基于蠕变力学试验的岩石长期强度研究

刘 颖，陈 芳，邹晨阳

(1.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；2.江西省水工安全工程技术研究中心，江西 南昌 330029)

0 引 言

大型水电工程项目在建设过程中，为布置枢纽建筑，满足施工需要，势必会因挖掘而形成高陡斜坡。如某大型水利枢纽工程右岸开挖形成的边坡高达97 m，开挖后稳定性差，在开挖后一段时间坡体出现裂缝，2015年5月，坡体出现张拉裂缝，裂缝变形最大为21.35 mm；2016年12月，坡体裂缝变形达51.29 mm，坡体裂缝随时间增长而增加。以上现象表明，斜坡岩石表现出一定的时效变形特征，很多学者对此进行了研究。赵永辉、李铀、秦哲等[1-6]对饱和与干燥状态下岩石单轴流变特性进行了分析；代伟、范秋雁等[7-8]开展了不同风化程度下泥岩、软岩在分级加载下的蠕变力学特性研究。总体来看，关于岩石蠕变力学试验研究主要集中在：一是，岩石轴向变形与时间的关系；二是，对软岩的蠕变力学特性研究。而对于硬岩径向变形与时间的关系，以及岩石轴向、径向蠕变速率与时间的关系研究较少。

本文以某大型水利枢纽工程右岸边坡表面出露的砂岩为研究对象，在对该类岩石进行岩样鉴定的基础上，通过开展饱和与干燥条件下的蠕变力学试验，分析岩石的蠕变变形、蠕变速率变化特征，并依此推断岩石的长期强度，以期为工程后期监测成果分析、工程防灾减灾提供科学依据。

1 试验设计

1.1 岩石样品鉴定

为了解岩石的矿物成分，采用Leitz-ORTHOPLAN显微镜及D/max-2500PC型x射线衍射仪，进行岩样镜下鉴定及衍射分析。结果表明，岩样发生了变质作用，但原岩结构构造尚可辨认，具层状构造，变质细粒砂状结构。碎屑呈次棱角状，由于变质作用，边缘不圆滑，粒径0.03～0.15mm，细粒砂状结构为主，分选较好。碎屑成分主要是石英、叶腊石、云母，可见少量钾长石、高岭石。样品薄片见图1。

图1 样品薄片

1.2 试验设计

本次岩石单轴蠕变试验采用RLJW-2000微机控制岩石三轴、剪切蠕变伺服仪，通过分级加载法进行。试验中，将岩石加工成标准圆柱形，制备饱和和干燥试样各1组，岩石试样编号、几何尺寸、含水状态见表1。

表1 岩石试样编号、几何尺寸、状态

2 试验结果分析

2.1 岩石蠕变变形

在岩石单轴蠕变试验中，干燥试样共施加8级轴向荷载，分别为3.5、7.0、10.5、14.0、17.5、21.0、24.5 MPa和29.5 MPa，在29.5 MPa轴向应力作用下，试样发生蠕变破坏，每级加载时间约100 h，整个蠕变试验持续700 h；饱和试验共施加6级轴向荷载，分级轴向应力分别为3.5、7.0、10.5、14.0、17.5 MPa和20.5 MPa，在20.5 MPa轴向应力作用下，试样发生蠕变破坏，每级加载时间约100 h，整个蠕变试验持续500 h。岩样分级加载蠕变见图2。

图2 岩样分级加载蠕变

由于采用了分级加载方法，为将岩石分级加载蠕变曲线转变为分别加载蠕变曲线，采用Chen[9]的加载方法，对岩石的蠕变荷载数据进行叠加，干燥、饱和岩样轴向分别加载蠕变曲线及径向分别加载蠕变曲线分别见图3、4。

图3 干燥试样分别加载蠕变

从图3、4可知，在各级应力水平作用下，干燥和饱和岩样的轴向与径向蠕变变形规律表现出一般性，应变由瞬时应变和蠕应变2部分组成。表2、3为不同应力作用下试样的轴向、径向瞬时应变、蠕应变以及总应变情况。

从表2、3可知，在相同应力作用下，饱和试样的轴向和径向瞬时应变、蠕应变及总应变均大于干燥试样。通过计算饱和与干燥试样各应变比值可知，干燥试样的轴向瞬时应变是饱和试样的 14.27%～19.58%，蠕应变是饱和试样的20.24%～31.73%，总应变是饱和试样的16.97%～19.75%。干燥试样的径向瞬时应变是饱和试样的19.48%～32.81%，蠕应变是饱和试样的55.81%～71.54%，总应变是饱和试样的40.62%～61.61%。

表2 不同应力作用下试样的轴向瞬时应变、蠕应变以及总应变

注：比值为干燥试样应变/饱和试样应变

表3 不同应力作用下试样的径向瞬时应变、蠕应变以及总应变

图4 饱和试样分别加载蠕变

从以上分析可看出，饱和与干燥试样的轴向与径向应变差别均表现为，蠕应变相差最大，总应变次之，瞬时应变最小。这也从一定程度反映出水对砂岩的蠕变特性影响最大，岩石变形会表现得更为明显。

2.2 岩石蠕变速率

图5 蠕变速率与时间的关系

为进一步分析砂岩的蠕变速率特性，通过计算图3、4中蠕变曲线不同时刻的试验数据点斜率，可以得到不同应力作用下砂岩蠕变速率与时间的关系。图5为最后一级应力水平下砂岩的轴向与径向的蠕变速率与时间的关系曲线。

从图5可知，在最后一级应力作用下，干燥岩样轴向蠕变速率从0.101/h降低至8.56×10-4/h，径向蠕变速率从0.707/h降低至9.12×10-4/h，试样的轴向蠕变速率小于径向蠕变速率；饱和试样轴向蠕变速率从0.318/h减小至7.39×10-4/h，而径向蠕变速率从0.369/h减小至7.93×10-4/h。

从以上分析可以看出，饱和试样蠕变速率大于干燥试样蠕变速率，且试样的径向初始蠕变速率大于轴向初始蠕变速率，径向稳定蠕变速率略大于径向稳定蠕变速率。这也从一定程度反映出砂岩的蠕变破坏主要受砂岩径向蠕变破坏的影响。

2.3 岩石蠕变长期强度

根据砂岩蠕变破坏特性，可得到砂岩在干燥与饱和状态下的蠕变长期强度。其中，饱和试样蠕变长期强度为17.5 MPa，干燥试样蠕变长期强度为24.5 MPa，受水的作用影响，饱和试样的蠕变长期强度较干燥试样降低了28.6%。

3 结 语

本文基于岩石蠕变力学试验，对干燥与饱和状态下的岩石进行了长期强度研究，得出以下结论：

(1)受水的作用影响，砂岩的变形特征表现得更为明显，比较岩石瞬时应变、蠕应变及总应变，干燥和饱和试样的蠕应变相差最大，瞬时应变最小。因此，水对砂岩的蠕应变影响最为明显。

(2)受水的作用影响，砂岩的蠕变长期强度大幅降低，饱和试样的蠕变长期强度是干燥试样的71.4%。因此，在工程施工及设计中应考虑该类岩石工程的运行时效特性。

(3)在最后一级应力水平作用下，岩石径向蠕变较轴向蠕变率先进入加速蠕变阶段，径向的初始蠕变速率、稳态蠕变速率以及加速蠕变速率均大于轴向的蠕变速率。因此，径向蠕变可用于判断岩石是否发生蠕变破坏，应加强对岩石径向蠕变的监测。