陳志，賈朝軍，雷明鋒

(1.中鐵十二局集團(tuán) 第七工程有限公司，湖南 長沙410075；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075)

圍巖的蠕變力學(xué)特性是隧道長期穩(wěn)定性研究的重要課題之一。隧道開挖臨空面的時(shí)效變形破壞可能在開挖后幾天甚至幾年才發(fā)生，例如瑞士和意大利之間的Simplon隧道[1]和中國的鷓鴣山隧道[2]。因此，對隧道圍巖的蠕變力學(xué)特性進(jìn)行研究對于保證隧道工程長期穩(wěn)定性具有十分重要的意義。巖石的流變力學(xué)特性研究主要包括蠕變、松弛、彈性后效和長期強(qiáng)度[3]。試驗(yàn)是預(yù)測隧道圍巖流變力學(xué)特性的主要方法。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場流變力學(xué)試驗(yàn)主要包括在不同應(yīng)力或應(yīng)變速率下的蠕變和松弛試驗(yàn)。由于蠕變試驗(yàn)簡單高效，學(xué)者對該領(lǐng)域研究較多。在過去的幾十年中，對多種巖石材料進(jìn)行了廣泛試驗(yàn)研究，例如煤巖[4]，鹽巖[5]、頁巖[6]等蠕變變形較為顯著的軟弱巖石的力學(xué)特性研究取得了豐碩的成果。甚至對硬巖石，如大理巖[7]、花崗巖[8]等學(xué)者們亦開展了一定的研究。然而，工程實(shí)踐表明，在隧道工程現(xiàn)場測得的圍巖變形比在試驗(yàn)中通過試塊測得的蠕變變形要大得多[9]。由此可見，巖體中包含的斷層、破碎帶、泥化夾層、節(jié)理和裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面的蠕變力學(xué)特性對隧道的變形穩(wěn)定起控制作用。因此，有必要研究軟弱結(jié)構(gòu)面的蠕變力學(xué)特性，以確保隧道和地下工程的長期穩(wěn)定性。很多學(xué)者采用完整巖塊或水泥砂漿等材料預(yù)制結(jié)構(gòu)面試件，進(jìn)行了大量的蠕變試驗(yàn)研究，并獲得了一系列成果。例如，張清照等[10]采用規(guī)則齒形結(jié)構(gòu)面試樣開展了剪切蠕變試驗(yàn)，探討了不同角度結(jié)構(gòu)面試件在不同正應(yīng)力條件下的剪切蠕變特性。李任杰等[11]制作了一種隱伏非貫通結(jié)構(gòu)面模型，開展了剪切蠕變試驗(yàn)研究。根據(jù)蠕變試驗(yàn)的階段特征，引入一個(gè)適用于結(jié)構(gòu)面的非線性黏性加速元件和材料損傷變量，建立一種非貫通結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變損傷本構(gòu)模型。研究成果對揭示巖質(zhì)斜坡的長期穩(wěn)定性和時(shí)效演化有借鑒意義。王振等[12]采用水泥砂漿預(yù)制含有Barton標(biāo)準(zhǔn)剖面的結(jié)構(gòu)面巖體開展剪切流變試驗(yàn)，對不同粗糙度結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隨著粗糙度的增大，蠕變整體位移減小，蠕變破壞曲線越來越陡，其蠕變速率以及剪切剛度在大于某個(gè)應(yīng)力值時(shí)，相對于前一級均會發(fā)生顯著變化。WU等[13]提出七元件模型(NVPRM)對預(yù)置結(jié)構(gòu)面的砂巖剪切蠕變特性進(jìn)行研究。綜上，由于軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度低，具有強(qiáng)烈的不連續(xù)性和各向異性特征，給制樣帶來極大困難。因此，制取與工程現(xiàn)場條件相同的天然軟弱結(jié)構(gòu)面，并開展剪切蠕變試驗(yàn)研究的成果還很匱乏。學(xué)者們大多采用人工預(yù)制結(jié)構(gòu)面的方法開展軟弱結(jié)構(gòu)面的蠕變力學(xué)特性研究。然而，由于天然無擾動軟弱結(jié)構(gòu)面大多含有泥化夾層等填充物。填充物的膠結(jié)作用及其變形特性必然會對結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變特性帶來影響。而人工預(yù)制的結(jié)構(gòu)面很難將此因素考慮進(jìn)去。因而，有必要開展天然無擾動軟弱結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變特性研究，以進(jìn)一步揭示工程現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變特性，對隧道及地下工程的長期變形穩(wěn)定分析提供有力指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

