，而軸向的應(yīng)力曲線的斜率變化相對(duì)于橫向的應(yīng)力變化率就比較小，并表現(xiàn)出明顯的波狀。

3.2 巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度的確定

以往對(duì)巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度的認(rèn)定都是利用軸向的穩(wěn)定蠕變閾值來作為參考的。當(dāng)巖石的應(yīng)力到達(dá)了第二階段的蠕變閾值應(yīng)力發(fā)生的階段，它的蠕變變形的現(xiàn)象會(huì)與時(shí)間成正相關(guān)，即時(shí)間越長(zhǎng)蠕變?cè)矫黠@，進(jìn)而達(dá)到了蠕變的第三階段，最后迫使巖石由于蠕變而遭到破壞。所以，橫向的蠕變階段比較穩(wěn)定，且比軸向的發(fā)生的時(shí)間更早。根據(jù)巖石的橫向蠕變閾值來對(duì)巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度進(jìn)行確定就更為準(zhǔn)確了。工程上會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的巖石的應(yīng)力閾值來明確巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，并設(shè)計(jì)巖土的工程周期以及施工計(jì)劃，這樣會(huì)確保巖土施工處于長(zhǎng)期安全穩(wěn)定的狀態(tài)。然后在橫向的穩(wěn)定蠕變速率往往初始階段都比較小，直到軸向的穩(wěn)定蠕變發(fā)生時(shí)才有所增加，所以工程上利用橫向的穩(wěn)定蠕變的閾值來作為長(zhǎng)期強(qiáng)度的判斷就顯得更為精準(zhǔn)。因此，橫向蠕變的數(shù)值對(duì)巖土的工程施工具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

巖石的樣品進(jìn)行測(cè)試的過程中得出橫向的蠕變和軸向的蠕變都顯示出不同的特點(diǎn)，橫向的蠕變的加速情況更加的明顯，而且出現(xiàn)加速蠕變的階段時(shí)間相對(duì)于軸向的蠕變?cè)?，并且軸向的蠕變?cè)诩铀偃渥兊牡谌A段表現(xiàn)的并不明顯，加速蠕變一出現(xiàn)就會(huì)使得樣品遭到破壞。無論是軸向的蠕變還是橫向的蠕變都有一個(gè)應(yīng)力的閾值，橫向蠕變的應(yīng)力閾值可以確定巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，對(duì)于巖土的工程具有很大的幫助，巖土工程可以根據(jù)巖石的流變特性以及其長(zhǎng)期強(qiáng)度的情況作為工程施工的指導(dǎo)。

[1]張龍?jiān)?，張?qiáng)勇，李術(shù)才，等.硬脆性巖石卸荷流變?cè)囼?yàn)及長(zhǎng)期強(qiáng)度研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015（10）：1～9.

[2]朱其志，趙倫洋，劉海旭，等.巖石流變模型的快速顯式積分算法及比較研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015（12）：23～26.

[3]曾鋒，鐘贛平.脆性巖石的流變長(zhǎng)期強(qiáng)度研究進(jìn)展與展望[J].科技信息，2014（1）：20～28.

TU458.3

A

1004-7344（2016）18-0184-01

2016-6-10

張藝鐘（1985-），男，湖南醴陵人，助理工程師，本科，主要從事土工測(cè)試、巖石抗壓方面的工作。