水岩作用下露天坑边坡岩石蠕变试验分析

秦 哲，付厚利，程卫民,于岩斌

(1.山东科技大学 a.矿山灾害预防控制重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地；b.矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.临沂大学 建筑学院，山东 临沂 276000)

水岩作用下露天坑边坡岩石蠕变试验分析

秦 哲1a,1b，付厚利2，程卫民1a,1b,于岩斌1a,1b

(1.山东科技大学 a.矿山灾害预防控制重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地；b.矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590；2.临沂大学 建筑学院，山东 临沂 276000)

为了探究水位升降对边坡长期稳定的影响，选取莱州仓上露天坑边坡岩石，对经历不同饱水-失水循环次数的岩样进行了三轴蠕变试验。通过分析SγJH蠕变应变-时间曲线及蠕变速率曲线，探究边坡岩石经历饱水-失水循环作用后的蠕变性质变化。进一步利用电镜对经历不同循环次数的SγJH岩样进行扫描，从细微观角度分析了水岩作用对矿坑边坡岩石损伤机理。结果表明：随饱水-失水循环次数增加，相邻循环次数下的SγJH轴向蠕变应变最多提高31%，侧向提高33%；SγJH-15后瞬时弹性应变较SγJH-0提高了54.3%，相邻荷载等级下蠕变应变提高24.3%，蠕变总应变可达到三轴压缩极限应变的80%以上。经历饱水-失水循环后，SγJH稳态蠕变速率不再为0，而是随饱水-失水循环次数增加不断提高，SγJH-15第5级荷载作用下稳态流变速率达到29.2×10-6/h；在施加各级轴向荷载的瞬时，初期蠕变速率加速度亦有所提升。水岩作用下岩石力学性质变化机理研究方面，由于SγJH内部结构的非均质性，在饱水-失水循环作用下岩样发生微观弱化和破裂，使得原有的应力平衡被打破，从而造成岩石变形曲线产生了不规则波动和突变。

水岩作用；露天矿坑；岩石力学；蠕变试验；蠕变规律

1 研究背景

蠕变是指保持应力不变的条件下，岩石应变随时间延长而增加的现象。水作为岩石蠕变重要影响因素，对岩体物理状态和受力特性的改变非常显著，岩体周期饱水-失水造成的岩性劣化过程是一个效应累积的水岩作用损伤过程，对水岩作用下岩石的蠕变试验研究分析，边坡岩土体的稳定性评价和工程实践具有重要指导意义。

国内外学者在该方面做了大量试验和理论研究。姜永东等[1]、秦哲等[2]对花岗岩进行蠕变试验分析，得出其在干燥和饱水情况下的岩石稳态速率规律。刘新荣等[3]、宋勇军等[4]通过不同状态下蠕变实验结果，探讨了蠕变特性与含水量之间的关系。李江腾等[5]、曹平等[6]对斜长岩在风干和饱水条件下通过采用分级增量循环加卸载方式对其进行单轴压缩蠕变试验，得出水对岩石黏弹性和黏塑形的影响规律。王新刚等[7]、王永新等[8]对水岩作用影响下的边坡稳定性进行探索，提出了水位升降是影响边坡稳定性的重要因素。刘业科[9]、杨逾等[10]、范秋雁等[11]通过试验对经过饱水-失水循环的岩石力学性质进行研究，得出了水岩作用下岩石的力学性质损伤规律。国内外在有关水对岩石的物理损伤以及在循环载荷作用下岩石疲劳变形损伤破坏方面已有很多的研究成果，但对于饱水-失水循环作用下的岩石的蠕变特性研究还比较少，不能满足水位升降工程条件下的边坡长期稳定性研究的需要。

