于超云，唐世斌，唐春安

(大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

水往往是導(dǎo)致巖體工程結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的重要原因。在水利工程中，庫(kù)岸邊坡失穩(wěn)破壞發(fā)生在蓄水期約占40%～49%，發(fā)生在排水期約占30%[1-3]；在采礦工程中，由于地下水位回升，廢棄礦井的遺留礦柱發(fā)生蠕變失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致采空區(qū)頂板冒落及地表塌陷事故[4-5]；因此，開(kāi)展水對(duì)巖石力學(xué)特性影響的研究對(duì)巖體工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)意義[6]。

巖石遇水作用后呈現(xiàn)出更加顯著的流變特性。比如，Lajtai等[7]研究了水對(duì)花崗巖時(shí)效性變形特性的影響，表明干燥花崗巖遇水后其時(shí)效性變形顯著增加。Kranz等[8]通過(guò)試驗(yàn)研究表明飽和花崗巖的蠕變失效時(shí)間比自然狀態(tài)下縮短了三個(gè)數(shù)量級(jí)。朱合華等[9]通過(guò)對(duì)干燥和飽和狀態(tài)下晶玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)發(fā)現(xiàn)兩者的極限蠕變變形量相差5～6倍，且飽和巖樣進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段的時(shí)間明顯延長(zhǎng)。黃小蘭等[10]對(duì)泥巖進(jìn)行不同含水條件下的蠕變?cè)囼?yàn)發(fā)現(xiàn)含水量的增加導(dǎo)致泥巖蠕變變形和穩(wěn)態(tài)蠕變率的增加顯著。

目前的研究側(cè)重在不同飽和度或者含水狀態(tài)下巖石的蠕變力學(xué)特性，但是對(duì)巖石與水直接接觸，即巖石在持續(xù)荷載與水共同作用條件下的蠕變特性研究還比較少。在實(shí)際工程中，比如庫(kù)岸巖質(zhì)邊坡在受荷載作用的同時(shí)還受到水的持續(xù)作用。因此，為了更加準(zhǔn)確地分析和判斷巖體工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，有必要進(jìn)一步開(kāi)展真實(shí)水環(huán)境下的巖石蠕變力學(xué)試驗(yàn)，從而獲得巖石試件在持續(xù)荷載與水環(huán)境共同作用下的蠕變力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)巖體工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析具有一定的參考價(jià)值。

本文以紅砂巖為試驗(yàn)對(duì)象，分別對(duì)表面密封的干燥和飽水試件，以及飽和后持續(xù)浸水試件進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，通過(guò)對(duì)比不同水環(huán)境條件下紅砂巖的蠕變力學(xué)參數(shù)，從而綜合分析荷載與水共同作用對(duì)紅砂巖力學(xué)特性的影響。最后通過(guò)分析飽和紅砂巖試件在持載前后吸水性能的變化情況，揭示持載與水共同作用對(duì)紅砂巖蠕變性質(zhì)的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及試件制備

試驗(yàn)所用巖石取自湖南地區(qū)的細(xì)粒紅砂巖，無(wú)層理、條紋和裂紋，完整性及均勻性良好。利用X射線衍射儀對(duì)其進(jìn)行礦物衍射圖譜分析得知，該紅砂巖主要由石英(75%～80%)、長(zhǎng)石(10%～15%)、方解石(5%～10%)和菱鐵礦(2%～3%)組成，黏土礦物極少。將現(xiàn)場(chǎng)取來(lái)的大塊巖樣經(jīng)過(guò)鉆孔取芯、切割、打磨加工成直徑50 mm，高度100 mm 圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣。剔除外觀上有明顯層理和裂痕的巖樣，再通過(guò)聲波儀測(cè)定巖樣波速，選取有代表性的巖樣作為試驗(yàn)巖樣。

