荷载与水共同作用对红砂岩蠕变特性的影响

于超云，唐世斌，唐春安

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连 116024)

水往往是导致岩体工程结构失稳破坏的重要原因。在水利工程中，库岸边坡失稳破坏发生在蓄水期约占40%～49%，发生在排水期约占30%[1-3]；在采矿工程中，由于地下水位回升，废弃矿井的遗留矿柱发生蠕变失稳破坏，导致采空区顶板冒落及地表塌陷事故[4-5]；因此，开展水对岩石力学特性影响的研究对岩体工程的稳定性评价具有重要的指导意义[6]。

岩石遇水作用后呈现出更加显著的流变特性。比如，Lajtai等[7]研究了水对花岗岩时效性变形特性的影响，表明干燥花岗岩遇水后其时效性变形显著增加。Kranz等[8]通过试验研究表明饱和花岗岩的蠕变失效时间比自然状态下缩短了三个数量级。朱合华等[9]通过对干燥和饱和状态下晶玻屑熔结凝灰岩进行单轴压缩蠕变试验发现两者的极限蠕变变形量相差5～6倍，且饱和岩样进入稳定蠕变阶段的时间明显延长。黄小兰等[10]对泥岩进行不同含水条件下的蠕变试验发现含水量的增加导致泥岩蠕变变形和稳态蠕变率的增加显著。

目前的研究侧重在不同饱和度或者含水状态下岩石的蠕变力学特性，但是对岩石与水直接接触，即岩石在持续荷载与水共同作用条件下的蠕变特性研究还比较少。在实际工程中，比如库岸岩质边坡在受荷载作用的同时还受到水的持续作用。因此，为了更加准确地分析和判断岩体工程的长期稳定性，有必要进一步开展真实水环境下的岩石蠕变力学试验，从而获得岩石试件在持续荷载与水环境共同作用下的蠕变力学参数。试验结果对岩体工程长期稳定性分析具有一定的参考价值。

本文以红砂岩为试验对象，分别对表面密封的干燥和饱水试件，以及饱和后持续浸水试件进行单轴压缩蠕变试验，通过对比不同水环境条件下红砂岩的蠕变力学参数，从而综合分析荷载与水共同作用对红砂岩力学特性的影响。最后通过分析饱和红砂岩试件在持载前后吸水性能的变化情况，揭示持载与水共同作用对红砂岩蠕变性质的影响机理。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料及试件制备

试验所用岩石取自湖南地区的细粒红砂岩，无层理、条纹和裂纹，完整性及均匀性良好。利用X射线衍射仪对其进行矿物衍射图谱分析得知，该红砂岩主要由石英(75%～80%)、长石(10%～15%)、方解石(5%～10%)和菱铁矿(2%～3%)组成，黏土矿物极少。将现场取来的大块岩样经过钻孔取芯、切割、打磨加工成直径50 mm，高度100 mm 圆柱形标准试样。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。

首先将全部试件在105℃的干燥箱中烘24 h，冷却至室温后，然后将试样分为3组，每组8～12个试样。一组干样直接进行表面蜡封，编号为“干燥-*”，其中“*”表示试件序号，比如1、2、3……。一组干样在真空饱和装置中进行强制饱和，取出后表面蜡封，制成饱和试件编号为“饱和-*”；剩余一组干样先进行饱和，但是表面不作处理，然后直接浸于环境试验箱中(见图1)，编号为“浸水-*”。各组试件的基本力学参数如表1所示。

表1 红砂岩试件的基本力学性质

1.2 试验设备

本次试验采用中科院武汉岩土所自主研制的RMT-150系列的岩石力学试验机。为真实反映岩石受到荷载与水共同作用的情况，本文设计一种环境试验箱，箱体筒壁选用透明的有机玻璃(PMMA)以便于观察岩样的破坏形态，箱体底座选用不锈钢板，用不溶于水的粘合剂将筒壁与底座粘合成一体。在对浸水试件进行单轴压缩蠕变试验时，将该环境箱与岩石力学试验机组合成为环境蠕变试验加载系统，如图1所示。