1.1 無擾動試樣的制取

為了研究天然軟弱結(jié)構(gòu)面的蠕變力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)設(shè)置中最困難的部分是無擾動軟弱結(jié)構(gòu)面試樣的制備。無擾動軟弱結(jié)構(gòu)面直接在工程現(xiàn)場制備。主要包含選址和標(biāo)注、保護(hù)和切割等3個(gè)步驟。具體制備過程如下(圖1)：1)選取寬度較小的位置作為取樣地點(diǎn)，并將表面鑿成光滑平面；2)預(yù)先標(biāo)記一個(gè)取樣區(qū)域并保證軟弱結(jié)構(gòu)面上下堅(jiān)硬部分巖石厚度相等；3)在取樣區(qū)域表面鋪設(shè)鋼絲，并用砂漿覆蓋保護(hù)；4)以保護(hù)層的邊緣為基線垂直巖壁向內(nèi)切割，形成試樣的側(cè)面和背面，并使用低強(qiáng)度砂漿保護(hù)所有開挖臨空面；5)切割與巖壁接觸的最后一個(gè)面并現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)試樣，打磨試樣，以獲得符合尺寸要求的標(biāo)準(zhǔn)樣?，F(xiàn)場制得的軟弱結(jié)構(gòu)面為立方體試樣，尺寸為15 cm(L)×15 cm(W)×15 cm(H)。試樣用蠟封并用塑料薄膜包裹直至運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室。

圖1 無擾動軟弱結(jié)構(gòu)面的取樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling of undisturbed structural plane

1.2 測試設(shè)備及方法

剪切蠕變試驗(yàn)在CSS-3940YJ型巖石伺服控制雙軸蠕變試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。剪切蠕變試驗(yàn)的載荷示意圖如圖2所示，該設(shè)備由垂直和水平活塞組成，分別根據(jù)應(yīng)力和位移控制模型進(jìn)行伺服控制。活塞的最大負(fù)載能力為400 kN。試驗(yàn)系統(tǒng)采用2個(gè)線性可變位移傳感器(LVDT)測量剪切變形，分辨率為±1 μm。測試過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和測試過程中的應(yīng)力由EDC數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)控。在垂直活塞和剪切盒之間設(shè)置有滾輪板，以減少由于試樣和活塞之間的接觸而引起的摩擦阻力。

圖2 軟弱結(jié)構(gòu)面巖體剪切蠕變試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of shear creep test on structural plane

試驗(yàn)在恒溫恒濕的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。將試樣放置在剪切盒內(nèi)，以確保剪切直接沿標(biāo)記的方向并平行于剪切平面。在進(jìn)行此操作之前，應(yīng)將鋼絲切斷。多級剪切蠕變試驗(yàn)程序與文獻(xiàn)[14]中斷層F17的試驗(yàn)方法相同。由于本文的剪切蠕變試驗(yàn)是在無側(cè)限條件下進(jìn)行，加之軟弱結(jié)構(gòu)面巖體強(qiáng)度較低，因此，正應(yīng)力不應(yīng)太大。在本研究中，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)力條件，在3個(gè)試樣(IL2，IL6和IL10)上施加了0.2，0.6和1.0 MPa的正應(yīng)力。具體的試驗(yàn)步驟如下：1)施加正應(yīng)力至設(shè)定值；2)以位移控制模式(0.2 mm/min)施加剪切應(yīng)力，每種應(yīng)力水平維持約48或72 h；3)待試樣在該級正應(yīng)力下達(dá)到穩(wěn)態(tài)蠕變階段后繼續(xù)施加下一級剪應(yīng)力；4)如果剪切位移以大于閾值的速率增加或試樣破壞，則停止數(shù)據(jù)記錄，并且測試結(jié)束。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 蠕變變形特性