首先將全部試件在105℃的干燥箱中烘24 h，冷卻至室溫后，然后將試樣分為3組，每組8～12個(gè)試樣。一組干樣直接進(jìn)行表面蠟封，編號(hào)為“干燥-*”，其中“*”表示試件序號(hào)，比如1、2、3……。一組干樣在真空飽和裝置中進(jìn)行強(qiáng)制飽和，取出后表面蠟封，制成飽和試件編號(hào)為“飽和-*”；剩余一組干樣先進(jìn)行飽和，但是表面不作處理，然后直接浸于環(huán)境試驗(yàn)箱中(見(jiàn)圖1)，編號(hào)為“浸水-*”。各組試件的基本力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 紅砂巖試件的基本力學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用中科院武漢巖土所自主研制的RMT-150系列的巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。為真實(shí)反映巖石受到荷載與水共同作用的情況，本文設(shè)計(jì)一種環(huán)境試驗(yàn)箱，箱體筒壁選用透明的有機(jī)玻璃(PMMA)以便于觀察巖樣的破壞形態(tài)，箱體底座選用不銹鋼板，用不溶于水的粘合劑將筒壁與底座粘合成一體。在對(duì)浸水試件進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，將該環(huán)境箱與巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)組合成為環(huán)境蠕變?cè)囼?yàn)加載系統(tǒng)，如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方案

(1) 為了考察荷載與水共同作用對(duì)紅砂巖蠕變力學(xué)特性的影響，對(duì)浸水試件進(jìn)行不同荷載等級(jí)下的蠕變?cè)囼?yàn)，并同時(shí)對(duì)表面密封的干燥和飽和試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。本次蠕變?cè)囼?yàn)采取單級(jí)加載的方式，大致分為4～5個(gè)荷載等級(jí)。為了得到完整的三階段蠕變過(guò)程曲線，參照相應(yīng)單軸壓縮強(qiáng)度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)，每級(jí)荷載的大小約為其單軸抗壓強(qiáng)度的75%、80%、85%、90%和95%。具體施加給各組試件的荷載和應(yīng)力水平見(jiàn)表2。

表2 浸水、飽和及干燥紅砂巖試件的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

(2) 為了探討荷載與水共同作用對(duì)紅砂巖力學(xué)特性的影響機(jī)理，選取4個(gè)飽和試件，計(jì)算初始飽和含水率，在恒定的應(yīng)力水平下(80%)，即44.4 MPa，分別持載0 h、5 h、10 h和20 h，而后卸載將試件再次真空飽和，計(jì)算當(dāng)下的飽和含水率。將持載前后的飽和含水率進(jìn)行歸一化處理。試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

1.4 單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)

在進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)后采取力控制的方式加載，加載速率選擇為0.025 MPa/s，當(dāng)施加軸壓到預(yù)設(shè)值時(shí)，保持軸壓穩(wěn)定，直至巖樣完全破壞。如果在低應(yīng)力水平下，試驗(yàn)持續(xù)48 h后，試件仍未發(fā)生破壞，則終止試驗(yàn)，進(jìn)行下一級(jí)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，試驗(yàn)機(jī)自帶的力傳感器和位移傳感器會(huì)自動(dòng)記錄不同時(shí)刻的荷載、軸向和側(cè)向變形等數(shù)據(jù)。自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)可與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)交換，完全實(shí)現(xiàn)全過(guò)程數(shù)字化成圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 浸水、飽和及干燥紅砂巖的蠕變特性

表2給出了浸水、飽和及干燥紅砂巖試件的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。

圖3是浸水、飽和及干燥紅砂巖試件的蠕變曲線。

從圖3可以看出，在恒定應(yīng)力水平下，試件的軸向應(yīng)變隨時(shí)間而逐漸增大，最終發(fā)生失穩(wěn)破壞。此外，試件的破壞時(shí)間隨著應(yīng)力水平的增大而減小。以浸水試件為例，在40.3 MPa(75%σc)作用下，破壞時(shí)間是48.72 h，當(dāng)增大到45.6 MPa(85%σc)時(shí)，破壞時(shí)間是5.21 h，當(dāng)增大到51.0 MPa(95%σc)時(shí)，破壞時(shí)間僅為0.11 h，即試件在持載約7 min后發(fā)生破壞。在相同應(yīng)力水平下，不同水環(huán)境下紅砂巖試件的破壞時(shí)間不同，呈現(xiàn)出的趨勢(shì)是浸水條件下的破壞時(shí)間最小，飽和次之，干燥狀態(tài)的最長(zhǎng)。比如在80%的應(yīng)力水平下，浸水試件的破壞時(shí)間是17.79 h，飽和試件的破壞時(shí)間是21.87 h，干燥試件的破壞時(shí)間是51.43 h。

