某工程地基岩体流变特性现场试验研究

白高峰，赵丰博，霍雨佳，姜 浩

（1.河北建研建筑设计有限公司，河北 石家庄 050022；2.深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172）

1 概 述

岩石的流变性是指岩石在外界荷载、温度等条件下呈现出与时间有关的变形、流动和破坏等性质，其本质是组成岩石的矿物组构（骨架）和结构面形态随时间不断调整，导致其应力、应变状态亦随时间而持续地变化[1]。流变是岩土工程变形失稳的重要原因之一。开展岩石流变特性研究，深入了解岩石流变变形及其破坏规律，对于基岩地基、边坡、隧洞等岩体工程建设具有十分重大的现实意义和经济价值。

1.1 工程背景

某工程地基地层岩性为志留系下统连滩群第五组（S1lne）沉积岩，为一套粉砂岩为主夹泥质粉砂岩、泥页岩或互层的地层序列。根据该项目前期工程活动，发现已建厂房地基因岩体流变所导致的地基沉降量较大，为预测拟建厂房的地基变形规律和沉降量，防止地基变形过大或失稳引发事故，开展了针对厂房地基岩体流变特性的现场试验研究。

1.2 研究现状

自从认识到岩石流变对工程建设的重要性以来，国内外学者对岩石的流变性进行了大量的研究，主要集中在室内流变试验和流变模型辨识两大方面。

国内外学者自18世纪30年代始，曾对岩石的流变性进行了大量室内试验研究[2-12]，掌握了许多岩石的流变特性与规律。但人类岩石工程的对象主要为岩体，现场的岩体流变试验更接近于工程实际条件，由于现场岩体流变试验耗时长、成本高，目前现场试验的研究成果有限。

岩石流变模型的研究是流变理论的重要组成部分，也是近几年学者研究的热点。通过模型可以把复杂的流变属性加以简化，以直观的方式表达出来，并为数值分析和计算处理提供方便。流变模型主要有经验模型、元件模型和损伤断裂模型[13-16]。

本次研究特别之处在于采用了现场岩体试验，防止了室内岩石试验未能考虑各种结构面的不足，试验条件更接近工程使用的受力状态。

2 现场流变试验

2.1 工程地质条件

（1）地层岩性

厂房地基地层岩性为志留系下统连滩群第五组（S1lne）沉积岩，为一套粉砂岩为主夹泥质粉砂岩、泥页岩或互层的地层序列。地基岩体自上而下风化程度依次为：强风化、中等风化和微风化。厂坪高程强风化层分布范围较小，主要为中等风化层。中等风化砂岩、泥质粉砂岩、泥页岩岩石坚硬程度分别属较坚硬、较软岩、软岩。

（2）地质构造

场地总体为单斜地层，岩层倾向北西，倾角较缓，约5°～20°。但是局部软弱岩层中发育有小范围的褶曲现象，局部地段受构造运动挤压影响，倾角变化较大，表现为揉皱强烈，揉皱的规模较小。

厂址区节理裂隙较为发育，节理裂隙总体上以剪性节理为主，节理面大部分平直闭合，节理面可见铁质浸染，一般延伸长度大于3 m。

2.2 试验过程及成果

本次研究在厂坪高程开展了三点流变试验，试验部位岩体分别为中等风化砂岩、中等风化泥质粉砂岩和中等风化泥页岩。各试验部位岩体性质见图1。

图1 试验点照片及岩体性质Fig.1 Test site photos and properties of rock mass

流变试验应力路径见图2。

图2 流变试验应力路径Fig.2 Stress path of rheological test

首先开展0.3 MPa应力水平下的加、卸载流变试验（基底设计荷载约为0.6 MPa，0.3 MPa为基底设计荷载的1/2）；之后再开展0.6 MPa应力水平下的加、卸载流变试验。0.6 MPa为基底设计荷载，该级试验为整个流变的重点，稳压时间也相对较长；最后开展1.2 MPa应力水平下的加、卸载流变试验（1.2 MPa为基底设计荷载0.6 MPa的2倍），该级流变试验时，泥页岩流变试验点因为反力不足，试验压力未能加载至 1.2 MPa，所以泥页岩流变试验点开展了2次0.6 MPa应力水平下的加载流变试验。

3个流变试验点的变形全过程曲线如图3～5所示。加压过程中岩体向下压缩变形为负，退压过程中岩体向上回弹变形为正。

图3 泥页岩流变试验点变形全过程曲线Fig.3 Curve of whole deformation process of mud shale rheological test point

图4 泥质粉砂岩流变试验点变形全过程曲线Fig.4 Curve of whole deformation process of argillaceous siltstone rheological test point

图5 砂岩流变试验点变形全过程曲线Fig.5 Curve of whole deformation process of sandstone rheological test point

泥页岩给出的变形全过程曲线（图 3）中包含了0.3 MPa加载、卸载，0.6 MPa加载、卸载，以及第二次 0.6 MPa加载过程。累计观测时间超过1 600 h（67 d）。

