岩石流变特性及长期强度的试验研究

张艺钟

（广西水文地质工程地质勘察院 广西柳州 545005）

岩石流变特性及长期强度的试验研究

张艺钟

（广西水文地质工程地质勘察院 广西柳州 545005）

研究人员根据岩石的蠕变的特点设计相关的压缩蠕变实验以便更好的分析岩石的横向蠕变，并找到其横向蠕变的规律，同时对其轴向的蠕变进行实验规律差异的总结，最后依据实验数据分析岩石强度的持久性探讨岩石的性质。为了更好的适应岩石的持续强度，工程上依据岩石的蠕变的阈值来划分确定。而利用岩石的横向蠕变阈值比轴向蠕变阈值可以确定岩石的长期强度更加的准确，所以岩石的蠕变稳定特性可以做为岩土工程施工设计的重要依据。

岩石流变特性；长期强度；横向蠕变；试验研究

引言

物理上把物质外部作用力所引起的变形和流动的性质叫做流变性，而流变性通常是指在加工时的应力情况、物体形变的速度和粘度等的综合反映。流变性也可以反映岩石的主要特性。经过多年的研究发现，很多的岩石都具有流变的特性。流变特性和时效特性还可以预测岩石的长期稳定性。[1]随着经济社会的不断发展，人们越来越注重岩体工程以及采矿工程的规模扩大，所以在这样的背景下，我们更需要深入的研究岩石的流变性质，更加注重探究岩石材料流变特性的实验。

1 岩石的流变性能研究现状

岩石的性能往往不同于其他的材质。其可以存在于高温高压的环境中不被破坏，同时岩石是一种多孔的介质，且岩石的性质与组成它的矿物质的含量具有很大的关系。但是岩石具有特定的比重以及孔隙度，同时岩石还须具有抗压强度等物理性质。经过大量的实验分析我们发现，相对于横向稳定的蠕变阶段的应力阈值，岩石的轴向稳定蠕变阶段的应力阈值更高。横向蠕变的蠕变反应速度比较快，反应的时间比较早。实验中比较少见横向蠕变效应的详细实验研究，目前研究岩石的长期强度时大部分只研究轴向蠕变的性质。

2 岩石的实验仪器和实验方法

2.1 岩石的实验仪器

在对岩石进行实验时，往往需要使用重力驱动的偏心轮式的加载流变仪，这种流变仪具有杠杆扩力的功能，实验系统可以大大的减少误差，并稳定扩张力，对岩石进行稳定持续的加载。因此，可以实现流变实验的实验需求。应变式荷载测试的系统可以使得精度更高。实验中对岩石的变形测试是利用电测的方法实现的，同时还需要加入机械式的测量方案相互结合。[2]机械测量的系统确保了岩石整体形变的测量精准度。电阻的应变力测量系统可以让岩石的局部形变的精准程度更高。利用声波监测的系统对实验样品岩石进行滤定的岩石挑选可以使得实验样品岩石的物理性质得到统一。

2.2 实验的流程分析

实验用的样品必须确保其物理性质等的稳定性，实验中需要记录岩石的颜色、物理结构、层理特性、条纹、裂痕和完整性进行精确的记录。实验时需要确定单轴抗压强度的具体数值后，把岩石等分成各个样品快。同时利用声波仪来测试纵波横波的波速值加以记录，并选择比较相似波长的岩石作为样本。[3]实验开始时，需要先测量样品岩石的单轴抗压强度以及其极限的应变力。记录好相应的实验数据从而作为蠕变实验的分级加载的主要参照。而岩石的蠕变实验需要在流变仪上进行，在实验的过程中对样本分级别加载并逐个进行。加载的速率一般在0.5～1MPa之间，没个级别的压强持续时间通常为2d。实验的逐级加载方式是利用定量变化的原理实现的。在每次的实验加载后都需要及时的读取所用的数据，作为此次加载的应变力。