本文依托《三山岛仓上露天坑尾矿库边坡安全状态监测、分析及预警技术开发与应用研究》科研项目，仓上露天坑于2013年开始作为三山岛选矿厂尾矿库使用，坑内水位不断升降对边坡稳定性的影响日益突出。故选取仓上露天坑尾矿库边坡3#蚀变带处黄铁绢英化花岗质碎裂岩(SγJH)为试验对象，将该岩石制成岩样并经历不同次数的饱水-失水循环作用，进而进行岩石三轴蠕变试验。对比不同饱水-失水循环次数下岩石蠕变应变-时间曲线及岩石蠕变速率，总结分析SγJH经历饱水-失水循环作用后蠕变性质的变化，探究了饱水-失水循环作用对岩石蠕变性质影响的机理。

2 三轴蠕变试验

2.1 岩样制作与试验准备

现场采取钻孔取芯的方法对蚀变岩SγJH进行岩样采集，岩石工程地质特征如表1所示。

表1 岩石工程地质特征Table 1 Geological characteristics of rock

根据含水率试验结果，SγJH岩样在浸水48 h状态下和浸水24 h相比含水率仅提高0.04%，综合考虑确定试验饱水-失水循环模拟时间为浸水24 h后烘干12 h，确定烘干温度为70 ℃。

加工岩样成标准岩样(高为100 mm，直径50 mm)，剔除外观上有明显层理和裂痕的岩样，再通过声波仪测定岩样波速，选取有代表性的岩样作为试验岩样。将岩样在水中浸泡24 h后取出，置于烘箱内12 h至恒重，为一次饱水-失水循环模拟；根据饱水-失水循环模拟方法制作不同循环次数的岩样试件，即SγJH-0为自然状态，SγJH-1为循环1次，SγJH-5为循环5次，SγJH-15为循环15次。

2.2 试验方案

目前岩土体压缩蠕变的试验方法包括分别加载和分级加载2种方法。本次岩石三轴蠕变试验采用分级加载法，数据处理采用陈氏加载处理法。岩石蠕变试验采用RLJW-2000型微机控制岩石伺服三轴、剪切(蠕变)压力试验机。

将不同饱水-失水循环次数(1，5，15次)下的岩样，在2 MPa围压条件下进行蠕变试验。岩样的轴向压力按照分级加载方式进行，参照相应围压下三轴试验数据，按照三轴抗压强度的20%，30%，45%，60%，75%施加轴向分级荷载，轴向分级荷载等级如表2。

3 试验数据及分析

3.1 自然状态岩石蠕变性质分析

3.1.1 自然状态岩石蠕变应变-时间曲线分析

SγJH-0三轴蠕变试验轴向及侧向应变-时间全过程曲线如图1所示。

图1 SγJH-0在各级荷载作用下的应变与 时间全过程曲线Fig.1 Complete curves of strain vs. time of SγJH-0 under different levels of loading

由图1可知：

(1) SγJH-0的蠕变应变-时间曲线分为瞬时蠕变、稳定蠕变以及加速蠕变3个阶段。当应力水平较低时，蠕变曲线只出现前2个阶段，只有应力水平较高时才会出现加速蠕变阶段。

(2) 在施加各级荷载的瞬间，SγJH-0将会进入瞬时蠕变阶段，该阶段曲线接近直线，即岩石处于弹性变形状态。

(3) 在施加各级荷载的瞬间，SγJH-0所产生的瞬时应变量是不相同的。SγJH-0在不同加载等级下，产生的瞬时应变量随着加载荷载的增大而增大；随着荷载加载级别的提高，岩石对应的稳定蠕变阶段所经历的时间逐渐变短。

3.1.2 自然状态岩石蠕变速率分析

经过对SγJH-0三轴蠕变试验数据的处理，可以得到各级轴向荷载作用下的蠕变速率曲线图，特别针对第5级荷载加载过程中SγJH-0蠕变速率进行分析，SγJH-0轴向蠕变速率曲线如图2所示。

图2 SγJH-0轴向蠕变速率曲线(第5级荷载)Fig.2 Curve of axial creep rate vs. time of SγJH-0 (under the fifth level of loading)

