粉砂质泥岩体积蠕变特性试验研究

于怀昌，刘激烈，王硕楠，刘艳刚，唐茂军

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045;2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610081;3.河南省地质工程勘察院，河南 郑州 450001;4.西北综合勘察设计研究院成都分院，四川 成都 610045)

岩石体积蠕变及体积扩容现象是岩石、尤其是软岩所具有的一种特性，同时也是岩石流变力学特性研究的重要内容之一.目前，关于岩石体积蠕变特性，尤其是三向应力状态下的体积蠕变特性的研究成果还较少［1－3］.因此，笔者采用RLJW－2000 型岩石三轴流变伺服仪，对粉砂质泥岩进行三轴压缩蠕变试验，并基于试验结果，研究岩石蠕变过程中体积蠕变、体积蠕变速率的变化规律，以期丰富和完善岩石流变力学理论，为岩石蠕变破裂失稳的研究提供科学依据，对于保障工程的长期稳定与安全运营具有重要的意义［4－7］.

1 岩石基本物理力学性质

试验所用粉砂质泥岩取自三峡地区巴东组二段弱—微风化的粉砂质泥岩层.对粉砂质泥岩的基本物理水理性质进行了室内试验测定，其物理水理性质指标见表1.

依据国际岩石力学学会试验规程制作圆柱形岩石试样［8］，试样尺寸 φ50 mm×100 mm.采用真空抽气饱和法，将试样饱水24 h 后作为饱和试样用于岩石常规力学试验以及三轴压缩蠕变试验.

表1 粉砂质泥岩的主要物理水理性质指标

采用TAWA－2000 岩石三轴压力试验机，对饱和粉砂质泥岩进行常规单轴、三轴压缩试验，采用轴向应变控制，加载速率为0.01 mm/s.粉砂质泥岩的单轴抗压强度为11.96 MPa，1 MPa 围压下粉砂质泥岩的峰值抗压强度为26.63 MPa.

2 蠕变试验方法与试验结果

三轴压缩蠕变试验在河南省岩土力学与结构工程重点实验室内进行，仪器采用RLJW－2000 岩石三轴、剪切流变伺服仪，仪器性能满足岩石蠕变试验要求［9］.

蠕变试验采用分级加载方法，试验围压1 MPa.将1 MPa 围压下常规三轴压缩试验得到的粉砂质泥岩试样抗压强度的75%～85%作为蠕变试验中拟施加的荷载，在岩石试样上分级施加.当试样变形增量小于0.001 mm/d 时，则认为岩石蠕变已达到稳定状态，可以施加下一级荷载.当试样发生蠕变破坏后，试验停止.试验过程中，试验数据由计算机自动采集，数据采集频率以及室内温度、湿度的设置参考文献［9］.

此次蠕变试验，共施加9 级轴向荷载，图1 为试验得到的岩石分级加载蠕变曲线.曲线上的不同数值表示轴向应力水平值.

图1 粉砂质泥岩分级加载的蠕变曲线

3 体积蠕变规律

体积应变不能直接由试验测得，可按下式计算，

式中:εv为体应变;ε1为轴向应变;ε3为径向应变;各应变的符号以压为正、拉为负.

基于岩石的轴向应变和径向应变试验结果，根据式(1)计算得到粉砂质泥岩体积蠕变曲线，如图2所示.

图2 粉砂质泥岩体积蠕变曲线

由图2 可知，岩石的体积应变可以划分为瞬时应变与蠕应变2 部分.前8 级应力水平下，体积蠕变曲线可分为衰减蠕变与稳定蠕变2 个阶段.在第9级应力水平下，体积蠕变曲线可以划分为衰减蠕变、稳定蠕变、加速蠕变3 个阶段.岩石体积应变与时间的关系要比轴向应变以及径向应变随时间变化的关系复杂.在每级应力水平下，体积蠕变曲线都表现出一定程度的波动，说明与轴向应变、径向应变相比，岩石的体积应变可以更准确地反映出试样承载力随时间增加而不断损伤弱化的过程.

由图2 还可以看出，随着时间的增加，粉砂质泥岩体积应变呈现非线性变化过程:岩石体积压缩、应变增加到应变逐渐减小再到扩容.当应力水平为3 MPa时，体积蠕变曲线变化较小.随应力水平增加，粉砂质泥岩被压缩，体积应变增加，但增加速率较小.从3 MPa 到9 MPa 历时373.3 h，体积应变由0.069%增加至0.093%，此时体积压缩应变达最大值，之后体积应变开始逐渐减小，表明应力水平9 MPa是试样从以轴向压缩变形为主转变为以径向膨胀变形为主的临界应力.当应力水平达15 MPa时，试样体积应变从0.014%迅速减小至0%，之后变为负值，此时岩样发生反向扩容，因此，15 MPa 应力水平是粉砂质泥岩体积产生扩容的临界应力.与轴向应变相比，径向应变增加速度快，因此岩样体积随着时间的增加发生持续扩容.在191.23 h 内由0%减小为－0.52%，反向增加0.52%，此时试样体积呈增加趋势.但在19.8 MPa 应力水平下，岩石体积变形几乎以与体积应变轴平行的增长趋势加速蠕变，发生瞬间破坏，体积扩容，体积应变达－0.696%，这一应变值是体积压缩应变最大值的7.48 倍，体积扩容效应非常明显.

4 体积蠕变速率规律

计算图2 中各时刻体积蠕变曲线的斜率，可得到不同应力水平下粉砂质泥岩体积蠕变速率曲线.为清晰起见，这里仅分析第8 级、第9 级应力水平下体积蠕变速率曲线，如图3 所示.

图3 粉砂质泥岩体积蠕变速率曲线

从图3 中可以看出，与体积蠕变阶段相对应，在第8 级应力水平(17.7 MPa)下，粉砂质泥岩体积蠕变速率可以划分为初始蠕变速率与稳态蠕变速率2个阶段.初始蠕变速率阶段:随时间的增加，体积蠕变速率快速衰减至一个恒定值;稳态蠕变速率阶段:体积蠕变速率随时间的增加基本保持不变.在第9级应力水平(19.8 MPa)下，出现加速蠕变速率阶段，随时间的增加，体积蠕变速率迅速增大，岩样发生蠕变破裂.

在第8 级应力水平下，在初始蠕变速率阶段的0.5 h 内，体积蠕变速率由4.29 ×10－4mm/h 减小为4.48 ×10－5mm/h，之后进入稳态蠕变速率阶段;在第9 级应力水平作用下，初始蠕变速率阶段粉砂质泥岩的体积蠕变速率迅速增加，在0.8 h 内增加至6.07 ×10－4mm/h，之后又迅速减小，进入稳态蠕变速率阶段，速率保持在1.85 ×10－5mm/h 左右，在770 h 处进入加速蠕变速率阶段，体积蠕变速率迅速增加，导致岩样发生破裂.

5 结语

1)粉砂质泥岩体积蠕变曲线可划分为衰减蠕变、稳定蠕变及加速蠕变3 个蠕变阶段.与体积蠕变阶段相对应，体积蠕变速率曲线也可划分为初始蠕变速率、稳态蠕变速率及加速蠕变速率3 个阶段.

2)应力水平9 MPa 是粉砂质泥岩从以轴向压缩变形为主转变为以径向膨胀变形为主的临界应力，应力水平15 MPa 是粉砂质泥岩体积产生扩容的临界应力.

3)加速蠕变阶段，岩石体积蠕变量、体积蠕变速率增加非常迅速，从而使岩石的破裂具有突变性，不易控制.在工程中应对这一现象引起足够的重视.

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