泥质粉砂岩给出的变形过程曲线（图 4）中包含了 0.6 MPa加载、卸载，1.2 MPa加载过程。0.3 MPa的加卸载过程曲线因为受外界影响较大，规律性较差，在上述流变过程曲线图中没有给出。给出的曲线部分累计观测时间超过1 500 h（63 d）。砂岩给出的变形过程曲线（图5）中包含了0.6 MPa加载、卸载，1.2 MPa加载、卸载过程。0.3 MPa的加卸载过程曲线同样因为受外界影响较大，规律性较差，在上述流变过程曲线图中没有给出。给出的曲线部分累计观测时间超过1 400 h（58 d）。

3 试验成果分析

3.1 成果曲线分析

图 6中给出的泥页岩流变过程曲线包含了0.3 MPa加、卸载过程。

图6 泥页岩在0.3 MPa应力水平下的加、卸载流变曲线Fig.6 Rheological curve of mud shale under loading and unloading at 0.3 MPa stress level

在0.3 MPa应力水平下，试验部位泥页岩表现出较明显的衰减流变特征，但是该段曲线形态较复杂。在流变试验过程中，由于温度变化、荷载补偿过程中的应力调整等原因，试验系统会产生一定的系统误差，此系统误差的量值是相对固定的。如果试验岩体的变形越大，该系统误差对试验结果的影响就越小。但是在0.3 MPa应力水平下，岩体的变形较小，此系统误差对试验结果的影响就较为显著。

在0.6 MPa应力加荷过程下（图7～9），泥页岩和泥质粉砂岩在瞬时变形后，很快即达到稳定变形，其减速蠕变过程大约历时100 h，而砂岩在此应力水平下，瞬时变形后，表现出较长的减速蠕变阶段，随后变形趋于稳定，其减速蠕变过程大约历时350 h。砂岩相较泥质粉砂岩和泥页岩，其减速蠕变阶段更为明显，达到稳定变形所需时间较长。

图7 泥页岩0.6 MPa应力水平下的加载流变曲线Fig.7 Rheological curve of mud shale under loading at 0.6 MPa stress level

图8 泥质粉砂岩0.6 MPa应力水平下的加载流变曲线Fig.8 Rheological curve of argillaceous siltstone under loading at 0.6 MPa stress level

图9 砂岩在0.6 MPa应力水平下的加载流变曲线Fig.9 Rheological curve of loading of sandstone under loading at 0.6 MPa stress level

在1.2 MPa应力加荷过程下（图10、图11），泥质粉砂岩和砂岩在瞬时变形完成后，都有明显的减速蠕变过程，然后变形趋于稳定。泥质粉砂岩至变形稳定大约历时 400 h，砂岩至变形稳定大约历时200 h，泥质粉砂岩较砂岩的减速蠕变时间较长。

图10 泥质粉砂岩在1.2 MPa应力水平下的加载流变曲线Fig.10 Rheological curve of loading of argillous siltstone under loading at 1.2 MPa stress level

图11 砂岩在1.2 MPa应力水平下的加载流变曲线Fig.11 Rheological curve of loading of sandstone under loading at 1.2 MPa stress level

各种岩性在不同应力水平下的卸荷过程均表现出弹性后效：卸荷后，首先出现瞬时弹性变形恢复，随后变形恢复速率逐渐变小并趋于零，最后趋于稳定。泥页岩卸荷后表现出大于起始状态的正变形，但正变形量很小，分析可能由于系统误差导致。砂岩和泥质粉砂岩卸荷后，都存在残余应变，且残余应变随荷载的增大而增大。

3.2 含水状态对试验的影响

以泥页岩在第一次0.6 MPa加载流变过程中的实测数据为依据，分析降雨对岩体流变的影响。图3中，在横坐标约500 h位置，泥页岩流变曲线中有一段因连续降雨导致的变形陡坎。将该段曲线单独取出、放大，如图12所示。

图12 泥页岩流变曲线中的降雨影响段Fig.12 Rainfall influence section in mud shale rheological curve

表 1中给出了那段时间厂区的天气状况记录表。对比流变观测曲线和天气状况，可以发现流变曲线形态与天气状况之间具有明显的对应关系。2015年1月27日之前，试验点变形一直较稳定，每天只是随着昼夜温差变化有小幅波动。但1月27日、1月28日连续2天降雨之后，雨水从板房周边渗入试验岩体内，导致岩体含水率增高。从1月29日凌晨开始，变形出现较明显变化，向下的沉降变形增加了约0.1 mm。1月29日降雨停止后，变形有小幅回弹，但是回弹形态较复杂，而且未能立即恢复至降前的变形水平。另外在影响程度上，连续2天的降雨导致泥页岩沉降变形增加了约0.1 mm，该试验点在0.6 MPa荷载作用下，总变形量约2.5 mm，降雨所导致的变形占前期总变形量的4%左右。