(1) 与蠕变应变-时间曲线蠕变阶段对应，前4级轴向荷载作用下只有瞬时蠕变速率阶段和稳定蠕变速率阶段。在低应力水平作用下，瞬时蠕变速率随着时间的增长很快减小，直至减小为0，在高应力水平作用下瞬时蠕变速率减小至某一个常数。

(2) 不同加载级别稳定蠕变阶段曲线的斜率随着应力水平的增加变大，即轴向稳态蠕变速率随着轴向荷载的提高而逐渐增大。

(3) 在第5级轴向荷载作用下，SγJH-0出现了加速蠕变速率阶段，该阶段应变-时间曲线斜率迅速增大，岩石试件发生蠕变破坏。

3.2 饱水-失水循环作用下岩石蠕变性质分析

3.2.1 饱水-失水循环作用下岩石蠕变应变-时间曲线分析

根据不同次数饱水-失水循环(SγJH-1，SγJH-5，SγJH-15)岩石蠕变试验结果，绘制岩石蠕变曲线如图3。

图3 SγJH轴向应变、侧向应变与时间全过程曲线Fig.3 Complete curves of axial strain and lateral strain of SγJH vs. time

对试验数据分析得到：与自然状态相同，饱水-失水循环作用下，SγJH的蠕变全过程曲线经历了瞬时弹性变形、减速蠕变、稳定蠕变和加速蠕变4个阶段，在较低的轴向荷载作用下，只经历前3种阶段；在轴向荷载接近或达到岩石临界破坏值时才依次经历4种蠕变阶段。

饱水-失水循环作用下，SγJH蠕变特性更为显著，有以下规律:

(1) 相同荷载等级下，随饱水-失水循环次数增加，SγJH轴向及侧向蠕变应变不断增加；相邻饱水-失水循环次数下的轴向蠕变应变提高最多31%，侧向蠕变应变提高33%。

(2) 随饱水-失水循环次数增加，瞬时弹性变形阶段应变增加明显，饱水-失水循环15次后瞬时弹性应变较自然状态提高了54.3%；随饱水-失水循环次数增加，稳定蠕变阶段应变增加同样非常明显，饱水-失水循环15次后相邻荷载等级下蠕变应变最高提高了24.3%。

(3) 随饱水-失水循环次数增加，SγJH蠕变总应变不断增加，可达到三轴压缩极限应变的80%以上，明显高于自然状态下的58%。

3.2.2 饱水-失水作用下岩石蠕变速率分析

经过对SγJH三轴蠕变试验数据的处理，可以得到各级轴向荷载作用下的蠕变速率曲线图，特别针对第5级荷载加载过程中SγJH蠕变速率进行分析，不同饱水-失水循环次数下(SγJH-1，SγJH-5，SγJH-15)试件轴向蠕变速率曲线如图4所示。

图4 不同饱水-失水循环次数下试件轴向 蠕变速率曲线(第5级荷载)Fig.4 Curves of axial creep rate under the fifth level of loading with different saturation-dehydration cycles

对试验数据分析得到：与自然状态相同，不同饱水-失水循环次数下的蠕变速率曲线包括。初期蠕变速率、稳态蠕变速率和加速蠕变速率3个阶段，前4级轴向荷载下SγJH经历了初期蠕变速率、稳态蠕变速率2个应变速率变化阶段；在第5级轴向荷载下经历了初期蠕变速率、稳态蠕变速率和加速蠕变速率3个阶段。

不同饱水-失水循环次数下岩石SγJH蠕变速率曲线有以下规律：

(1) 同自然状态一样，饱水-失水循环作用下岩石SγJH在低应力状态下蠕变速率先出现无规律的波动后总体上趋于零或稳定值，伴有局部波动；随着饱水-失水循环次数增加，岩石SγJH蠕变速率的无规律波动较自然状态更加明显；随饱水-失水循环次数的增加，稳态蠕变阶段时间缩短，加速蠕变速率增长更为迅速，破裂过程更加短暂。

