卓 莉來 結(jié) 合李 列 列

(1. 四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065； 2. 四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065； 3. 中國電建集團 成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

流變是指材料在恒定應(yīng)力水平下，變形隨時間的推移而增加的現(xiàn)象。流變性是巖石的重要力學(xué)特性之一，與巖體工程的長期穩(wěn)定性緊密相關(guān)[1-2]?；诖罅渴覂?nèi)流變試驗和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，目前巖石(體)的流變計算理論也趨于完善。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者針對巖石的流變特性進行了系統(tǒng)性的研究并取得了頗為豐碩的成果，但研究成果主要集中在單軸或三軸流變試驗部分，關(guān)于直剪流變試驗的數(shù)量非常少。例如胡斌、楊圣奇等[3-6]分別對紫紅色泥巖、泥板巖、泡水砂巖、花崗巖以及粉砂質(zhì)泥巖在低應(yīng)力或試件小尺寸情況下開展了剪切流變試驗，并建立了相應(yīng)的本構(gòu)模型。這些試驗試件尺寸較小，規(guī)模也很有限，而且研究主要針對軟弱夾層，最大尺寸10 cm×10 cm×10 cm，法向載荷最高僅為2.0 MPa[7-11]。而錦屏一級水電工程處于高地應(yīng)力地區(qū)，試驗法向載荷要與設(shè)計載荷對應(yīng)，另外，小尺寸的試件和少量的試驗數(shù)據(jù)也難以覆蓋工程區(qū)綠片巖力學(xué)性質(zhì)在空間分布上的不均勻性。

本文針對錦屏一級水電站高地應(yīng)力的特點，開展了綠泥石片巖片理面直剪流變試驗，以測定綠泥石片巖沿片理面的長期抗剪強度并研究其流變特性，為驗算壩基、近壩庫岸、地下結(jié)構(gòu)圍巖等沿片理面的抗滑穩(wěn)定提供長期抗剪強度指標和剪應(yīng)力變形關(guān)系曲線，并為邊坡開挖與加固的有限元分析提供合理力學(xué)參數(shù)。

1 試驗方法簡述

1.1 試樣的制備

本次試驗均采用原狀試樣。為保證試樣切割、運輸過程中不受擾動，針對這種完整、新鮮而片理面發(fā)育的綠片巖設(shè)計了特殊的取樣和制樣方法。取樣采用排孔切割法，具體做法是：在擴幫爆破作業(yè)時，預(yù)留40 cm的保護層，隨后人工鑿除保護層，使綠片巖的層面出露，在層面上規(guī)劃出采樣的大小及位置后，用電捶進行密集鉆孔切割,見圖1(a)。先切割兩側(cè)，再分離上下面，使試樣的4個面成為自由面，前后兩端仍與母巖相連，隨后用鋼絲對試樣進行柔性捆扎，使層面受力，增加內(nèi)部片理面的磨阻力，再對剩余的兩端進行切割分離,見圖1(b)。為防止綠片巖遇水崩解，在整個切割過程中采用無水操作。試樣與母巖分離后，將其打磨成280 mm×280 mm×270 mm形狀規(guī)則的立方柱,見圖1(c)，置于標準鋼模內(nèi)采用高標號水泥砂漿澆鑄成300 mm×300 mm×300 mm的試件,見圖1(d)。

圖1 試樣制作Fig.1 Preparation of chlorite schist sample

1.2 試驗設(shè)備

綠片巖直剪流變試驗在由成都勘測設(shè)計研究院科學(xué)研究所與5701廠合作研制的剪切流變儀上進行(見圖2)。主機垂直載荷最高達60 t，水平載荷最高150 t。為保證試體受力均勻，水平荷載采用雙面千斤頂平推方式，剪切盒尺寸有30 cm×30 cm和15 cm×15 cm兩種。在剪切盒頂部、底部、上下剪切盒之間等部位都設(shè)有滾珠。工作時，油液經(jīng)液壓穩(wěn)壓器的液壓泵站產(chǎn)生壓力后進入控制臺內(nèi)的儲能器充壓，按照液壓源壓力的規(guī)定值將能量儲存，再通過壓力控制系統(tǒng)獲得數(shù)種互不干擾的壓力輸出到垂直和水平的加載系統(tǒng)。

