康文獻　于懷昌　王玲玲　黃志全④

(①河南卓越建設(shè)工程有限公司　鄭州　450016)

(②華北水利水電大學　鄭州　450045)

(③中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司　北京　100024)

(④新疆工程學院　烏魯木齊　830023)

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三軸應(yīng)力下水對粉砂質(zhì)泥巖蠕變力學特性影響作用試驗研究*

康文獻①于懷昌②王玲玲③黃志全②④

(①河南卓越建設(shè)工程有限公司鄭州450016)

(②華北水利水電大學鄭州450045)

(③中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司北京100024)

(④新疆工程學院烏魯木齊830023)

采用巖石流變試驗機，在三軸應(yīng)力下分別對干燥與飽水兩種含水狀態(tài)的粉砂質(zhì)泥巖開展室內(nèi)蠕變力學試驗。分析了水對粉砂質(zhì)泥巖蠕變量、蠕變長期強度的影響作用。依據(jù)巖石的蠕變性質(zhì)，選取Burgers蠕變模型對其進行描述，得出兩種含水狀態(tài)下巖石的蠕變模型參數(shù)。對比干燥與飽水含水狀態(tài)下巖石的Burgers蠕變模型參數(shù)，分析得出了水影響B(tài)urgers蠕變模型參數(shù)的基本規(guī)律。結(jié)果表明：(1)相同應(yīng)力水平下，水對粉砂質(zhì)泥巖的瞬時應(yīng)變特性影響較小，而對巖石的蠕應(yīng)變特性影響相對較大；(2)飽水試樣的蠕變長期強度是干燥試樣的39.3%，由于水的作用，粉砂質(zhì)泥巖的蠕變長期強度大幅降低，在工程中應(yīng)考慮由于水的影響作用而導致的巖石長期強度降低問題；(3)水對Burgers蠕變模型各參數(shù)的影響作用從大到小依次為：η1、G1、G2和η2，即水對Burgers模型中串聯(lián)的元件力學特性影響較大，而對并聯(lián)的元件力學特性影響相對較?。?4)由于水的影響作用，粉砂質(zhì)泥巖達到穩(wěn)定蠕變階段所需的時間顯著增加，巖石的穩(wěn)態(tài)蠕變速率顯著增大；(5)由于水的影響作用，導致粉砂質(zhì)泥巖的蠕變力學特性發(fā)生顯著改變。因此，在重大巖石工程中應(yīng)重視水對巖石時效變形的影響作用。

粉砂質(zhì)泥巖巖石干燥飽水蠕變Burgers模型

0　引　言

水是地表最活躍的一種地質(zhì)營力，對工程的長期穩(wěn)定性會產(chǎn)生極大的危害。在采礦、水利、交通、能源、國防等行業(yè)中，廣泛存在著工程荷載與水共同作用下巖石工程的長期穩(wěn)定性問題(仵彥卿，1999；張永安等，2008)。因此，非常有必要開展水對巖石蠕變力學特性影響作用方面的研究工作。

目前，研究人員開展了許多不同含水狀態(tài)下巖石的室內(nèi)蠕變試驗，研究水對巖石蠕變力學特性的影響規(guī)律。孫鈞(1999)對紅砂巖進行單軸蠕變試驗，與干燥狀態(tài)相比，飽水后巖石的長期抗壓強度和長期抗拉強度減小，破壞時間顯著提前。朱合華等(2002)對凝灰?guī)r開展單軸壓縮蠕變試驗，干燥試樣和飽水試樣兩者極限蠕變變形量相差5～6倍，含水量對巖石的極限蠕變變形量影響極其顯著。李鈾等(2003)對風干和飽水花崗巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，水的存在降低了花崗巖的長期強度，增大了巖石的流變速率和變形量。劉光廷等(2004)對軟弱礫巖進行單軸和雙軸壓縮蠕變試驗，水的存在顯著降低了巖石的瞬時變形模量和蠕變變形。Okubo et al.(2010)對風干和飽水兩種狀態(tài)下的凝灰?guī)r和安山石進行單軸壓縮蠕變試驗，研究了巖石的應(yīng)力、應(yīng)變及蠕變特性。李江騰等(2011)對金川礦區(qū)斜長巖在風干和飽水兩種條件下進行單軸壓縮蠕變試驗，研究了水對斜長巖蠕變特性的影響，在相同載荷作用下，飽水試樣產(chǎn)生的變形量大，且飽水狀態(tài)比干燥狀態(tài)達到穩(wěn)定階段所經(jīng)歷的時間長。李鵬等(2008)開展了4種含水率條件下砂巖軟弱結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變試驗，軟弱結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變變形受含水率的影響作用大。李男等(2012)對干燥和飽水砂巖開展剪切蠕變試驗，水的存在導致砂巖的蠕變應(yīng)變量和蠕變應(yīng)變速率增大，蠕變破壞強度值降低。