1.3 试验方案

(1) 为了考察荷载与水共同作用对红砂岩蠕变力学特性的影响，对浸水试件进行不同荷载等级下的蠕变试验，并同时对表面密封的干燥和饱和试件进行对比试验。本次蠕变试验采取单级加载的方式，大致分为4～5个荷载等级。为了得到完整的三阶段蠕变过程曲线，参照相应单轴压缩强度下的试验数据(见表1)，每级荷载的大小约为其单轴抗压强度的75%、80%、85%、90%和95%。具体施加给各组试件的荷载和应力水平见表2。

表2 浸水、饱和及干燥红砂岩试件的蠕变试验结果

(2) 为了探讨荷载与水共同作用对红砂岩力学特性的影响机理，选取4个饱和试件，计算初始饱和含水率，在恒定的应力水平下(80%)，即44.4 MPa，分别持载0 h、5 h、10 h和20 h，而后卸载将试件再次真空饱和，计算当下的饱和含水率。将持载前后的饱和含水率进行归一化处理。试验过程如图2所示。

1.4 单轴压缩蠕变试验

在进行单轴压缩蠕变试验时，启动试验机后采取力控制的方式加载，加载速率选择为0.025 MPa/s，当施加轴压到预设值时，保持轴压稳定，直至岩样完全破坏。如果在低应力水平下，试验持续48 h后，试件仍未发生破坏，则终止试验，进行下一级试验。试验中，试验机自带的力传感器和位移传感器会自动记录不同时刻的荷载、轴向和侧向变形等数据。自动采集的数据可与计算机实时交换，完全实现全过程数字化成图。

2 试验结果及分析

2.1 浸水、饱和及干燥红砂岩的蠕变特性

表2给出了浸水、饱和及干燥红砂岩试件的蠕变试验数据。

图3是浸水、饱和及干燥红砂岩试件的蠕变曲线。

从图3可以看出，在恒定应力水平下，试件的轴向应变随时间而逐渐增大，最终发生失稳破坏。此外，试件的破坏时间随着应力水平的增大而减小。以浸水试件为例，在40.3 MPa(75%σc)作用下，破坏时间是48.72 h，当增大到45.6 MPa(85%σc)时，破坏时间是5.21 h，当增大到51.0 MPa(95%σc)时，破坏时间仅为0.11 h，即试件在持载约7 min后发生破坏。在相同应力水平下，不同水环境下红砂岩试件的破坏时间不同，呈现出的趋势是浸水条件下的破坏时间最小，饱和次之，干燥状态的最长。比如在80%的应力水平下，浸水试件的破坏时间是17.79 h，饱和试件的破坏时间是21.87 h，干燥试件的破坏时间是51.43 h。

图4是与图3对应的蠕变应变率曲线。从图4中可以看出，在各级应力水平下，蠕变应变率随时间的变化分为三个阶段[11-12]：衰减阶段，即应变率随时间减小阶段；趋于稳定阶段，即应变率基本恒定；急剧增大阶段，即应变率随时间增加而迅速增大。分别取浸水、饱和及干燥试件在第二稳定阶段应变率的最小值作为稳态应变率，各级应力水平对应的稳态应变率见表2。

图5给出了不同试件的稳态应变率与应力在半对数坐标下的关系。从图5中可以发现，试件的稳态应变率随着应力的增大而线性增大。以浸水试件为例，当应力为40.3 MPa(75%σc)时，应变率为0.01184/h，当增大到45.6 MPa(85%σc)时，应变率为0.22244/h，是前者的18.8倍，当增大到51.0 MPa(95%σc)时，应变率增大为6.28686/h，是前者的28.3倍。值得注意的是，在相同应力作用下，以51.0 MPa为例，浸水试件的应变率为6.28686/h，饱和试件的应变率为0.86966/h，前者是后者的7.2倍。而且在相同应力水平下，比如80%，浸水试件的应变率是0.05022/h，是饱和试件应变率0.03353/h的1.5倍，是干燥试件应变率0.008/h的6.3倍。

表2给出了不同试件的破坏应力及其对应的破坏时间。从表2中可以看出，岩石的破坏应力具有随应力作用时间的延长而降低的性质。在岩石力学中，这种性质可用指数型经验方程[13]表示：

σt=A+Be-αt

(1)

式中：A，B和α均为常数。

当t=0时，σt=A+B，令A+B=s0，当t→∞时，σt=A，并且把此时的强度称为岩石的长期强度，令A=s∞，故有B=s0-s∞，式(1)方程可写为：

σt=s∞+(s0-s∞)e-αt

(2)