本文制備了3個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面試樣并進(jìn)行了不同正應(yīng)力下的多級剪切蠕變試驗(yàn)。為了更好地揭示剪應(yīng)力對軟弱結(jié)構(gòu)面蠕變力學(xué)特性的影響，單個(gè)試樣進(jìn)行不少于10個(gè)應(yīng)力等級下的蠕變加載。所有測試總共持續(xù)了大約2 145 h。

3個(gè)試樣在不同剪應(yīng)力水平下的剪切位移隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。圖4是最后一級剪切應(yīng)力下試樣(IL2和IL6)的蠕變變形與時(shí)間變化關(guān)系曲線。2個(gè)試樣的最后一級剪應(yīng)力分別為0.62 MPa和1.0 MPa。同時(shí)，在圖4中繪制了最后一級剪應(yīng)力下蠕變變形速率的時(shí)間變化曲線。對于正應(yīng)力為1.0 MPa的試樣，在將剪應(yīng)力加載至1.4 MPa的過程中發(fā)生破壞，未捕捉到最后一級的蠕變曲線。

圖3 不同正應(yīng)力下剪切蠕變曲線Fig.3 Shear creep curves under different normal stresses

從圖3可以看出，施加每一級荷載的過程中軟弱結(jié)構(gòu)面試樣都會產(chǎn)生瞬時(shí)彈性應(yīng)變ε0；隨后，試樣經(jīng)歷了衰減蠕變階段。在該階段蠕變速率隨時(shí)間逐漸降低；當(dāng)剪切應(yīng)力水平較低時(shí)，剪切蠕變速率減小至恒定值，這意味著剪切變形線性增加，此階段被稱作穩(wěn)態(tài)蠕變階段；當(dāng)剪應(yīng)力加載到最后一級時(shí)，在發(fā)生一段時(shí)間的穩(wěn)態(tài)蠕變階段后，試樣的蠕變速率迅速增加，并且蠕變變形亦急劇增加并最終導(dǎo)致試樣破壞(圖4)。典型的三蠕變階段(衰減蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變)蠕變速率的變化如圖4所示。

圖4 最后一級剪應(yīng)力下的蠕變和蠕變速率曲線Fig.4 Shear creep curve at the final shear stress level with normal stress

從這3個(gè)試樣的蠕變變形曲線中可以看出正應(yīng)力對軟弱結(jié)構(gòu)面的蠕變特性具有重要影響。試樣破壞時(shí)，正應(yīng)力越大，剪切變形越大。在較高的正應(yīng)力(σn=0.6 MPa和1.0 MPa)下，蠕變曲線相對順滑，并且在變形過程中沒有大的起伏。然而，在較低的正應(yīng)力(σn=0.2 MPa)下，蠕變過程中剪切變形急劇變化，甚至出現(xiàn)下降部分(圖3(a)中方框部分)。

2.2 瞬時(shí)變形和蠕變變形

每一級剪應(yīng)力水平下的軟弱結(jié)構(gòu)面試樣可以表示為：

ut是該級應(yīng)力水平下的總變形，u0和uc分別對應(yīng)于瞬時(shí)變形和蠕變變形。假定是 從 第1級應(yīng)力水平到第i(i=1,2,…,n)級應(yīng)力水平的累積瞬時(shí)變形，是對應(yīng)的累積蠕變變形。

瞬時(shí)變形隨剪應(yīng)力水平變化關(guān)系曲線如圖5所示。對于所有立方體試樣，由于軟弱結(jié)構(gòu)面中填充物的初始空隙和裂紋在第1級應(yīng)力水平施加后迅速發(fā)生閉合，因而此時(shí)的瞬時(shí)變形最大。此后繼續(xù)施加剪應(yīng)力，原先閉合的初速空隙和裂紋繼續(xù)收縮，導(dǎo)致變形量進(jìn)一步增加，但與第1級應(yīng)力下的變形值相比要小得多。在剪應(yīng)力增加到一定程度后，不同試樣的瞬時(shí)變形變化規(guī)律不同，在正應(yīng)力為0.2 MPa時(shí)u0的變化為“U”形，而其他2個(gè)樣本(IL6和IL10)則表現(xiàn)為“L”形。