圖4是與圖3對(duì)應(yīng)的蠕變應(yīng)變率曲線。從圖4中可以看出，在各級(jí)應(yīng)力水平下，蠕變應(yīng)變率隨時(shí)間的變化分為三個(gè)階段[11-12]：衰減階段，即應(yīng)變率隨時(shí)間減小階段；趨于穩(wěn)定階段，即應(yīng)變率基本恒定；急劇增大階段，即應(yīng)變率隨時(shí)間增加而迅速增大。分別取浸水、飽和及干燥試件在第二穩(wěn)定階段應(yīng)變率的最小值作為穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率，各級(jí)應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率見(jiàn)表2。

圖5給出了不同試件的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率與應(yīng)力在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的關(guān)系。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，試件的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率隨著應(yīng)力的增大而線性增大。以浸水試件為例，當(dāng)應(yīng)力為40.3 MPa(75%σc)時(shí)，應(yīng)變率為0.01184/h，當(dāng)增大到45.6 MPa(85%σc)時(shí)，應(yīng)變率為0.22244/h，是前者的18.8倍，當(dāng)增大到51.0 MPa(95%σc)時(shí)，應(yīng)變率增大為6.28686/h，是前者的28.3倍。值得注意的是，在相同應(yīng)力作用下，以51.0 MPa為例，浸水試件的應(yīng)變率為6.28686/h，飽和試件的應(yīng)變率為0.86966/h，前者是后者的7.2倍。而且在相同應(yīng)力水平下，比如80%，浸水試件的應(yīng)變率是0.05022/h，是飽和試件應(yīng)變率0.03353/h的1.5倍，是干燥試件應(yīng)變率0.008/h的6.3倍。

表2給出了不同試件的破壞應(yīng)力及其對(duì)應(yīng)的破壞時(shí)間。從表2中可以看出，巖石的破壞應(yīng)力具有隨應(yīng)力作用時(shí)間的延長(zhǎng)而降低的性質(zhì)。在巖石力學(xué)中，這種性質(zhì)可用指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)方程[13]表示：

σt=A+Be-αt

(1)

式中：A，B和α均為常數(shù)。

當(dāng)t=0時(shí)，σt=A+B，令A(yù)+B=s0，當(dāng)t→∞時(shí)，σt=A，并且把此時(shí)的強(qiáng)度稱為巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，令A(yù)=s∞，故有B=s0-s∞，式(1)方程可寫(xiě)為：

σt=s∞+(s0-s∞)e-αt

(2)

本文將有限時(shí)間內(nèi)取得的蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，通過(guò)長(zhǎng)期強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式(式(2))擬合進(jìn)行時(shí)間上的延拓，從而獲得不同水環(huán)境下紅砂巖試件的長(zhǎng)期強(qiáng)度，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出，浸水、飽和及干燥紅砂巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度分別是40.58 MPa、44.44 MPa和83.03 MPa，分別是相應(yīng)條件下單軸抗壓強(qiáng)度的75.6%、80%和77.8%。由此看出，浸水試件的長(zhǎng)期強(qiáng)度最小。這說(shuō)明在荷載與水共同作用下使得紅砂巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度進(jìn)一步弱化。

2.2 飽和紅砂巖持載前后的吸水性能

從上述可知，與表面密封的飽水和干燥試件相比，在荷載與水共同作用下的紅砂巖表現(xiàn)出更加顯著的蠕變特征。為了揭示導(dǎo)致這種結(jié)果的原因，分別對(duì)4個(gè)飽和試件施加相同的應(yīng)力水平和不同的持載時(shí)間，分析了持載前后飽和試件吸水性能的變化情況，結(jié)果如圖7所示。為了表述方便，這里將飽和含水率進(jìn)行歸一化處理，變量α是持載前的飽和含水率與持載后飽和含水率的比值。從圖7可以看出，持載較短的時(shí)間內(nèi)，α值變化不大，但是當(dāng)持載時(shí)間為10 h和20 h時(shí)，其變化非常顯著。