3 岩石的蠕变值分析

3.1 岩石的蠕变规律

岩石的横向蠕变规律和轴向的蠕变规律既有相同点也有不同点。具体表现为，当增加一级的负荷时，轴向的蠕变有瞬时的变形，而横向的蠕变也会出现类似的情况，但是横向的蠕变和轴向的蠕变都有不同的规律可循。两者都有一个发生蠕变的应力阈值范围，阈值大于应力值的情况发生时，蠕变会发生巨变，并立即衰减到初始值零，因此，只发生可第一阶段的蠕变。相比较而言，阈值小于应力值的情况发生时，蠕变的变化会趋于平稳的状态，因此，处于第二阶段的蠕变，第二阶段的蠕变速度在相同的负荷下是一个恒定的常数，而即使换成不同的负荷，其蠕变的速度依旧是十分接近的，并没有表现出与负荷量有数值上的关系。试验中的横向蠕变阶段比轴向的蠕变阶段发生的时间更早。若在同一级的负荷下，则横向蠕变的速度会与轴向蠕变的速度不同，且前者大于后者。当负荷处于最后一个阶段时，横向蠕变的速度会加快，先进入到加速蠕变的状态。所以，横向蠕变所导致的岩石蠕变的破坏更加的早。]对负荷的增大情况进行研究时发现，轴向的应力与横向的应力有很大的关系。横向应力的变化率与轴向应力的变化率大大不同，且相比较之后可以发现，横向应力的曲线的变化率更大，表明其变化更快，而轴向的应力曲线的斜率变化相对于横向的应力变化率就比较小，并表现出明显的波状。

3.2 岩石长期强度的确定

以往对岩石的长期强度的认定都是利用轴向的稳定蠕变阈值来作为参考的。当岩石的应力到达了第二阶段的蠕变阈值应力发生的阶段，它的蠕变变形的现象会与时间成正相关，即时间越长蠕变越明显，进而达到了蠕变的第三阶段，最后迫使岩石由于蠕变而遭到破坏。所以，横向的蠕变阶段比较稳定，且比轴向的发生的时间更早。根据岩石的横向蠕变阈值来对岩石的长期强度进行确定就更为准确了。工程上会根据实验的岩石的应力阈值来明确岩石的长期强度，并设计岩土的工程周期以及施工计划，这样会确保岩土施工处于长期安全稳定的状态。然后在横向的稳定蠕变速率往往初始阶段都比较小，直到轴向的稳定蠕变发生时才有所增加，所以工程上利用横向的稳定蠕变的阈值来作为长期强度的判断就显得更为精准。因此，横向蠕变的数值对岩土的工程施工具有很大的现实意义。

4 结束语

岩石的样品进行测试的过程中得出横向的蠕变和轴向的蠕变都显示出不同的特点，横向的蠕变的加速情况更加的明显，而且出现加速蠕变的阶段时间相对于轴向的蠕变早，并且轴向的蠕变在加速蠕变的第三阶段表现的并不明显，加速蠕变一出现就会使得样品遭到破坏。无论是轴向的蠕变还是横向的蠕变都有一个应力的阈值，横向蠕变的应力阈值可以确定岩石的长期强度，对于岩土的工程具有很大的帮助，岩土工程可以根据岩石的流变特性以及其长期强度的情况作为工程施工的指导。

[1]张龙云，张强勇，李术才，等.硬脆性岩石卸荷流变试验及长期强度研究[J].煤炭学报，2015（10）：1～9.

[2]朱其志，赵伦洋，刘海旭，等.岩石流变模型的快速显式积分算法及比较研究[J].岩石力学与工程学报，2015（12）：23～26.

[3]曾锋，钟赣平.脆性岩石的流变长期强度研究进展与展望[J].科技信息，2014（1）：20～28.

TU458.3

A

1004-7344（2016）18-0184-01

2016-6-10

张艺钟（1985-），男，湖南醴陵人，助理工程师，本科，主要从事土工测试、岩石抗压方面的工作。