李寒暝

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,新疆 烏魯木齊 831000）

1 引言

泥巖地層是我國西北地區(qū)常見地質(zhì)條件之一，且其性質(zhì)差異較大，為風(fēng)電場、水電大壩等工程帶來一定的威脅[1-3]。我國新疆地區(qū)一年四季、晝夜氣溫變化較大，凍融循環(huán)作用下地基土力學(xué)性質(zhì)會產(chǎn)生較大的變化，地基土的長期力學(xué)性質(zhì)劣化[4-6]。張敏、胡澤明等[7-8]以泥巖地層為研究對象，深入研究傾角對泥巖地基及滑坡穩(wěn)定的影響；張強星等[9]對某鹽巖儲氣庫中的泥巖展開室內(nèi)長期單軸蠕變試驗，并基于試驗結(jié)果及理論知識推導(dǎo)出了泥巖長期強度確定方法。

現(xiàn)有的針對泥巖力學(xué)性質(zhì)的研究主要是從其強度或蠕變行為防線剛展開的，卻未能考慮到凍融循環(huán)對泥巖的力學(xué)性質(zhì)的影響[10-11]。因此，本文通過室內(nèi)制備經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的泥巖，并對其展開三軸分級加載蠕變試驗，深入探討凍融循環(huán)對泥巖蠕變變形行為及長期強度的影響。

2 工程背景

新疆哈密煙墩第六風(fēng)電場工程位于新疆自治區(qū)哈密市東南約100 km,駱駝圈子?xùn)|南的戈壁灘上。本期工程擬開發(fā)利用面積約60 km2,計劃裝機規(guī)模為200 MW,設(shè)計1.5 MW風(fēng)機134 臺,風(fēng)機的基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力墩基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深大于3 m。新疆哈密千萬千瓦級風(fēng)電基地東南部風(fēng)區(qū)200 萬kW項目分為煙墩、苦水兩個區(qū)域,共計10 個風(fēng)電場,總裝機規(guī)模為2000 MW,按照風(fēng)電特許權(quán)項目進行建設(shè)和管理。其中煙墩區(qū)域風(fēng)電場由六個風(fēng)電場組成,裝機容量1200 MW,每個風(fēng)電場設(shè)置一個監(jiān)控中心,第一、第二風(fēng)電場合建一座220 kV升壓變電所,第四、第五風(fēng)電場合建一座220 kV升壓變電所,第三、第六風(fēng)電場合建一座220 kV升壓變電所；苦水區(qū)域風(fēng)電場由四個風(fēng)電場組成,裝機容量800 MW（4×200 MW）,每個風(fēng)電場設(shè)置一個監(jiān)控中心,第一、第二風(fēng)電場合建一座220 kV升壓變電所,第三、第四風(fēng)電場合建一座220 kV升壓變電所。

3 試樣制備與試驗設(shè)計

3.1 試樣制備

本次試驗研究所用試樣均取自新疆哈密煙墩第六風(fēng)電場工程。圖1 為鉆孔并加工完成后的泥巖三軸蠕變試驗所用試樣,根據(jù)相關(guān)《工程巖體試驗方法標(biāo)準》[12],將試樣加工為高度為100 mm,直徑為50 mm的標(biāo)準試樣。經(jīng)過測定,泥巖試樣的密度在2.50 g/cm3~2.64 g/cm3之間。

圖1 泥巖試樣

3.2 試驗方案

本次試驗主要研究目的為探討泥巖在凍融循環(huán)條件下的蠕變力學(xué)行為,因此,室內(nèi)設(shè)計循環(huán)次數(shù)分別為0 次、10 次、20 次、30 次四種不同循環(huán)次數(shù)下的泥巖三軸蠕變試驗。首先,需要對泥巖試樣進行凍融循環(huán)處理,具體操作流程如下：

（1）將泥巖試樣全部放入真空飽和設(shè)備中進行負壓飽和,飽和時間為48 h。

（2）取出試樣并擦干后,將試樣范圍四組,利用TDS凍融試驗機按照每組為0 次、10 次、20 次及30 次四種不同循環(huán)次數(shù)進行凍融試驗,其中,上限溫度為20 ℃,下限溫度為-20 ℃,定義每次循環(huán)為12 h的凍融后再放入20 ℃水中浸泡12 h,以此類推。

利用大型程控液壓伺服設(shè)備（圖2）開展巖石三軸蠕變試驗,該設(shè)備可實現(xiàn)最大軸壓為2000 kN,最大圍壓為100 MPa,利用LVDT位移計進行位移監(jiān)測,其量程為-2.5 mm~+2.5 mm,上述實驗設(shè)備精度均控制在0.5%以內(nèi)。采用陳氏加載法進行三軸蠕變試驗?？刂茋鷫簽? MPa,軸向加載分為五級,每級荷載分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa及50 MPa。在加載過程中以力控模式控制加載速率為30 kN/min （約為0.25 MPa/s）,每級蠕變穩(wěn)載時間為18 h。

