郁培陽(yáng)，馬芹永,2

(1．安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2．安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

隨著地下巖體工程往深部發(fā)展，地下水對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)的影響越來(lái)越突出。研究表明，水是影響巖石蠕變特性的重要因素，會(huì)弱化巖石的力學(xué)性能，造成地下工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性降低。因此，研究水對(duì)地下巖體工程的蠕變特性的影響具有重大的工程意義。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)水對(duì)巖石蠕變特性的影響開(kāi)展了理論和試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[1]對(duì)飽水狀態(tài)下的多孔石灰?guī)r開(kāi)展三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明飽水石灰?guī)r發(fā)生脆性破壞且變形極??；文獻(xiàn)[2]提出了非飽和巖石熱力學(xué)統(tǒng)一蠕變模型，并驗(yàn)證了其對(duì)不同含水狀態(tài)下巖石蠕變曲線的適用性；文獻(xiàn)[3]對(duì)巴東軟弱夾層軟巖開(kāi)展三軸蠕變?cè)囼?yàn)，并探究不同含水率對(duì)軟巖蠕變特性的影響；文獻(xiàn)[4]對(duì)紅層軟巖開(kāi)展三軸蠕變?cè)囼?yàn)探究了水巖作用對(duì)紅層軟巖蠕變特性的影響。文獻(xiàn)[5]對(duì)干燥和飽水狀態(tài)下的隧道圍壓開(kāi)展蠕變?cè)囼?yàn)，探究了水對(duì)隧道圍巖蠕變特性的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[6]對(duì)風(fēng)干和飽水狀態(tài)下的花崗巖開(kāi)展單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，得出飽水后的花崗巖長(zhǎng)期強(qiáng)度降低，變形量和流變速率升高；文獻(xiàn)[7]對(duì)飽水狀態(tài)下的大理巖和綠片巖進(jìn)行三軸壓縮流變?cè)囼?yàn)，得出在不同圍壓作用下硬巖軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[8]對(duì)不同含水率砂巖開(kāi)展剪切蠕變?cè)囼?yàn)，探究了含水率對(duì)砂巖軟弱結(jié)構(gòu)面剪切蠕變的影響；文獻(xiàn)[9]對(duì)干燥和飽水狀態(tài)下的砂巖開(kāi)展剪切蠕變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)水增大砂巖的蠕變量和蠕變速率，并降低砂巖蠕變破壞強(qiáng)度值；文獻(xiàn)[10]對(duì)自然和飽水狀態(tài)下的深部斜長(zhǎng)角閃巖開(kāi)展分級(jí)加卸載蠕變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明，飽水狀態(tài)下試件的蠕變量、應(yīng)變速率大于自然狀態(tài)試件，瞬時(shí)強(qiáng)度、長(zhǎng)期強(qiáng)度低于自然狀態(tài)；文獻(xiàn)[11]對(duì)炭質(zhì)板巖開(kāi)展干燥和飽水狀態(tài)下的單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，探討了水對(duì)炭質(zhì)板巖蠕變特性的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[12]對(duì)重慶某地深部砂巖開(kāi)展高圍壓和高孔隙水壓下的蠕變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)在加載初期孔隙水壓力具有抑制巖石軸向變形的作用；文獻(xiàn)[13]通過(guò)對(duì)不同含水狀態(tài)下板巖開(kāi)展單軸蠕變?cè)囼?yàn)，得出巖石的瞬時(shí)彈性模量、黏性模量以及黏滯系數(shù)隨飽和度的增大而減?。晃墨I(xiàn)[14]對(duì)不同含水狀態(tài)下油頁(yè)巖進(jìn)行三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，并建立了非線性損傷蠕變模型；文獻(xiàn)[15]對(duì)不同含水條件下的紅層泥巖開(kāi)展三軸蠕變?cè)囼?yàn)探究含水率的紅層泥巖蠕變特性的影響；文獻(xiàn)[16]對(duì)邊坡巖石開(kāi)展三軸蠕變?cè)囼?yàn)探究水巖作用對(duì)邊坡巖石蠕變特性的影響。但較少涉及對(duì)深部巖石的研究，尤其是飽水后煤礦圍巖的蠕變特性研究。

為此，本文以朱集東礦粉砂巖為研究對(duì)象，采用分級(jí)加載方式，對(duì)飽水狀態(tài)下砂巖試件開(kāi)展單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，探究水對(duì)煤礦砂巖單軸壓縮蠕變特性的影響。

1 飽水狀態(tài)下粉砂巖蠕變?cè)囼?yàn)設(shè)計(jì)