1.3 試驗加載程序

本次試驗參照DL 5006-92《水利水電工程巖石試驗規(guī)程(補充部分)》[12]及SL264204-2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》[13]進行，并借鑒了國內(nèi)相關(guān)試驗在實際操作中一些處理辦法。試驗采用平推法，試件在試前泡水一個月，安裝后剪斷捆扎的鐵絲，施加法向載荷至預(yù)定值并保持不變，同時觀測垂直變形，待變形穩(wěn)定后向剪切帶內(nèi)注水。試件預(yù)留剪切帶厚35 mm，剪切帶平行綠片巖片理面。剪切帶的厚度既要保證帶內(nèi)巖體包含發(fā)育良好貫通的片理面，又要保證不因長期垂直載荷破壞帶內(nèi)巖體的完整性。隨后施加剪切荷載，剪切荷載逐級增量施加，直至試件發(fā)生流變破壞為止。剪切荷載加完一級后，立即測讀瞬時位移，然后分別在5，10，15，30 min，1，2，4，8，16，24 h測讀剪切流變位移，24 h以后，每天定期測讀位移兩次。當試驗進入加速流變階段后，位移速率加劇，則適當加密測讀時間。

2 試驗曲線

本次研究針對含節(jié)理面的綠片巖試樣開展了1.2，2.4，4.8，5.8 MPa和7.0 MPa五種法向荷載狀態(tài)下的剪切流變試驗，通過Boltzmann線性疊加原理得到各級剪應(yīng)力作用下的剪切位移與時間關(guān)系曲線。該曲線為逐級增量加載下的試驗曲線，如圖3所示。對于每一塊試件，法向荷載是恒定的，每級剪切荷載施加的瞬間，片理面產(chǎn)生瞬時位移，剪切荷載恒定后，在減速流變階段，總剪切位移隨剪切歷時的增加而增加，但剪切變形的速率卻隨剪切歷時的增加而逐漸減小。從試驗曲線上可以看出在大多數(shù)應(yīng)力水平下，剪切歷時48 h后就趨于穩(wěn)定了。

當試驗進行到最高一級剪切載荷后，片理面出現(xiàn)大位移滑動而迅速破壞，各試件從最后一級加載到出現(xiàn)大位移破壞經(jīng)歷的時間差異較大，τ13(lb)-1各點試驗加速流變過程一般經(jīng)歷1～6 h，最短的也有35 min。一般認為最后一級破壞時間上的差別主要是因為各試件巖石結(jié)構(gòu)上的差異造成的，另外法向應(yīng)力的大小、剪應(yīng)力的分級等因素也會對其產(chǎn)生一定的影響。

根據(jù)各點試驗最后一級剪切的剪切應(yīng)力-剪切位移-時間關(guān)系曲線的特點，可將其劃分為兩種破壞曲線類型： A型曲線最后一級剪切荷載加載后流變速率變化不均勻，接近等速流變階段時迅速減小，經(jīng)歷等速流變后進入加速流變階段而破壞，τ13(lb)-1-6即屬于這一類型，如圖 4(a)； B型曲線最后一級剪切荷載加載后流變速率均勻減小至定值，后直接進入加速流變階段而沒有等速流變階段，τ13(lb)-1-2屬于這一類型，如圖 4(b)所示。

圖4 破壞曲線Fig.4 Failure curves

3 試驗強度與對比分析

3.1 長期強度

巖石長期強度是評價長期受荷巖體穩(wěn)定性的重要指標[14-15]。長期強度T∞也就是上屈服值f3，或稱第三屈服值。對于巖體及結(jié)構(gòu)面，存在陳宗基所指的下屈服值f1和上屈服值f3。f1是從有限流變過渡到對數(shù)流變的臨界應(yīng)力值，f3是從對數(shù)流變過渡到破壞流變的另一個臨界應(yīng)力值，它相當于剪應(yīng)力作用時間t→∞時的剪切強度。