圖5 瞬時(shí)變形隨剪應(yīng)力變化曲線Fig.5 Variation of instantaneous deformation with the change in shear stress levels

累積瞬時(shí)變形隨剪應(yīng)力水平的變化如圖6所示。對于試樣IL6和IL10，累積瞬時(shí)變形幾乎隨剪切應(yīng)力的增加線性增加。但是，試樣IL2的累積瞬時(shí)變形可以分為2個(gè)階段。在第1階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線是線性的，在第2階段變?yōu)橥剐?。累積瞬時(shí)變形曲線上任意一點(diǎn)的切線斜率可表示為在該應(yīng)力等級下的瞬時(shí)彈性模量，由此可知，在整個(gè)蠕變加載階段，試樣IL6和IL10的瞬時(shí)彈性模量幾乎不發(fā)生變化，而試樣IL2的瞬時(shí)彈性模量則在高剪應(yīng)力下發(fā)生明顯降低。這可能是由于破裂的碎片沿剪切面滑動造成的。

圖6 累積瞬時(shí)變形隨剪應(yīng)力變化曲線Fig.6 Variation of cumulate instantaneous deformation with the change in shear stress levels

定義蠕變變形uc與總變形ut之比為ξ：

根據(jù)此定義，ξ反映了蠕變變形在該級應(yīng)力水平下占總變形的比例。圖7顯示了ξ在剪切應(yīng)力水平下的演化規(guī)律。從圖中可看出軟弱結(jié)構(gòu)面巖體的比率ξ遠(yuǎn)高于完整巖塊的比率ξ。例如，砂巖的比率ξ為0～30%[15]，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到最終水平時(shí)，本文所測試的軟弱結(jié)構(gòu)面試樣的比率最高可接近100%，表明軟弱結(jié)構(gòu)面的蠕變要更明顯。隨著應(yīng)力水平的增加，該比率ξ線性增加。但是，試樣IL2的比率ξ比其他2個(gè)試樣(IL6和IL10)的增加更快。

圖7 ξ與剪應(yīng)力水平的關(guān)系Fig.7 Relationship between ξ with the shear stress level

累積蠕變變形隨剪應(yīng)力水平的變化關(guān)系如圖8所示。顯然，累積蠕變變形隨施加剪切應(yīng)力的增大呈非線性增加趨勢。使用指數(shù)函數(shù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合：

圖8 累積蠕變變形隨切應(yīng)力水平的變化Fig.8 Variation of cumulate creep deformation with the shear stress level

其中k和α為擬合參數(shù)。結(jié)果表明，擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.96，0.99和0.99。對于3個(gè)軟弱結(jié)構(gòu)面試樣，k常數(shù)分別為0.002 3，0.39和0.18 mm。α系數(shù)分別為11.22，2.26和2.31 MPa?1。α越高，0.2 MPa正應(yīng)力下試樣累積蠕變變形對剪應(yīng)力的變化更加敏感。

2.3 穩(wěn)態(tài)蠕變率

使用多元線性回歸方法，可以獲得在一定應(yīng)力水平下的穩(wěn)態(tài)蠕變率。圖9給出了穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨剪切應(yīng)力的變化。如圖9所示，穩(wěn)態(tài)蠕變率隨剪應(yīng)力非線性增加。通常，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用指數(shù)函數(shù)(圖9(a))和冪函數(shù)(圖9(b))描述

其中u?是穩(wěn)態(tài)蠕變率；τn是剪應(yīng)力；α1，β1，α2和β2是常數(shù)；τ*為無量綱化參數(shù)，為1 MPa。擬合曲線如圖9所示，表1給出了常數(shù)α1，β1，α2和β2的值。結(jié)果表明，指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)都能很好地?cái)M合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對常數(shù)α1和α2，不同函數(shù)擬合得到的結(jié)果相等。β1從0.2 MPa時(shí)的4.59 MPa?1顯著降低至0.6 MPa時(shí)的2.36 MPa?1，而正應(yīng)力從0.6 MPa增加到1.0 MPa時(shí)，β1變化不大。此外，應(yīng)力指數(shù)β2具有相同的變化規(guī)律。因此，可以得出，正應(yīng)力對不連續(xù)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)蠕變速率有很大影響。在較低的正應(yīng)力(0.2 MPa)下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率對剪切應(yīng)力水平的變化更為敏感。由于正應(yīng)力的范圍太有限，因此無法對正應(yīng)力的影響做出定量結(jié)論。