1.1 巖石特性

試驗(yàn)所用巖樣為粉砂巖，呈淺灰色，密度為2.61g/cm3，取自淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集東礦西-13-1煤底板軌道大巷(南)-906m處。

1.2 蠕變?cè)囼?yàn)設(shè)備

借助巖石高溫高壓蠕變儀(ZYSS2000，長(zhǎng)春機(jī)械研究院)進(jìn)行煤礦粉砂巖單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)。該設(shè)備軸向載荷施加范圍為40～2 000kN，圍壓施加范圍為0～60MPa，溫度調(diào)控范圍為20～50℃，孔隙水壓力施加范圍為0～30MPa。

1.3 蠕變?cè)囼?yàn)設(shè)計(jì)

飽水狀態(tài)下煤礦粉砂巖單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，采用分級(jí)加載方式，軸向荷載施加7～9級(jí)。蠕變?cè)囼?yàn)前對(duì)自然狀態(tài)下的煤礦粉砂巖進(jìn)行常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)，得出其單軸抗壓強(qiáng)度為115.88MPa，以此作為蠕變?cè)囼?yàn)分級(jí)加載的依據(jù)，確定第一級(jí)荷載為煤礦粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度的40%，分級(jí)荷載增量為20kN，每級(jí)荷載持續(xù)24h，試驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，加載期間每隔0.1s采集一次，穩(wěn)壓期間每隔30min采集一次。為避免環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)在恒溫恒濕的蠕變實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。

2 飽水狀態(tài)下粉砂巖蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

2.1 軸向及側(cè)向蠕變變形分析

飽水狀態(tài)下粉砂巖軸向及側(cè)向蠕變曲線，如圖1所示。

圖1 飽水狀態(tài)下粉砂巖單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)曲線

從圖1可以看出，粉砂巖試件在各級(jí)應(yīng)力作用下均出現(xiàn)瞬時(shí)應(yīng)變和蠕變應(yīng)變，其總應(yīng)變隨應(yīng)力的逐級(jí)增加不斷增大。 粉砂巖試件在各級(jí)荷載作用

下，軸向和側(cè)向蠕變曲線較為相似，隨應(yīng)力的逐級(jí)增加，曲線的斜率逐漸增大，主要表現(xiàn)出減速蠕變和等速蠕變，減速蠕變段歷時(shí)較短，應(yīng)變隨時(shí)間增大較快，應(yīng)變速率隨時(shí)間逐漸減小，等速蠕變段歷時(shí)較長(zhǎng)，曲線以一定的斜率增長(zhǎng)。粉砂巖試件在最后一級(jí)應(yīng)力作用下發(fā)生蠕變破壞，軸向和側(cè)向均經(jīng)歷了減速蠕變段、等速蠕變段和加速蠕變段，并于加速蠕變段破壞。

2.2 加速蠕變階段分析

在最后一級(jí)應(yīng)力作用下，粉砂巖試件發(fā)生蠕變破壞，粉砂巖試件在該級(jí)應(yīng)力水平下的應(yīng)變及應(yīng)變速率隨時(shí)間的變化，如圖2所示。

(a) 軸向 (b) 側(cè)向圖2 飽水狀態(tài)下粉砂巖加速蠕變階段應(yīng)變及應(yīng)變速率與時(shí)間的關(guān)系

粉砂巖試件在最后一級(jí)應(yīng)力水平下軸向和側(cè)向發(fā)生蠕變破壞的規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為由減速蠕變階段經(jīng)等速蠕變階段發(fā)展到加速蠕變階段，其中減速蠕變階段和加速蠕變階段歷時(shí)較短，等速蠕變階段歷時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。在此過(guò)程中側(cè)向應(yīng)變速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向應(yīng)變速率。

2.3 體積蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

繪制粉砂巖試件蠕變過(guò)程中體積應(yīng)變隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖3所示，隨應(yīng)力水平的提高，粉砂巖的體積應(yīng)變由正值向負(fù)值轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)出由壓縮向擴(kuò)容轉(zhuǎn)化的過(guò)程，在前三級(jí)應(yīng)力的作用下，粉砂巖處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)75.76MPa時(shí)，粉砂巖開(kāi)始擴(kuò)容。隨應(yīng)力的不斷增大，粉砂巖擴(kuò)容越來(lái)越明顯。