持載前后飽和紅砂巖含水率的變化，說(shuō)明在恒定荷載作用時(shí)間內(nèi)巖石的吸水性能發(fā)生了改變。吸水性能可間接反映巖石內(nèi)部裂隙分布。吸水性能越強(qiáng)，含水率越大，說(shuō)明巖石內(nèi)部裂隙越發(fā)育。已有研究表明，脆性巖石在恒定應(yīng)力下產(chǎn)生與時(shí)間相關(guān)的變形，即蠕變，其主要機(jī)制與巖石內(nèi)部亞臨界裂紋的擴(kuò)展有關(guān)[14-16]。Heap等[17]開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究已證實(shí)巖石蠕變實(shí)驗(yàn)中的聲發(fā)射活動(dòng)與蠕變各階段的裂紋擴(kuò)展存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。在第一蠕變階段，裂紋趨于張開(kāi)但沒(méi)有擴(kuò)展；巖石材料的蠕變裂紋擴(kuò)展發(fā)生在蠕變過(guò)程的后兩個(gè)階段，即穩(wěn)態(tài)蠕變階段和加速蠕變階段。裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展發(fā)生在穩(wěn)態(tài)蠕變階段；不穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展發(fā)生在加速蠕變階段。結(jié)合圖4(b)可知，在80%應(yīng)力水平下，當(dāng)持載時(shí)間t=5 h時(shí)(第1個(gè)箭頭所示)，試件處在第一衰減蠕變階段；當(dāng)t=10 h時(shí)(第2個(gè)箭頭)，巖石試件處在第二穩(wěn)定蠕變階段；當(dāng)t=20 h時(shí)(第3個(gè)箭頭)，試件進(jìn)入第三加速蠕變階段，卸載后除去其表面的密封套，發(fā)現(xiàn)巖石表面出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫，裂縫方向與軸向應(yīng)力一致(見(jiàn)圖7虛線框)。從裂紋擴(kuò)展的角度來(lái)看，這個(gè)結(jié)果與α值變化十分一致。

對(duì)于浸水條件下的飽和試件來(lái)說(shuō)，受到荷載和水的共同作用，在持載的過(guò)程中，裂紋不斷增多導(dǎo)致產(chǎn)生與時(shí)間相關(guān)的變形，促使環(huán)境中的水不斷遷移到新裂隙尖端，加劇了水的應(yīng)力腐蝕作用，這是一個(gè)水分遷移、應(yīng)力腐蝕以及損傷演化相互耦合作用的過(guò)程。這也是浸水試件的長(zhǎng)期強(qiáng)度小于但應(yīng)變率大于飽和試件的原因。這個(gè)結(jié)論在巖體工程中具有重要的指導(dǎo)意義。比如，有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明[18]，水庫(kù)在蓄水完成一段時(shí)間后，庫(kù)岸巖質(zhì)邊坡內(nèi)仍會(huì)發(fā)生微震事件。結(jié)合本文的試驗(yàn)結(jié)果，作者認(rèn)為導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是，即便在水位線以下的飽和巖體長(zhǎng)期受到浸水作用，其長(zhǎng)期強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步降低。因此，在進(jìn)行巖體工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析時(shí)，建議采用環(huán)境蠕變參數(shù)或者將飽水狀態(tài)的蠕變力學(xué)參數(shù)進(jìn)一步做適當(dāng)折減。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)浸水、飽和及干燥試件開(kāi)展單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，并且對(duì)比分析持載前后飽和試件的吸水性能的變化情況，得到了如下結(jié)論：

(1) 在恒定荷載與水共同作用下，紅砂巖的蠕變力學(xué)特性顯著增強(qiáng)，表現(xiàn)在長(zhǎng)期強(qiáng)度降低，應(yīng)變率增大，失效時(shí)間縮短。

(2) 巖石的蠕變變形伴隨著新裂隙產(chǎn)生，浸浴在水中的巖石，水分持續(xù)運(yùn)移到新裂隙中，進(jìn)一步與巖石介質(zhì)結(jié)合，加劇了水對(duì)巖石的物理力學(xué)作用。這是浸水試件的蠕變特性比表面密封的飽和試件更加顯著的原因。

(3) 在巖體工程長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析時(shí)，建議通過(guò)開(kāi)展環(huán)境蠕變?cè)囼?yàn)獲得長(zhǎng)期力學(xué)參數(shù)，或者將常規(guī)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)折減。