當剪應(yīng)力小于f1時，不產(chǎn)生流變，應(yīng)變隨著應(yīng)力的增大而增加，但卸載后應(yīng)變可以逐漸恢復(fù)到零，這一階段也稱為有限流變過程，如圖5中曲線1所示。當剪應(yīng)力超過f1時，應(yīng)變隨著時間的對數(shù)而增長，只要應(yīng)力小于上屈服值f3，這種情況就一直持續(xù)下去，這一階段稱為對數(shù)流變過程，如圖5中曲線2所示。當施加的剪應(yīng)力大于極限長期強度T∞而又不是大太多時，流變曲線如圖5中曲線3所示，即經(jīng)過減速、等速、加速3個流變階段發(fā)展至破壞。它分為3個階段：① 初期流變，其應(yīng)變速率逐漸遞減，如圖5中曲線3的AB段所示；② 第二期穩(wěn)態(tài)流變，也稱等速流變，流變速率呈定值穩(wěn)定狀態(tài)，如圖5中曲線3的BC段所示；③ 第三期流變，也稱破壞流變，流變呈加速增長而達到破壞，如圖5中曲線3的CD段所示；當剪應(yīng)力遠遠大于極限長期強度時，則流變曲線如圖5中曲線4所示，不經(jīng)過等速流變，變形將近似直線狀發(fā)展，直至迅速破壞。

圖5 恒定應(yīng)力作用下理想流變曲線Fig.5 Ideal rheological curve under constant stress

流變試驗中長期強度的測定分為直接試驗法和間接法。直接法[16]指在流變試驗中，由變形控制來測定巖石在指定時間內(nèi)不發(fā)生破壞的最大荷載。由于很大規(guī)模的試驗和很細的加載級別在時間和設(shè)備上都難以實現(xiàn)，直接法確定長期強度較為困難。為此，國內(nèi)外提出了諸多結(jié)合蠕變曲線確定長期強度的方法，廣泛應(yīng)用于工程實際中的主要還是等時簇曲線繪圖輔助法。本文采用等時簇曲線法確定長期強度，具體做法如下：繪制剪應(yīng)力-剪位移等時簇曲線，找出各曲線的屈服極限，隨著剪切歷時的增加，屈服極限應(yīng)力逐漸下降而接近于平行水平軸，將其連接成一條曲線，此曲線的水平漸近線對應(yīng)的應(yīng)力值即是長期強度。圖6給出了τ13(lb)-1-5(法向應(yīng)力為2.4 MPa)的等時簇曲線，根據(jù)上述方法確定該試件的長期強度為1.40 MPa。其他試件均按此方法確定長期強度。

圖6 剪應(yīng)力-剪位移等時簇曲線Fig.6 Shear stress-shear displacementisochronous cluster curve

確定各試驗點的長期強度后，繪制法向應(yīng)力和對應(yīng)的長期剪切強度關(guān)系曲線，按照庫倫表達式確定結(jié)構(gòu)面長期抗剪強度參數(shù)，繪制τ∞-σ關(guān)系，如圖7所示?？傻瞄L期剪切強度參數(shù)f∞為0.387，C∞為0.1 MPa。

圖7 長期強度法向應(yīng)力和切向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.7 Normal stress and tangential stresscurve in long-term strength

3.2 瞬時強度

采用與流變試驗相同的試件以及試驗設(shè)備進行常規(guī)試驗，試驗同樣在泡水條件下進行，各試件的片理面發(fā)育和巖性均勻，代表性較一致。根據(jù)試驗結(jié)果得到法向應(yīng)力σ與切向峰值應(yīng)力τ的關(guān)系，如圖8所示。各試驗點具有良好的線性關(guān)系，可以得到結(jié)構(gòu)面的摩擦系數(shù)為0.437,凝聚力為0.5 MPa。

圖8 瞬時強度法向應(yīng)力和切向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.8 Normal stress and tangential stresscurve in instantaneous strength

3.3 長期強度與瞬時強度的比

剪切流變長期強度和快剪瞬時強度參數(shù)對比如表1所示。

表1 相應(yīng)于不同法向應(yīng)力下長期剪切強度與瞬時剪切強的比Tab.1 Ratio of long-term shear strength to instantaneousshear strength under different normal stresses

根據(jù)以上資料，可以看出綠片巖的長期強度具有以下特點。

(1) 綠片巖的極限長期強度與瞬時強度相比有較明顯的降低，f∞/f為88.6%，c∞/c為20%。說明強度效應(yīng)主要表現(xiàn)在c值的降低，而對f值影響相對較小。