圖2 三軸蠕變試驗設(shè)備

4 試驗結(jié)果分析與討論

4.1 蠕變曲線分析

不同凍融循環(huán)次數(shù)下的泥巖三軸蠕變曲線見圖3,由圖3可知,對于不同凍融循環(huán)次數(shù)的泥巖,其蠕變曲線均表現(xiàn)出典型的巖石蠕變變形曲線特征。瞬態(tài)蠕變的產(chǎn)生是由于軸向荷載的突然增大導(dǎo)致的彈性變形或彈塑性變形,由于加載速度快、加載時間段,因此在蠕變曲線上近似豎向或高斜率線段。對于分級加載蠕變試驗法,巖石在每一級遞增荷載作用下均會產(chǎn)生瞬態(tài)蠕變,但由于巖石本身在蠕變作用下產(chǎn)生了一定程度的損傷,因此其彈性模量有所降低,因此每一級產(chǎn)生的瞬態(tài)變形逐漸增大。在減速蠕變階段,泥巖蠕變變形量持續(xù)增大,但蠕變量增大速率越來越小,直到進入穩(wěn)態(tài)蠕變階段,泥巖的蠕變變形逐漸增大但蠕變速率趨于平穩(wěn)。在減速蠕變以及穩(wěn)態(tài)蠕變階段,泥巖內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生較少,主要為微裂紋的生長于萌芽,此時泥巖的損傷程度并不高,因此表面并沒有產(chǎn)生明顯的破壞裂紋。當(dāng)荷載增加到某一級時,泥巖進入加速蠕變階段。加速蠕變階段泥巖的軸向變形迅速增大,直至破壞。此階段持續(xù)時間較短,巖石發(fā)生破壞的速度快,進入加速蠕變階段后很快便產(chǎn)生了宏觀裂紋,泥巖試樣完全破壞。

進一步分析凍融循環(huán)對于泥巖蠕變力學(xué)行為的影響,由圖3 可知,對于泥巖,其凍融循環(huán)次數(shù)越多,則在同一級蠕變荷載作用下產(chǎn)生的蠕變變形則越大,以第一級荷載為例,在20 MPa應(yīng)力作用下,凍融循環(huán)次數(shù)為0 次、10 次、20 次及30 次的泥巖試樣產(chǎn)生的瞬態(tài)變形量分別為0.01%、0.02%、0.04%及0.07%,第一級蠕變結(jié)束后應(yīng)變分別為0.02%、0.04%、0.06%、0.09%。此外,相較于其他試樣,凍融循環(huán)次數(shù)為30 次的泥巖試樣在第四級荷載下即產(chǎn)生破壞,而其他試樣均在第五級荷載下產(chǎn)生破壞。分析認為,在凍融循環(huán)過程中,凍結(jié)導(dǎo)致了泥巖內(nèi)水分結(jié)冰后,產(chǎn)生了一定的體積膨脹,而由于體積膨脹導(dǎo)致泥巖內(nèi)部產(chǎn)生的裂隙在融化過程中無法恢復(fù),泥巖內(nèi)部產(chǎn)生了大量的空隙,造成了巖石損傷及力學(xué)性能弱化。因此,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,泥巖的變形特性更加明顯。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下泥巖蠕變曲線

4.2 蠕變速率曲線分析

圖4 為泥巖蠕變速率曲線,由于試樣較多且試樣的蠕變速率曲線形態(tài)基本一致,受文章篇幅限制,本文僅給出為進行凍融循環(huán)的試樣的蠕變速率曲線。由圖4 可知,在未發(fā)生破壞的前幾級荷載作用下,泥巖的蠕變速率曲線呈“L”形,這是由于在加載過程中,巖石產(chǎn)生的瞬態(tài)變形較大,因此蠕變速率要高出2~3 個數(shù)量級,而隨著蠕變過程的逐漸進行,巖石蠕變速率逐漸降低,此特征對應(yīng)為減速蠕變階段。在穩(wěn)態(tài)蠕變階段,巖石的蠕變速率基本不變,但低荷載下巖石未進入加速蠕變階段,因此蠕變速率曲線呈“L”形。而在最后一級荷載作用下,由于泥巖此時進入了加速蠕變階段,因此在蠕變速率曲線末端出現(xiàn)高蠕變速率數(shù)據(jù)點,因此最后一級蠕變速率曲線呈“U”形。

4.3 長期強度確定

對于邊坡工程,巖石的長期強度是保證工程穩(wěn)定的重要指標(biāo)。巖石在承受長期荷載期間,隨著變形的增加,材料本身的力學(xué)性能被不斷弱化,其強度也隨之降低,從而造成承載能力降低的情況,因此很多工程失穩(wěn)都是因為長期強度較大造成的。等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線法由于其簡捷、直觀的優(yōu)勢,因此在確定巖石的長期強度中得到了廣泛的應(yīng)用。以試驗加載全過程巖石試樣的蠕變曲線為對象,根據(jù)文獻中的方法,取適當(dāng)時刻的軸向、橫向等時應(yīng)力及應(yīng)變關(guān)系。經(jīng)過確定,不同凍融循環(huán)次數(shù)下泥巖的長期強度分別為35.30 MPa、32.17 MPa、29.78 MPa及25.32 MPa。由此可見,凍融循環(huán)次數(shù)越多,泥巖長期強度越低。

5 結(jié)論

基于室內(nèi)三軸分級加載蠕變試驗,對不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下炭質(zhì)灰?guī)r的蠕變力學(xué)行為及長期強度特性研究。研究主要結(jié)果如下：

（1）不同凍融循環(huán)次數(shù)下泥巖的蠕變曲線均具有典型的巖石蠕變曲線特征,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,泥巖的變形能力不斷增強,同級荷載作用下軸向變形更明顯。

（2）在低應(yīng)力作用下泥巖的蠕變曲線呈“L”形,進入加速蠕變后該級蠕變速率曲線呈“U”形。

（3）凍融循環(huán)次數(shù)越多,泥巖長期強度越低,不同凍融循環(huán)次數(shù)下泥巖的長期強度分別為35.30 MPa、32.17 MPa、29.78 MPa及25.32 MPa。由此可見,凍融循環(huán)對泥巖的力學(xué)性質(zhì)具有明顯的劣化效應(yīng)。