表1 指數(shù)和冪函數(shù)擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of exponential function and power function

圖9 穩(wěn)態(tài)蠕變速率與剪切應(yīng)力水平之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between steady-state creep rate and shear stress levels

3 長期強(qiáng)度

長期強(qiáng)度定義為蠕變期間的閾值。只有當(dāng)施加的應(yīng)力高于該閾值時(shí)，即使應(yīng)力保持恒定，巖石也可能發(fā)生破裂[16]。要確定長期強(qiáng)度，最準(zhǔn)確的方法是在不同應(yīng)力水平下對不同試樣進(jìn)行一系列蠕變測試。長期強(qiáng)度是不會引起巖石試樣破壞的最大應(yīng)力。但是，由于該方法耗時(shí)太長，在實(shí)踐中很難做到。MARTIN等[17]提出，長期強(qiáng)度可以通過體積應(yīng)變從壓縮到膨脹臨界點(diǎn)的應(yīng)力來定義。但是，此方法僅適用于可測量或明確計(jì)算得到體積應(yīng)變的情況。

除了上述直接方法外，還可以使用基于多階段蠕變試驗(yàn)的間接方法來確定長期強(qiáng)度[18]。使用最廣泛的是等時(shí)曲線法，該方法已被引入測試規(guī)范中[19]以確定巖塊和軟弱結(jié)構(gòu)面的長期強(qiáng)度。通過在蠕變曲線上繪制一條與橫軸平行的直線并將其與處于不同應(yīng)力水平的蠕變曲線相交，可以在每個(gè)交點(diǎn)處為應(yīng)力?應(yīng)變值繪制一條等時(shí)曲線。巖石的長期強(qiáng)度對應(yīng)于等時(shí)曲線拐點(diǎn)處的應(yīng)力。本文所測試的軟弱結(jié)構(gòu)面巖體的等時(shí)曲線如圖10所示。

圖10 正應(yīng)力下軟弱結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力?剪切變形等時(shí)曲線Fig.10 Shear stress?shear deformation isochronism curves of discontinuity under normal stresses

以試樣IL2為例，當(dāng)剪切應(yīng)力小于0.33 MPa時(shí)，不同時(shí)刻的剪切應(yīng)力?變形曲線幾乎為直線。但是，當(dāng)應(yīng)力高于0.33 MPa時(shí)，曲線開始向水平軸偏斜，這表明變形從黏彈性轉(zhuǎn)變?yōu)轲に苄?。因此，拐點(diǎn)處的應(yīng)力被認(rèn)為是長期強(qiáng)度。利用等時(shí)曲線法確定的其他2個(gè)試樣的長期強(qiáng)度為0.49 MPa和0.89 MPa。

長期強(qiáng)度也可以通過穩(wěn)態(tài)蠕變速率下的蠕變速率獲得。由于穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨著剪應(yīng)力的增加有一個(gè)明顯的突變，武東生等[20]用2條直線擬合穩(wěn)態(tài)速率曲線，2條直線相交處的應(yīng)力值則定義為長期強(qiáng)度。王軍保等[21]改進(jìn)了這種方法，并用2條直線擬合穩(wěn)態(tài)蠕變速率的倒數(shù)來確定此拐點(diǎn)。此外，WU等[18]在lgu?~lg(τn/τ_*)坐標(biāo)系下采用2條直線擬合相關(guān)變量的關(guān)系來確定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的拐點(diǎn)。結(jié)果表明，該方法可以降低對測試數(shù)據(jù)的敏感性，而不會改變原始穩(wěn)態(tài)蠕變速率的總體趨勢。與穩(wěn)態(tài)蠕變速率相關(guān)的方法在確定巖塊長期長度上取得了較好的效果，但是能否采用此類方法確定軟弱結(jié)構(gòu)面的長期強(qiáng)度還需要進(jìn)一步研究。