然而，通過室內(nèi)三軸蠕變試驗研究水對巖石蠕變力學特性的影響作用，目前這一方面的研究成果還非常少(楊彩紅等，2007)。工程實踐表明，巖石一般處于三向應(yīng)力狀態(tài)，因此非常有必要進一步開展三向應(yīng)力狀態(tài)下水對巖石蠕變力學特性影響規(guī)律方面的研究工作。

鑒于此，本文以三峽地區(qū)粉砂質(zhì)泥巖為研究對象，開展了三軸應(yīng)力下干燥與飽水兩種含水狀態(tài)巖石的蠕變力學試驗，定量分析了水對粉砂質(zhì)泥巖蠕變量、蠕變長期強度以及蠕變模型參數(shù)的影響規(guī)律。

1　試驗方法

微風化的粉砂質(zhì)泥巖取自三峽庫區(qū)巴東組地層(李華亮等，2006)，在室內(nèi)將巖石制成標準圓柱形試樣(ISRM，1978)，尺寸為φ50mm×100mm(圖1)。

圖1　粉砂質(zhì)泥巖試樣Fig.1　Test samples of silty mudstone

對天然含水狀態(tài)粉砂質(zhì)泥巖的基本物理力學性質(zhì)進行了室內(nèi)試驗測定，其物理力學性質(zhì)指標(表1)。

表1　巖石的基本物理力學指標

Table 1　Basic physical and mechanical parameter values of silty mudstone

密度ρ/g·cm-3含水量w/%單軸抗壓強度Rc/MPa彈性模量E/GPa泊松比u2.181.5411.961.750.28

圖2　RLJW-2000巖石流變試驗機Fig.2　Rheological test equipment of rock

將天然狀態(tài)下的巖石分別制成干燥與飽水狀態(tài)的巖石試樣。蠕變試驗采用RLJW-2000微機控制巖石三軸、剪切流變伺服儀(圖2)。三軸壓縮蠕變試驗中，干燥與飽水試樣試驗圍壓相同，均為1MPa，試驗中保持圍壓恒定不變。試驗采用分級加載方式，試驗過程中，各級荷載持續(xù)施加的時間，即巖石蠕變的穩(wěn)定標準為軸向變形增量<0.001mm·d-1時，施加下一級荷載。試驗中室內(nèi)的溫度保持在(22±0.5)℃，濕度保持在40±1%。

2　試驗結(jié)果

干燥試樣蠕變試驗中，共施加16級軸向荷載，試樣在第16級應(yīng)力水平50MPa下發(fā)生蠕變破壞；飽水試樣蠕變試驗中，共施加9級軸向荷載，其中施加的前7級軸向荷載與干燥試樣相同，分別為3MPa、5MPa、7MPa、9MPa、11MPa、13MPa、15MPa，試樣在第9級應(yīng)力水平19.8MPa下發(fā)生蠕變破壞。干燥與飽水試樣的分級加載蠕變試驗曲線(圖3)。

圖3　分級加載下巖石的蠕變曲線Fig.3　Creep curves of rocks under step loadinga.干燥試樣；b.飽水試樣

圖4　分級加載下巖石的蠕變曲線Fig.4　Creep curves of rocks under respective loadinga.干燥試樣；b.飽水試樣

基于疊加原理，將分級加載下兩種含水狀態(tài)巖石蠕變曲線轉(zhuǎn)化成分別加載下巖石的蠕變曲線(圖4)。為清楚起見，這里僅顯示前7級應(yīng)力水平下的曲線。

3　干燥與飽水狀態(tài)下巖石蠕變規(guī)律研究

3.1巖石應(yīng)變規(guī)律研究

從圖4中可以看出，各級應(yīng)力水平下干燥與飽水試樣的軸向應(yīng)變可分為瞬時應(yīng)變與蠕應(yīng)變兩部分，即每級應(yīng)力水平施加的瞬間，試樣產(chǎn)生瞬時變形，之后在恒定應(yīng)力作用下試樣的變形隨時間而增大。

表2　前7級應(yīng)力水平下干燥與飽水試樣的瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變

Table 2　Instantaneous，creep and total strains of dry and saturated rock under different stress levels