本文将有限时间内取得的蠕变试验结果，通过长期强度的经验公式(式(2))拟合进行时间上的延拓，从而获得不同水环境下红砂岩试件的长期强度，结果如图6所示。从图6中可以看出，浸水、饱和及干燥红砂岩的长期强度分别是40.58 MPa、44.44 MPa和83.03 MPa，分别是相应条件下单轴抗压强度的75.6%、80%和77.8%。由此看出，浸水试件的长期强度最小。这说明在荷载与水共同作用下使得红砂岩的长期强度进一步弱化。

2.2 饱和红砂岩持载前后的吸水性能

从上述可知，与表面密封的饱水和干燥试件相比，在荷载与水共同作用下的红砂岩表现出更加显著的蠕变特征。为了揭示导致这种结果的原因，分别对4个饱和试件施加相同的应力水平和不同的持载时间，分析了持载前后饱和试件吸水性能的变化情况，结果如图7所示。为了表述方便，这里将饱和含水率进行归一化处理，变量α是持载前的饱和含水率与持载后饱和含水率的比值。从图7可以看出，持载较短的时间内，α值变化不大，但是当持载时间为10 h和20 h时，其变化非常显著。

持载前后饱和红砂岩含水率的变化，说明在恒定荷载作用时间内岩石的吸水性能发生了改变。吸水性能可间接反映岩石内部裂隙分布。吸水性能越强，含水率越大，说明岩石内部裂隙越发育。已有研究表明，脆性岩石在恒定应力下产生与时间相关的变形，即蠕变，其主要机制与岩石内部亚临界裂纹的扩展有关[14-16]。Heap等[17]开展的实验研究已证实岩石蠕变实验中的声发射活动与蠕变各阶段的裂纹扩展存在对应关系。在第一蠕变阶段，裂纹趋于张开但没有扩展；岩石材料的蠕变裂纹扩展发生在蠕变过程的后两个阶段，即稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。裂纹稳定扩展发生在稳态蠕变阶段；不稳定的裂纹扩展发生在加速蠕变阶段。结合图4(b)可知，在80%应力水平下，当持载时间t=5 h时(第1个箭头所示)，试件处在第一衰减蠕变阶段；当t=10 h时(第2个箭头)，岩石试件处在第二稳定蠕变阶段；当t=20 h时(第3个箭头)，试件进入第三加速蠕变阶段，卸载后除去其表面的密封套，发现岩石表面出现可见裂缝，裂缝方向与轴向应力一致(见图7虚线框)。从裂纹扩展的角度来看，这个结果与α值变化十分一致。

对于浸水条件下的饱和试件来说，受到荷载和水的共同作用，在持载的过程中，裂纹不断增多导致产生与时间相关的变形，促使环境中的水不断迁移到新裂隙尖端，加剧了水的应力腐蚀作用，这是一个水分迁移、应力腐蚀以及损伤演化相互耦合作用的过程。这也是浸水试件的长期强度小于但应变率大于饱和试件的原因。这个结论在岩体工程中具有重要的指导意义。比如，有现场监测数据表明[18]，水库在蓄水完成一段时间后，库岸岩质边坡内仍会发生微震事件。结合本文的试验结果，作者认为导致这种现象的原因是，即便在水位线以下的饱和岩体长期受到浸水作用，其长期强度会进一步降低。因此，在进行岩体工程长期稳定性分析时，建议采用环境蠕变参数或者将饱水状态的蠕变力学参数进一步做适当折减。

3 结 论

本文通过对浸水、饱和及干燥试件开展单轴压缩蠕变试验，并且对比分析持载前后饱和试件的吸水性能的变化情况，得到了如下结论：

(1) 在恒定荷载与水共同作用下，红砂岩的蠕变力学特性显著增强，表现在长期强度降低，应变率增大，失效时间缩短。

(2) 岩石的蠕变变形伴随着新裂隙产生，浸浴在水中的岩石，水分持续运移到新裂隙中，进一步与岩石介质结合，加剧了水对岩石的物理力学作用。这是浸水试件的蠕变特性比表面密封的饱和试件更加显著的原因。

(3) 在岩体工程长期稳定性分析时，建议通过开展环境蠕变试验获得长期力学参数，或者将常规试验得到的数据进行适当折减。