(2) 隨著法向力σ的增加，τ∞/τ值越來越大。強度比τ∞/τ與法向應(yīng)力σ有明顯相關(guān)性，隨著法向應(yīng)力σ的增加，τ∞/τ值越來越大，但增長速率逐漸降低。

4 破壞面分析

各試件流變破壞后剪切面狀態(tài)如圖9～13所示。巖性為雜色角礫狀大理巖夾綠片巖透鏡體，綠片巖延伸大于3 m，厚度45～60 cm，片理發(fā)育、新鮮，大理巖局部少量滲水，但綠片巖整體較干燥,綠片巖產(chǎn)狀N30°E/NW∠16°。

試后剪切面狀態(tài)顯示剪切基本沿綠片巖的片理面進行。該綠片巖主要由綠泥石、石英等組成，呈細粒鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造為主。其中，τ13(lb)-1-3，τ13(lb)-1-4，τ13(lb)-1-6沿片理面剪斷，剪切面新鮮、平直、稍糙、濕潤，擦痕明顯，稍具絲娟光澤，起伏差一般0～2 cm，覆少許片狀巖塊及巖屑。這些巖屑泡水飽和后力學(xué)屬性極差，手搓成粉，試驗值能很好地反映該綠片巖的力學(xué)屬性。τ13(lb)-1-5局部沿兩個不同片理面剪切，局部沿巖體剪切，兩個片理面性狀和τ13(lb)-1-3、τ13(lb)-1-4、τ13(lb)-1-6剪切面性狀相似，而巖體剪切面面積約占整個剪切面面積的8%，斷口粗糙，起伏差0～1.8cm，新鮮，為細粒變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀-塊狀構(gòu)造，礦物以綠泥石、石英、方解石為主，應(yīng)為砂巖的原巖經(jīng)淺變質(zhì)作用而形成。τ13(lb)-1-2也沿片理面剪切，剪切面波狀起伏，起伏差0～3 cm，面新鮮、稍糙、濕潤，擦痕明顯，局部可見明顯的絲絹光澤。因為τ13(lb)-1-6的剪切含巖體剪斷以及τ13(lb)-1-2剪切面的波狀起伏，在關(guān)系曲線圖上，其試驗值相對偏高。

圖9 τ13(lb)-1-2剪切面Fig.9 τ13(lb)-1-2 shear plane

圖10 τ13(lb)-1-3剪切面Fig.10 τ13(lb)-1-3 shear plane

圖11 τ13(lb)-1-4剪切面Fig.11 τ13(lb)-1-4 shear plane

圖12 τ13(lb)-1-5剪切面Fig.12 τ13(lb)-1-5 shear plane

圖13 τ13(lb)-1-6剪切面Fig.13 τ13(lb)-1-6 shear plane

5 結(jié) 論

(1) 綠泥石片巖的長期強度和流變特性研究是錦屏水電站壩址區(qū)邊坡和近壩滑坡穩(wěn)定性評價工作的基礎(chǔ)和重點，采用排孔切割等特殊方法制備試樣從而進行室內(nèi)剪切流變試驗是簡單、實用和行之有效的研究手段；進行高應(yīng)力狀態(tài)下的剪切流變試驗研究具有重要的理論和實際意義。

(2) 各應(yīng)力水平下，歷時48 h后剪切變形基本趨于穩(wěn)定，最高一級剪切載荷后，片理面出現(xiàn)大位移滑動而迅速破壞，但各試件破壞歷時差異較大，一般經(jīng)歷1～6 h，最短的也有35 min。根據(jù)流變曲線，分別劃分為沒有等速流變和經(jīng)歷短時等速流變的A、B兩種破壞類型。

(3) 巖體新鮮、片理面發(fā)育，試驗剪切大多沿同一片理面進行，各點試驗加速流變過程一般經(jīng)歷1～6 h。綠片巖的極限長期強度與瞬時強度相比有較明顯的降低，強度效應(yīng)主要表現(xiàn)在c值的降低，而對f值影響相對較小，二者強度比與法向應(yīng)力有明顯相關(guān)性，隨著法向應(yīng)力的增加，比值越來越大，但增長速率逐漸降低。