σ1-σ3/MPa瞬時應(yīng)變?nèi)鋺?yīng)變總應(yīng)變干燥/%飽水/%比值干燥/%飽水/%比值干燥/%飽水/%比值3.00.0380.1620.2340.0150.0330.4550.0530.2050.2575.00.0580.2230.2620.0240.0420.5600.0820.2650.3097.00.0800.2630.3030.0350.0620.5640.1150.3250.3539.00.1050.2990.3530.0480.0810.5890.1530.3800.40311.00.1250.3360.3710.0650.1010.6390.1890.4380.43313.00.1450.3650.3960.0770.1280.6030.2220.4930.44615.00.1610.3950.4080.0900.1680.5350.2510.5640.449

表中的“比值”為干燥試樣的量值/飽水試樣的量值

依據(jù)試驗結(jié)果，前7級應(yīng)力水平下干燥與飽水試樣的瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變(表2)。

從表2中可以看出，干燥與飽水試樣的瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變均隨應(yīng)力水平的增加而增大，即應(yīng)力水平越高，干燥與飽水粉砂質(zhì)泥巖的瞬時應(yīng)變，蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變越大。相同應(yīng)力水平下，干燥試樣的瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變均小于飽水試樣的相應(yīng)值。干燥試樣的瞬時應(yīng)變是飽水試樣的23.4%～40.8%，蠕應(yīng)變是飽水試樣的45.5%～63.9%，總應(yīng)變是飽水試樣的25.7%～44.9%。3種應(yīng)變中，干燥與飽水試樣的瞬時應(yīng)變相差最小，總應(yīng)變其次，蠕應(yīng)變相差最大，表明水對粉砂質(zhì)泥巖的瞬時應(yīng)變特性影響較小，而對巖石的蠕應(yīng)變特性影響相對較大。

從表2中也可以看出，兩種含水狀態(tài)試樣的瞬時應(yīng)變比值、總應(yīng)變比值隨應(yīng)力水平的增加呈增加趨勢，表明應(yīng)力水平越高，水對粉砂質(zhì)泥巖瞬時應(yīng)變、總應(yīng)變的影響作用越弱，而兩種試樣的蠕應(yīng)變比值先增加后降低，水對粉砂質(zhì)泥巖蠕應(yīng)變的影響規(guī)律不明顯。

3.2巖石蠕變長期強度

巖石的蠕變長期強度是評價工程長期穩(wěn)定和安全的重要參數(shù)之一。目前，研究人員已開展了這一方面的研究工作，研究成果主要集中在巖石蠕變長期強度與其瞬時強度之間的關(guān)系方面(蔡美峰等，2006)。然而，目前有關(guān)水對巖石蠕變長期強度的影響方面開展的研究工作還不多，取得的研究成果較少。因此，有必要對這一方面進行進一步的深入研究。

恒定荷載長期作用下，巖石的強度隨時間延長而不斷降低。巖石蠕變長期強度為巖石試樣發(fā)生蠕變破裂前，受荷載作用時間足夠長時所對應(yīng)的軸向偏應(yīng)力最大值(張強勇等，2011)。

依據(jù)試驗結(jié)果，干燥與飽水粉砂質(zhì)泥巖的蠕變長期強度(表3)。

表3　干燥與飽水試樣的蠕變長期強度

Table 3　Creep long-term strength of dry and saturated rock

含水狀態(tài)干燥/MPa飽水/MPa比值長期強度45.017.70.393

表中的“比值”為飽水試樣的量值/干燥試樣的量值

從表3中可以看出，由于水的影響作用，飽水試樣的蠕變長期強度遠低于干燥試樣的相應(yīng)值。飽水試樣的蠕變長期強度是干燥試樣的39.3%。由于水的作用，粉砂質(zhì)泥巖的蠕變長期強度大幅降低，在工程中應(yīng)考慮由于水的影響作用而導致的巖石長期強度降低問題。

需要說明的是，在恒定荷載長時作用下巖石的蠕變長期強度在理論上是一個確定值，但目前難以通過試驗手段或理論推導精確得出巖石的蠕變長期強度，而只能用一個區(qū)間值或近似值來衡量(蔡美峰等，2006；孫鈞，1999)。雖然本節(jié)得出的干燥與飽水粉砂質(zhì)泥巖的蠕變長期強度為巖石的近似長期強度，但基于試驗結(jié)果得出的水對粉砂質(zhì)泥巖蠕變長期強度影響的基本規(guī)律是正確的。

