低应力条件下水对斜长岩蠕变性能的影响

李江腾，郭群，曹平，林杭，张向阳，赵延林

(1.中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；2.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭，411201)

在岩土工程安全性的诸多影响因素中，水是最活跃的因素，很多地质灾害如滑坡、泥石流、岩溶塌陷、水库诱发地震、地面沉降等，其本质上都是水量、水流速、水力坡度、水化学成分等发生变化，引发水−岩相互作用类型、速度或规模发生改变，从而导致岩土体失去与其周围环境的平衡发生灾变[1]。岩石遇水发生软化，弱化了岩石的物理力学参数，降低了岩土工程的稳定性。而随着时间的推移，孔隙水可以四处扩散，水对岩石蠕变参数的影响就逐渐体现出来；因此，研究在饱水状态下流变特性的影响具有十分重要的意义。关于水对岩石蠕变特性的影响，Okubo等[2]对凝灰岩和安山石受单轴压缩载荷时饱和水和风干 2种状态下的应力、应变及蠕变特性进行了试验研究；Xie等[3]研究了白垩岩在饱和水条件下的弹塑性特性；Wawersik等[4]通过试验发现花岗岩和砂岩与时间有关的变形随含水量的增大而增大，在单轴应力状态下，干试件和饱水试件的稳态蠕变率相差大约 2个数量级；朱合华等[4]以任胡岭隧道工程勘探岩样为研究对象，通过岩石的室内单轴压缩蠕变试验，研究了不同含水状态下岩石的蠕变力学性能；高俊丽等[5]研究了节理岩体在水饱和情况下，研究了饱和水对岩石长期强度、流变速率和变形量的影响；黄小兰等[6]以大庆泥岩为研究对象，进行不同含水条件下的强度试验和蠕变试验，分析含水量变化对泥岩强度、弹性模量等基本力学参数以及蠕变特性的影响；李铀等[7]对风干与饱水状态下花岗岩单轴流变特性进行了试验研究，发现饱水后花岗岩长期强度明显降低及流变速率和变形量明显增大。在此，本文作者利用RYL−600微机控制岩石剪切流变仪，采用分级增量循环加卸载方式，对甘肃金川有色金属公司Ⅱ矿区斜长岩在风干和饱和水2种条件下进行单轴压缩蠕变试验，获得相应的蠕变试验曲线。以试验为依据，探讨饱和水对斜长岩的蠕变特性的影响。

1 蠕变试验

1.1 试验方法

岩石蠕变试验在中南大学岩土力学流变试验室进行。试验仪器为：采用长春朝阳公司生产的RYL-600微机控制岩石剪切流变仪，该流变仪主要用于岩石和岩石弱面的流变试验或岩石直剪、单轴压缩、岩石双向压缩等试验，主机组合门式框架结构由轴向力加载框架、横向力加载框架、控制柜、吊车等组成。本试验用到的轴向力加载框架主要由机座、滚珠丝杠副、动横梁、固定横梁及轴向升降装置组成，并选用日本松下全数字交流伺服高速系统；控制系统采用进口原装德国DOLI全数字伺服控制器。

蠕变试验的加载方式通常有单级加载、分级增量和分级增量循环加、卸载方式，本试验采用分级增量循环加卸载方法[8]，如图1所示。该方法吸取了分级增量加载方式的优点，克服了其缺点。在试验过程中可观测到岩石的滞后弹性恢复，测得其残余变形，能全面地反映岩石蠕变曲线的加、卸载过程，为岩石流变力学模型的建立和模型参数的确定提供完整的试验数据。各分级加载的载荷增量视试验过程来定，初始增量为10 kN，临近试样参考强度后载荷增量相应减少，初始加载和分级阶段卸载速率分别为300 N/s和1 000 N/s。各级荷载所持续的时间根据试件的应变速率变化情况予以确定，即当试样的轴向变形在2 d内小于0.01 mm时，认为其变形基本稳定[9−10]，则完全卸载，观测其滞后黏弹性恢复；当观测到24 h内无滞后恢复时，再进行下一级荷载的循环。依此类推逐级进行，直至试件最终破坏为止。