(2) 稳态蠕变速率不再为0，而是随饱水-失水循环次数增加不断提高，SγJH-15第5级荷载作用下稳态蠕变速率达到29.2×10-6/h。

(3) 随饱水-失水循环次数增加，在施加各级轴向荷载的瞬时，初期蠕变速率加速度亦有所提升。

3.3 水岩作用对露天矿坑岩石力学性质损伤

通过电镜对经历不同饱水-失水循环次数的SγJH进行扫描，细微观角度进一步分析水岩作用对矿坑岩石损伤机理，1 000倍电镜扫描如图5。

图5 不同饱水-失水循环次数的SγJH 电镜扫描图片Fig.5 Images of electron microscope scanning of SγJH under different saturation-dehydration cycles

因为露天矿坑岩石SγJH相对于花岗岩等未蚀变或蚀变程度低的岩石有着更多的微缺陷或不均匀性，在饱水-失水循环作用下岩石SγJH中的微裂隙、微缺陷等进一步发育，导致轴向应变不均匀波动。岩石SγJH的轴向应变和轴向应变速率曲线在饱水-失水循环作用下偏离理论数据，波动增大，其局部应变曲线段和应变速率曲线段发生了微小波动和突变现象相应增加，而以SγJH-15的这种微小波动和突变现象更为剧烈。

造成这种现象的原因是由于饱水-失水过程中，岩石SγJH内部结构存在非均质性，从而引起岩样的微观弱化和破裂，使得原有的应力平衡被打破，从而造成岩石变形曲线产生了不规则波动和突变。

4 结 论

本文以仓上露天矿坑为工程背景，考虑水位升降对边坡稳定性影响，对该地区蚀变带岩样进行了三轴蠕变试验，对比不同饱水-失水循环次数下岩石蠕变应变-时间曲线及岩石蠕变速率，总结分析SγJH经历饱水-失水循环作用后蠕变性质的变化，探究了饱水-失水循环作用对岩石蠕变性质影响的机理，所得结论如下：

(1) 蠕变形变方面，SγJH的蠕变全过程曲线经历了瞬时弹性变形阶段、减速蠕变、稳定蠕变和加速蠕变4个阶段，在较低的轴向荷载作用下，只经历前3种阶段；在轴向荷载接近或达到岩石临界破坏值时才依次经历4种蠕变阶段。

(2) 蠕变速率方面，SγJH蠕变经历了初期蠕变速率、稳态蠕变速率和加速蠕变速率3个阶段，前4级轴向荷载下SγJH经历了初期蠕变速率、稳态蠕变速率2个应变速率变化阶段；在第5级轴向荷载下经历了初期蠕变速率、稳态蠕变速率和加速蠕变速率3个阶段。

(3) 相同荷载等级下，随饱水-失水循环次数增加，SγJH轴向及侧向蠕变应变不断增加；相邻饱水-失水循环次数下的轴向蠕变应变提高最多31%，侧向蠕变应变提高33%；SγJH-15瞬时弹性应变较自然状态提高了54.3%，相邻荷载等级下蠕变应变最高提高了24.3%；SγJH蠕变总应变不断增加，SγJH-15可达到三轴压缩极限应变的80%以上，明显高于自然状态下的58%。

(4) 经历饱水-失水循环后，SγJH稳态蠕变速率不再为0，而是随饱水-失水循环次数增加不断提高，SγJH-15第5级荷载作用下稳态流变速率达到29.2×10-6/h；随饱水-失水循环次数增加，在施加各级轴向荷载的瞬时，初期蠕变速率加速度亦有所提升。

(5) 水岩作用下岩石力学性质变化机理研究方面，由于SγJH内部结构的非均质性，在饱水-失水循环作用下岩样发生微观弱化和破裂，使得原有的应力平衡被打破，从而造成岩石变形曲线产生了不规则波动和突变。

[1] 姜永东, 阎宗岭, 刘元雪, 等. 干湿循环作用下岩石力学性质的实验研究[J]. 中国矿业, 2011, 20(5): 104-106.

[2] 秦 哲. 水岩作用下仓上露天矿岩质边坡破坏机理与稳定性研究[D].山东青岛：山东科技大学, 2015.