4　干燥與飽水狀態(tài)下巖石蠕變本構(gòu)模型研究

4.1Burgers蠕變模型與參數(shù)辨識

依據(jù)兩種含水狀態(tài)下巖石的蠕變力學特性，選取Burgers蠕變模型對其進行描述。Burgers模型(圖5)。

圖5　Burgers元件模型Fig.5　Burgers modela.Burgers模型；b.蠕變曲線

三維應(yīng)力狀態(tài)下Burgers模型的蠕變方程為(劉雄，1994)。

(1)

式中，Sij為三維偏應(yīng)力張量；eij為三維偏應(yīng)變張量；G1、G2、η1、η2分別為三維瞬時剪切模量，黏彈性剪切模量和黏滯系數(shù)。

依據(jù)式(1)和圖4，采用Levenberg-Marquardt(LM)算法對兩種含水狀態(tài)下的模型參數(shù)進行辨識，得出前7級應(yīng)力水平下試樣的Burgers蠕變模型參數(shù)(表4，表5)。從表中數(shù)據(jù)的擬合精度可以看出，兩種含水狀態(tài)巖石的蠕變力學特性可以被Burgers模型較好的反映。

表4　干燥狀態(tài)下巖石Burgers蠕變模型參數(shù)

Table 4　Burgers model parameters of dry silty mudstone

σ1-σ3/MPaG1/GPaG2/GPaη1/GPa·hη2/GPa·h擬合精度3.00.040640.11324249.372510.137280.997345.00.042380.11385125.000000.151610.988737.00.044010.10377116.666670.135610.992489.00.041750.10274150.000000.162050.9861111.00.043670.0920878.571430.187780.9889813.00.044190.0945559.090910.216600.9822915.00.046570.0907950.000000.205480.98441

表5　飽水狀態(tài)下巖石Burgers蠕變模型參數(shù)

Table 5　Burgers model parameters of saturated silty mudstone

σ1-σ3/MPaG1/GPaG2/GPaη1/GPa·hη2/GPa·h擬合精度3.00.009810.0604666.636410.147350.997845.00.011190.0669241.666670.176680.991307.00.013160.0722423.333330.175000.984529.00.014850.0777917.307690.190840.9838911.00.016110.0786715.714290.194900.9830913.00.017340.0810413.265310.267930.9741415.00.018130.0726012.711870.307380.97504

表6　同一應(yīng)力水平下兩種含水狀態(tài)試樣的模型參數(shù)比值

Table 6　Ratios of Burgers model parameter of dry and saturated silty mudstone at same stress levels

σ1-σ3/MPa模型參數(shù)比值G1G2η1η23.04.141.873.740.935.03.791.703.000.867.03.341.445.000.779.02.811.328.670.8511.02.711.175.000.9613.02.551.174.450.8115.02.571.253.930.67

表中的“比值”為干燥試樣的量值/飽水試樣的量值

4.2模型參數(shù)對比研究

從表4、表5中可以看出，與線彈性材料不同，由于粉砂質(zhì)泥巖的非均勻性，不同應(yīng)力水平下Burgers模型參數(shù)值并不相同。兩種含水狀態(tài)下Burgers蠕變模型參數(shù)G1、η1隨應(yīng)力水平的變化趨勢相同，而G2、η2隨應(yīng)力水平的變化趨勢不同。

相同應(yīng)力水平下干燥與飽水試樣的Burgers蠕變模型參數(shù)G1、G2、η1和η2的比值(表6)。

從表6中可以看出，干燥狀態(tài)下試樣模型參數(shù)G1值是飽水試樣的2.55～3.79倍，G2值是飽水試樣的1.17～1.70倍，η1值是飽水試樣的3.00～8.67倍，η2值是飽水試樣的67%～96%。從以上分析可以看出，水對Burgers蠕變模型各參數(shù)的影響作用從大到小依次為：η1、G1、G2和η2，即水對Burgers模型中串聯(lián)的元件力學特性影響較大，而對并聯(lián)的元件力學特性影響相對較小。

4.3Burgers模型參數(shù)研究

對Burgers模型參數(shù)的物理意義進行量化研究(表7)。

表7　干燥與飽水試樣Burgers模型參數(shù)的變化規(guī)律

Table 7　Variance laws of model parameters of dry and saturated silty mudstone

σ1-σ3/MPatd/hεII/10-3h-1干燥飽水比值干燥飽水比值3.03.3815.020.220.010.050.205.03.5815.800.230.040.120.337.03.0813.290.230.060.300.209.03.8812.850.300.070.520.1311.04.3012.090.360.140.700.2013.04.9015.450.320.220.980.2215.04.4116.960.260.301.180.25