表1 天气记录表Table 1 Weather chart

对比泥质粉砂岩和砂岩流变试验点在同时间段的变形情况，发现泥质粉砂岩和砂岩流变受降雨的影响没有泥页岩明显。说明降雨或含水状态的变化主要影响泥页岩软岩的流变。泥页岩主要以泥质矿物为主，与水有更强的结合性，遇水有明显的软化性（中等风化泥页岩软化系数为0.25），所以会发生上述现象。

对比泥质粉砂岩和砂岩流变试验点在同时间段的变形情况，发现泥质粉砂岩和砂岩流变受降雨的影响没有泥页岩明显。说明降雨或含水状态的变化主要影响泥页岩软岩的流变。泥页岩主要以泥质矿物为主，与水有更强的结合性，遇水有明显的软化性（中等风化泥页岩软化系数为0.25），所以会发生上述现象。

3.3 流变模型辨识

考虑模型应为后续数值计算服务的实用性和简便性，本次流变试验模型采用常用的广Kelvin模型描述，该模型由虎克体与Kelvin体串联组成，即三参数广义Kelvin模型[17]，模型结构见图13。

图13 广义Kelvin模型示意图Fig.13 Schematic diagram of generalized Kelvin model

模型中各元件的物理意义如下：EH为弹簧的弹性模量，反映加卸载瞬时的弹性变形性质；E1为Kelvin体的弹性模量；η1为Kelvin体的黏滞系数，反映蠕变速率（η1越大，蠕变速率越小）。

三参量广义Kelvin蠕变模型的本构方程如下：

式中：ε为应变；σ为应力，MPa；EH为弹簧的弹性模量，MPa；E1为Kelvin体的弹性模量，MPa；η1为Kelvin体的黏滞系数，MPa·h；t为时间，h。

式（1）反映的是应力（σ）和应变（ε）之间的关系，现场流变试验获得的是荷载（P）和变形（w）之间的关系。要将式（1）中的应力（σ）-应变（ε）关系转换成荷载（P）-变形（w）关系，经过较复杂的数学、力学推导，相关研究可以参见参考文献[18]，得出基于三参量广义Kelvin模型的承压板法岩体载荷蠕变公式如下：

其中：A=EHEH1+6KEH+6KE1

式（2）中：w为承压板表面变形，mm；P为荷载，MPa；D为承压板直径，m；EH为瞬时模量，GPa；K为体积变形模量，GPa；μ为泊松比。

体变模量K与弹簧模量EH的转换关系如下：

3.4 流变参数反演

弹簧模量EH按下式计算：

式中：E0为瞬时弹性模量，按式（5）计算，计算时变形采用加卸载过程中的瞬时变形。

式中：μ为泊松比；P为试验压力，MPa；D为承压板直径，m；w为变形，mm。

流变本构模型中的弹性模量E1、黏滞系数η1依据按式（2）在实测蠕变曲线的基础上，采用非线性最小二乘法拟合优化求解。得到拟合曲线见图14～16。

图14 泥页岩蠕变试验曲线与蠕变方程拟合曲线Fig.14 Rheological test curve and fitting curve of mud shale

图15 泥质粉砂岩蠕变试验曲线与蠕变方程拟合曲线Fig.15 Rheological test curve and fitting curve of argillaceous siltstone

图16 砂岩蠕变试验曲线与蠕变方程拟合曲线Fig.16 Rheological test curve and fitting curve of sandstone

从图中可以看出，模型对实测曲线拟合效果较好，根据拟合结果，得出不同岩性的流变参数，见表2。

表2 广义Kelvin流变模型参数及瞬时模量与长期模量Table 2 Parameters of generalized Kelvin rheological model, instantaneous modulus and long-term modulus

表 2中给出了与广义 Kelvin模型相对应的地基岩体流变参数，还给出了地基岩体的瞬时模量E0和长期模量E∞。该成果参数可以直接带入三维地质数值计算模型开展流变数值计算，可以得到不同时刻地基岩体变形场、地基岩体变形达到基本稳定所需要的时间、地基岩体在加（卸）载完成时的瞬时变形和考虑流变变形的最终变形量。

4 结 论

（1）三种岩性在加载、卸载过程中都表现出一定的流变性，恒载下呈衰减蠕变特征：变形量随时间增长，但变形速率逐渐减小并趋于零。

（2）由于构成岩石矿物不同和岩石结构的差异，在蠕变过程中表现为，在低应力水平（0.6 MPa）荷载下，泥质粉砂岩和泥页岩比砂岩达到变形稳定所需蠕变时间短；在高应力水平（1.2 MPa）荷载下，泥质粉砂岩比砂岩达到变形稳定所需蠕变时间长。

（3）砂岩和泥质粉砂岩卸荷后，都存在残余应变，且残余应变随荷载的增大而增大。

（4）在恒荷载下，岩体含水率的变化对软岩泥页岩变形影响较明显，但对泥质粉砂岩和砂岩的变形影响较小。

（5）采用三参数广义Kelvin模型，对流变试验曲线拟合，拟合效果较好，得出了地基岩体的各项流变参数。