图1 分级增量循环加、卸载方式Fig.1 Circular incremental step load and unload

1.2 试样制备

本试验岩样取自金川Ⅱ矿区 ZK06钻孔矿岩岩芯，经高精度切割、磨平，加工成50 mm×100 mm(直径×长度)的标准试样。试样端面平整度和侧面平整度控制在0.03 mm以内，试样中心线与端面的垂直度误差小于0.25°，干燥岩样放入烘干机内在105 ℃高温下烘2 d，饱和岩样在水中浸泡7 d。

2 结果分析与比较

2.1 2种状态下的加载蠕变曲线比较

对试样进行循环加卸载蠕变实验，并对试验数据加以处理绘制成图。加载瞬间，岩石发生瞬时弹性响应，随后，产生随时间而增大的蠕变变形。蠕变变形的速率随时间而逐渐趋缓，当达到一定时间后，变形不再增大，岩石的最终变形趋向于一个稳定值。图2～4所示为典型试件在不同载荷等级下的蠕变曲线。

从图2～4可知：在低应力下，斜长角闪岩在2种状态下的蠕变曲线一直很平稳，但是，饱和水试样的蠕变曲线位于干燥试样蠕变曲线的上方，其原因是：水一方面溶解了矿物质，使孔隙加大；另一方面，水存在于岩石颗粒之间，使它们的接触面更加光滑、更不牢靠，因此，在同等应力下饱和岩样的变形会增大。由于本次试验在低应力下进行，岩样只产生稳态蠕变，没有加速蠕变。

图2 σ=25.48 MPa时2种状态典型岩样蠕变曲线Fig.2 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=25.48 MPa

图3 σ=45.86 MPa时2种状态典型岩样蠕变曲线Fig.3 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=45.86 MPa

图4 σ=66.24 MPa时2种状态典型岩样蠕变曲线Fig.4 Creep curves of typical specimen under two cases when σ=66.24 MPa

2.2 流变速率的比较

由测试的数据得到典型试样在不同载荷下的蠕变速率曲线，见图5～7。

从图5～7可知：在饱和水和干燥2种状态下的蠕变速率曲线都经过衰减和稳定阶段，但干燥条件下蠕变速率曲线位于饱和水下方，说明干燥状态比饱和状态达到稳定阶段(蠕变速率为0)所经历的时间要短，其原因是饱和状态需要一个排水过程。

2.3 瞬时弹性应变和瞬时弹性模量

岩样加载时均产生一定量的瞬时弹性应变，瞬时弹性反应程度可以通过瞬时弹性模量来反映。将每级荷载下的瞬时应力与瞬时弹应变的比值定义为瞬时弹性模量。表1中瞬时弹性应变为实测值，各级载荷下瞬时弹性模量E的关系见图8，各级载荷下瞬态应力与应变关系σ−ε(t=0时)曲线见图9。

图5 σ=25.48 MPa时2种状态典型岩样蠕变速率曲线Fig.5 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=25.48 MPa

图6 σ=45.86 MPa时2种状态典型岩样蠕变速率曲线Fig.6 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=45.86 MPa

表1 各级应力状态下的瞬时弹性应变和瞬时弹性模量Table1 Instantaneous elastic strain and modulus under different stresses

图7 σ=66.24 MPa时2种状态典型岩样蠕变速率曲线Fig.7 Creep strain rate curves of typical specimen under two cases when σ=66.24 MPa

图8 各级载荷下瞬时弹性模量E与应变的关系Fig.8 Relationship between instantaneous elastic modulus and stress

图9 t=0时σ−ε曲线Fig.9 Stresses−strain curves when t=0 h

从表1和图8可以看出：瞬时弹性模量有随应力增加而增加的趋势。其原因是岩石在很低应力下内部微裂隙压密闭合；在同一应力下，2种状态的瞬时弹性模量不同，饱和水的瞬时弹性模量低于干燥条件下的瞬时弹性模量，即饱和水的作用使得试样的瞬时弹性模量降低。

3 结论

(1)水影响岩石的变形。在同一应力下，含饱和水试件的蠕变曲线位于干燥试样蠕变曲线上方，即在相同载荷下产生相应的变形要大，表明水能加速变形。

(2)水影响岩石达到稳定蠕变阶段的时间。在同一应力水平下，含饱和水试件的蠕变速率曲线位于干燥试样蠕变速率曲线上方，饱和状态试样达到稳定阶段所经历的时间比干燥状态试样的时间要长。

(3)水影响岩石瞬时弹性变形模量。低应力时瞬时弹性模量随应力增加而增加，且饱和水使得岩石的瞬时弹性模量降低。

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