圖3 飽水狀態(tài)下粉砂巖體積應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系

3 飽水狀態(tài)下粉砂巖蠕變?cè)囼?yàn)分析

3.1 瞬時(shí)應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系

為探究粉砂巖試件在各級(jí)應(yīng)力下軸向與側(cè)向瞬時(shí)變形的關(guān)系，作出瞬時(shí)應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系曲線，如圖4所示。粉砂巖的軸向、側(cè)向瞬時(shí)應(yīng)變隨應(yīng)力的逐級(jí)增加呈現(xiàn)出不同的增長(zhǎng)趨勢(shì)，軸向瞬時(shí)應(yīng)變呈近似線性增長(zhǎng)，側(cè)向瞬時(shí)應(yīng)變呈增長(zhǎng)速率逐漸增大的非線性增長(zhǎng)。隨應(yīng)力的增大，軸向與側(cè)向之間的應(yīng)變差值不斷減小，側(cè)向變形增長(zhǎng)趨勢(shì)隨應(yīng)力的增大越來(lái)越明顯，表明在試驗(yàn)過(guò)程中側(cè)向瞬時(shí)變形較軸向發(fā)展更快。

圖4 飽水狀態(tài)下粉砂巖瞬時(shí)應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系

3.2 蠕變應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系

繪制粉砂巖蠕變應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系曲線，如圖5所示。隨應(yīng)力的增大，軸向蠕變應(yīng)變前期變化平緩后期變化劇烈，側(cè)向蠕變應(yīng)變呈增長(zhǎng)速率逐漸增大的非線性增長(zhǎng)。在前幾級(jí)應(yīng)力水平作用下，相鄰應(yīng)力水平下軸向蠕變應(yīng)變變化不大而側(cè)向蠕變應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較為明顯，加載至最后一級(jí)時(shí)，均出現(xiàn)較大的蠕變變形，0.065 0×10-2和0.145 5×10-2，分別為各自蠕變應(yīng)變的最小值的9.83倍和21.03倍，由此可見(jiàn)，應(yīng)力的逐級(jí)增加對(duì)粉砂巖側(cè)向蠕變的影響比軸向蠕變要大。

圖5 飽水狀態(tài)下粉砂巖蠕變應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系

3.3 穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力的關(guān)系

為探究粉砂巖破壞之前軸向和側(cè)向蠕變速率隨應(yīng)力的變化趨勢(shì)，繪制粉砂巖穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應(yīng)力的關(guān)系曲線，如圖6所示。隨應(yīng)力的增大，軸向穩(wěn)態(tài)蠕變速率變化并不顯著，側(cè)向穩(wěn)態(tài)蠕變速率前期增長(zhǎng)較快后期趨于穩(wěn)定。在此過(guò)程中，側(cè)向穩(wěn)態(tài)蠕變速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向穩(wěn)態(tài)蠕變速率，表明粉砂巖側(cè)向蠕變發(fā)展速度較軸向更快。

圖6 飽水狀態(tài)下粉砂巖穩(wěn)態(tài)蠕變速率

3.4 等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作出粉砂巖蠕變過(guò)程中的等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖7所示，軸向等時(shí)曲線的間距隨應(yīng)力的逐漸增加變化較小，側(cè)向等時(shí)曲線的間距增加較為明顯；隨應(yīng)力水平和時(shí)間的增大，軸向、側(cè)向等時(shí)曲線呈現(xiàn)出凹向應(yīng)變軸的趨勢(shì)，軸向等時(shí)曲線由近似直線轉(zhuǎn)為折線，側(cè)向等時(shí)曲線呈斜率逐漸減小的曲線，表明在蠕變過(guò)程中粉砂巖側(cè)向的時(shí)效變形及非線性特性較軸向更明顯。

(a) 軸向

(b) 側(cè)向圖7 飽水狀態(tài)下粉砂巖等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

(1) 煤礦粉砂巖在各級(jí)應(yīng)力作用下，軸向和側(cè)向蠕變曲線較為相似，主要表現(xiàn)為減速蠕變和等速蠕變，其中減速蠕變段歷時(shí)較短，等速蠕變段歷時(shí)較長(zhǎng)；體積蠕變曲線表現(xiàn)出壓縮向擴(kuò)容轉(zhuǎn)化的特征。

(2) 隨應(yīng)力的逐級(jí)增大，煤礦粉砂巖的瞬時(shí)應(yīng)變、蠕變應(yīng)變及穩(wěn)態(tài)蠕變速率整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但應(yīng)力的增大對(duì)煤礦粉砂巖側(cè)向變形的影響比軸向變形要大。

(3) 粉砂巖蠕變過(guò)程中的等時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，表明粉砂巖側(cè)向的時(shí)效變形與非線性特性較軸向更明顯。