下面使用與穩(wěn)態(tài)蠕變速率相關(guān)的3種方法獲取軟弱結(jié)構(gòu)面的長期強(qiáng)度(圖11)。用武東生等[20]提出的方法，隨著剪切應(yīng)力的增加，圖中顯示了2個(gè)擬合公式，相關(guān)系數(shù)分別為0.844和0.929(圖11(a))，擬合較好，即在應(yīng)力蠕變速率曲線上存在拐點(diǎn)A，在此之前，蠕變速率緩慢增加，當(dāng)應(yīng)力高于拐點(diǎn)A時(shí)，曲線斜率增大。利用該方法確定的長期強(qiáng)度為0.49 MPa。與等時(shí)曲線法確定的強(qiáng)度相同。利用王軍保等[21]提出的確定長期強(qiáng)度的過程如圖11(a)所示。以拐點(diǎn)B確定的長期強(qiáng)度為0.5 MPa，這表明該方法也可以正確地得到軟弱結(jié)構(gòu)面的長期強(qiáng)度。

圖11 用穩(wěn)態(tài)蠕變率相關(guān)方法確定的長期強(qiáng)度Fig.11 Long-term strength determined with the methods related to steady-state creep rate

為了用WU等[18]提出的方法來說明穩(wěn)態(tài)蠕變率的拐點(diǎn)，根據(jù)等式(3)取應(yīng)力和變形的對數(shù)，在圖11(b)中繪出穩(wěn)態(tài)蠕變速率與剪應(yīng)力的關(guān)系曲線。數(shù)據(jù)顯示了2種明顯不同的演變趨勢，并采用2個(gè)線性函數(shù)擬合。相關(guān)系數(shù)分別為0.935和0.94。2條直線相交于C點(diǎn)，計(jì)算得到長期強(qiáng)度為0.49 MPa，該結(jié)果與等時(shí)曲線法確定的結(jié)果相同。

因此，可以看出等時(shí)曲線法可以用來確定本文中不連續(xù)性的長期強(qiáng)度，但確定過程較為繁瑣。與穩(wěn)態(tài)蠕變率有關(guān)的方法在確定軟弱結(jié)構(gòu)面長期強(qiáng)度上精度較高，并且方法簡單，具有一定的參考意義和價(jià)值。

一些研究人員認(rèn)為，應(yīng)將長期強(qiáng)度定義為穩(wěn)態(tài)速率剛好等于零的應(yīng)力閾值。因此，可以通過尋找應(yīng)力閾值來確定長期強(qiáng)度，其可用于水泥砂漿制成的預(yù)制結(jié)構(gòu)面或完整巖塊[22?23]。天然軟弱結(jié)構(gòu)面巖體的蠕變變形非常大，以致于瞬態(tài)蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段無法在有限的蠕變時(shí)間內(nèi)嚴(yán)格區(qū)分。蠕變變形可粗略地認(rèn)為是線性增加的，穩(wěn)態(tài)蠕變速率由曲線擬合確定。

4 剪切蠕變變形的物理機(jī)制

對于無填充的結(jié)構(gòu)面巖體，其蠕變變形可以簡化為如圖12所示的概念模型[24]。當(dāng)正應(yīng)力較小時(shí)，蠕變是由位錯(cuò)爬升和橫向滑動引起的。結(jié)構(gòu)面上的滑移錯(cuò)動會導(dǎo)致法線方向上的體積膨脹(圖12(a))。當(dāng)正應(yīng)力較高時(shí)，法向膨脹會受到限制，并且結(jié)構(gòu)面會因切割凸臺的根部而發(fā)生破壞(圖12(b))。

圖12 粗糙無填充結(jié)構(gòu)面的蠕變變形概念模型Fig.12 Conceptual model of creep deformation of rough unfilled structural plane

但是，天然軟弱結(jié)構(gòu)面巖體大多存在填充物而導(dǎo)致其剪切蠕變機(jī)理更為復(fù)雜。它不僅受到所施加的正應(yīng)力影響，還受到結(jié)構(gòu)面填充材料的控制。