[3] 刘新荣, 傅 晏, 王永新, 等. 水-岩相互作用对库岸边坡稳定的影响研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(3): 613-616.

[4] 宋勇军, 雷胜友, 毛正君, 等. 干燥和饱水状态下炭质板岩力学特性试验[J]. 煤炭科学技术, 2014, 42(10): 48-52.

[5] 李江腾,郭 群,曹 平,等. 低应力条件下水对斜长岩蠕变性能的影响[J]. 中南大学学报(自然科学版),2011,(9):2797-2801.

[6] 曹 平, 杨 慧, 江学良, 等. 水岩作用下岩石亚临界裂纹的扩展规律[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2010, 41(2): 649-654.

[7] 王新刚. 饱水-失水循环劣化作用下库岸高边坡岩石流变机理及工程应用研究[D]. 武汉: 中国地质大学, 2014.

[8] 王永新. 水岩相互作用机理及其对库岸边坡稳定性影响的研究 [D]. 重庆: 重庆大学, 2006.

[9] 刘业科. 水岩作用下深部岩体的损伤演化与流变特性研究[D]. 长沙:中南大学, 2012.

[10]杨 逾, 李 盈, 周小科. 基于西原加速模型的煤岩蠕变试验研究[J]. 煤炭学报, 2014, 39(11): 2190-2194.

[11]范秋雁,阳克青,王渭明. 泥质软岩蠕变机制研究[J]. 岩石力学与工程学报,2010,(8):1555-1561.

(编辑：王 慰)

Creep Curve of Rock at Open-pit Slope underWater-rock Interaction

QIN Zhe1,2,FU Hou-li3,CHENG Wei-min1，2,YU Yan-bin1,2

(1.State Key Laboratory Breeding Base of Mining Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China; 2.School of Mining and Safety Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 3.School of Architecture,Linyi University,Linyi 276000,China)

In the aim of investigating the long-term effect of water level fluctuation on slope stability, rock samples from Cangshang open-pit slope in Laizhou City were selected for triaxial creep test under different saturation-dehydration cycles. By analyzing creep strain-time curves and creep rate curves of SγJH, the creep properties of slope rock after saturation-dehydration cycles were explored.Furthermore, SγJH rock samples after different cycles were scanned by electron microscopy to analyze the damage mechanism of rock under water-rock interaction in microscopic scale.Results indicate that, 1) along with the increasing of saturation-dehydration cycles, axial creep strain increased up to 31%, and the lateral creep strain increased by 33% under adjacent cycle times; 2)instantaneous elastic strain of SγJH-15 improved by 54.3% than that of SγJH-0,creep strain at adjacent load level increased by 24.3% and total creep strain of SγJH reached 80% or above of limit strain in triaxial compression test;3) with the increasing of saturation-dehydration cycles, steady creep rate became nonzero and steady rheological rate of SγJH-15 at the fifth level of loading reached up to 29.2×10-6h;4)at the moment of applying axial load at all levels,initial creep rate acceleration also increase.In the research field of mechanical properties of rock under water-rock interaction, microscopic weakening and rupture occurs in rock samples under the cycle action due to heterogeneous internal structure of SγJH. Hence the original stress balance is broken, resulting in irregular fluctuations and abrupt change of rock deformation curve.

water-rock interaction；open pit；rock mechanics；creep test；creep law

2015-12-14；

2016-01-07

国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目(U1261205)；国家自然科学基金面上项目(51574158)

秦 哲(1988-)，男，山东泰安人，讲师，博士后，主要从事岩石力学与地下工程方面的研究，(电话)0532-86057683(电子信箱)chin_sdust@hotmail.com。

于岩斌(1986-)，男，山东威海人，讲师，博士，从事矿山灾害防治方面的研究，(电话)0532-86057539(电子信箱)he_yyb@hotmail.com。

10.11988/ckyyb.20151059

2017,34(3):85-89

TU458

A

1001-5485(2017)03-0085-05