(1)td=η2/G1，反映了達到穩(wěn)定蠕變階段試樣需要的時間。干燥狀態(tài)下試樣所需的時間是飽水狀態(tài)下試樣所需時間的22%～36%。由于水的影響作用，粉砂質(zhì)泥巖達到穩(wěn)定蠕變階段所需的時間顯著增加。

5　結(jié)　論

(1)相同應(yīng)力水平下，干燥試樣的瞬時應(yīng)變、蠕應(yīng)變以及總應(yīng)變均小于飽水試樣的相應(yīng)值。3種應(yīng)變中，干燥與飽水試樣的瞬時應(yīng)變相差最小，總應(yīng)變其次，蠕應(yīng)變相差最大，表明水對粉砂質(zhì)泥巖的瞬時應(yīng)變特性影響較小，而對巖石的蠕應(yīng)變特性影響相對較大。

(2)飽水試樣的蠕變長期強度是干燥試樣的39.3%。由于水的作用，粉砂質(zhì)泥巖的蠕變長期強度大幅降低，在工程中應(yīng)考慮由于水的影響作用而導致的巖石長期強度降低問題。

(3)水對Burgers蠕變模型各參數(shù)的影響作用從大到小依次為：η1、G1、G2和η2，即水對Burgers模型中串聯(lián)的元件力學特性影響較大，而對并聯(lián)的元件力學特性影響相對較小。

(4)由于水的影響作用，粉砂質(zhì)泥巖達到穩(wěn)定蠕變階段所需的時間顯著增加，巖石的穩(wěn)態(tài)蠕變速率顯著增大。

(5)由于水的影響作用，導致粉砂質(zhì)泥巖的蠕變力學特性發(fā)生顯著改變。因此，在重大巖石工程中應(yīng)重視水對巖石時效變形的影響作用。

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EXPERIMENTAL STUDY OF INFLUENCE OF WATER ON CREEP PROPERTIES OF SILTY MUDSTONE UNDER TRIAXIAL COMPRESSION

KANG Wenxian①YU Huaichang②WANG Lingling③HUANG Zhiquan②④

(①Henan Pinking Project Construction Co.，Ltd.，Zhengzhou450016)

(②North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou450045)

(③Beijing Engineering Co.Ltd.，Beijing100024)

(④Xinjiang Institute of Engineering，Wulumuqi830023)

The creep tests of dry and saturated silty mudstone are conducted using rock rheology testing equipment under triaxial compression.Based on the test results，the effects of water on the creep strain，the long-term strength are investigated.Burgers model is selected to describe the creep properties of dry and saturated silty mudstone.Then using the Levenberg-Marquardt algorithm，the Burgers creep model parameters of dry and saturated silty mudstone are obtained.According to the identification results，the effects of water on Burgers creep model parameters are studied.The results show that：(1)Water has little effect on the instantaneous strains of silty mudstone and a great effect on the creep strains of the rock under the same stress level.(2)The long-term strength of saturated silty mudstone is only 39.3 percent of that of the dry rock，so the long-term strength of the rock decrease remarkably owing to the influence of water.(3)The effect of water on theη1of the Burgers creep model is the highest，followed by the G1，and that on the G2andη2is the lowest，which shows water has a greater effect on the series elements than on the parallel elements of Burgers model.(4)The time that the rock needs to reach the steady creep stages significantly increases，and the steady-state creep rate of the rock also increases remarkably owing to the influence of water.(5)Water has very significant effect on the creep properties of silty mudstone，and water greatly enhances the time characteristics of silty mudstone，which change the creep properties of silty mudstone.Therefore，the effect of water on the creep properties of silty mudstone can not be ignored in the engineering design and construction of major project．

Silty mudstone，Rocks，Dry，Water saturation，Creep，Burgers model

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.018

2016-03-09;

2016-07-23.

國家科技支撐計劃項目(2015BAB07B08)，國家自然科學基金項目(51309100)，河南省科技創(chuàng)新人才計劃(154100510006)，新疆維吾爾自治區(qū)高層次人才引進工程，河南省重點科技攻關(guān)項目(152102210111)，新疆維吾爾自治區(qū)科技援疆項目(201491105)資助.

康文獻(1968-)，男，學士，高級工程師，主要從事地質(zhì)工程等方面的生產(chǎn)及研究工作.Email: hnkwx@126.com

簡介：黃志全(1970-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事地質(zhì)工程方面的教學及研究工作.Email: huangzhiquan@ncwu.edu.cn

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