從前述分析可以看出，天然軟弱結(jié)構(gòu)面巖體的剪切蠕變變形受到正應(yīng)力的顯著影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在較小正應(yīng)力(0.2 MPa)下的瞬時(shí)變形和蠕變變形的變化大于在較高正應(yīng)力(0.6 MPa和1.0 MPa)下的瞬時(shí)變形和蠕變變形。與人工預(yù)制水泥砂漿材料的結(jié)構(gòu)面巖體相比，這種差異是由不同正應(yīng)力下的不同變形機(jī)制引起的。當(dāng)正應(yīng)力較低時(shí)，在剪切應(yīng)力作用下，礦物骨料相互擠壓、摩擦并分散成小顆粒。顆粒的位置和方向也在力的作用下不斷調(diào)整，并沿剪切方向逐漸定向排列。這種細(xì)觀變化過程在宏觀上表現(xiàn)為蠕變曲線的突起。當(dāng)顆粒的定向排列位置基本上穩(wěn)定后，顆粒之間的咬合力和摩擦力不再改變，宏觀上表現(xiàn)為平滑曲線。但是，在高正應(yīng)力的作用下，顆粒在試樣的固結(jié)過程中被擠壓，破碎成小顆粒并重新聚集(圖13)。隨著剪切作用的進(jìn)行，顆粒沒有明顯的定向排列。宏觀上，蠕變曲線沒有明顯的凸起。

圖13 IL02和Il10的破壞樣對比Fig.13 Failure samples

本文所采集的天然軟弱結(jié)構(gòu)面巖體的填充材料主要由高嶺石、一定數(shù)量的蛭石和少量長石組成。填充材料的粒度差：70.3%的土石混合物的粒徑為2～60 mm。當(dāng)正應(yīng)力較低時(shí)，細(xì)顆粒與碎屑之間的膠結(jié)物是疏松的，初始的孔隙和裂縫不會閉合，當(dāng)剪切應(yīng)力高于閾值時(shí)，碎屑會擠入細(xì)顆粒中[14]。這也導(dǎo)致在小正應(yīng)力下變形過程中的起伏較大。

5 結(jié)論

1)軟弱結(jié)構(gòu)面的蠕變過程可分為瞬時(shí)變形階段、衰減蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段。軟弱結(jié)構(gòu)面的蠕變力學(xué)特性受到正應(yīng)力的顯著影響。在較高的正應(yīng)力下，蠕變曲線相對順滑，并且在變形過程中沒有大的起伏。然而，在較低的正應(yīng)力作用下，蠕變曲線有較多的凸起，剪切變形劇烈震蕩，甚至出現(xiàn)下降部分。軟弱結(jié)構(gòu)面的瞬時(shí)階段變形和蠕變階段變形受正應(yīng)力影響而表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

2)剪應(yīng)力對軟弱結(jié)構(gòu)面的蠕變變形的影響主要表現(xiàn)在隨著剪應(yīng)力的增加，穩(wěn)態(tài)蠕變速率呈現(xiàn)非線性增加的趨勢。這種增長趨勢可以采用指數(shù)函數(shù)或者冪函數(shù)表示。

3)用等時(shí)曲線法和與穩(wěn)態(tài)蠕變速率有關(guān)的方法確定的長期強(qiáng)度相同。在正應(yīng)力為0.2，0.6和1.0 MPa時(shí)，用等時(shí)曲線法確定的軟弱結(jié)構(gòu)面的長期強(qiáng)度分別為0.33，0.49和0.89 MPa。但與穩(wěn)態(tài)蠕變率有關(guān)的方法確定長期強(qiáng)度較為簡單，并且精度較高，具有一定的參考意義和價(jià)值。

4)討論了天然無擾動軟弱結(jié)構(gòu)面巖體蠕變破壞的物理機(jī)制。與粗糙的無填充的結(jié)構(gòu)面巖體對比，天然結(jié)構(gòu)面巖體的蠕變力學(xué)特性與正應(yīng)力和填充材料有關(guān)。低應(yīng)力下的擠壓、摩擦以及不同粒徑的填充物的咬合作用導(dǎo)致蠕變曲線的凸起，甚至蠕變變形隨著時(shí)間的增加而下降。而高應(yīng)力下顆粒在試樣的固結(jié)過程中被擠壓，顆粒沒有明顯的定向排列，宏觀上蠕變曲線表現(xiàn)為平滑曲線。