复杂地质条件下粉砂质泥岩蠕变力学行为研究

2018-12-19

长江科学院院报 2018年12期

(毕节市勘测设计研究院，贵州毕节 551700)

1 研究背景

深部地下围岩经常承受多场耦合作用，如化学场、应力场、温度场、渗流场等，再加上自身复杂多变的物质组成及构造，其物理力学性质变化多样，研究这些处于复杂地质条件下的岩石力学行为，特别是流变特性，对于工程的长期安全与稳定具有重要意义[1-2]。

泥岩是现代工程建设当中最为常见的岩石之一，涉及矿山、水利、交通、建筑、石油天然气、核废料存储等领域，由于泥岩饱和单轴抗压强度低、成岩时间较短，在岩土工程界属于软岩范畴，其流变特征，特别是蠕变特性较为显著，对于上述工程的长期建设和稳定具有很大的影响。对此，范秋雁等[3]对泥岩蠕变过程中的损伤性能机制进行了分析探讨，并提出岩石的蠕变是损伤效应与硬化效应共同作用的结果。茅献彪等[4]对泥岩进行了单轴分级加载蠕变试验，分析了温度对泥岩蠕变力学行为的影响，建立了考虑温度效应的泥岩蠕变本构模型。黄小兰等[5]对泥岩进行了不同含水率的强度试验和蠕变试验，分析了强度、弹性模量等基本力学参数以及蠕变特性的相互差异。马占国等[6]则对饱和破碎泥岩蠕变过程中孔隙变化规律进行了试验研究，认为孔隙率的变化与蠕变各阶段相对应，呈阶段性变化。

粉砂质泥岩是泥岩当中较为常见的一种，其蠕变力学行为一直受到专家学者的关注和探讨，李亚丽[7]、于怀昌等[8]、徐慧宁等[9]对粉砂质泥岩在三向应力状态下的蠕变力学行为及本构模型进行了研究。马冲等[10]对三峡库区巴东组二段粉砂质泥岩进行了不同围压和渗透压下的三轴蠕变试验，探讨了应力场和渗流场对粉砂质泥岩蠕变特性的影响过程和机理。本文在前人研究的基础上，对取自某矿井的2种不同粒径饱水粉砂质泥岩进行了不同温度-应力场下的蠕变力学试验，以期为进一步揭示粉砂质泥岩在复杂地质条件下的流变特性提供理论和试验支撑。

2 试验概况

将现场取回的岩芯加工制作成50 mm×100 mm(直径×高度)的标准圆柱形试件，根据粒径大小，分为粗、细2组，对其进行孔隙率的测定，粗粒径组的平均孔隙率为0.36，细粒径组的平均孔隙率为0.25。将各组粉砂质泥岩进行饱水试验，直到前后2次称重结果相差<0.5%为止，视为岩石饱水。对各组饱水粉砂质泥岩进行不同围压和温度下三轴抗压试验，得到各应力温度场下强度及相关参数，再利用自制的多相耦合蠕变试验装置及声发射监测(材料局部破损过程中快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射，可利用声发射放大器和探头等对其进行监测和记录，以下简称AE监测)系统对各组试件进行蠕变试验，加载过程如下：

(1)将试件用特制高温膜包裹,放到试验机上，安装轴向、环向应变计。

(2)放下三轴室壁，在三轴室壁相应位置放置8个声发射探头，上下端各4个，并把三轴室充满油。

(3)以30 ℃/h的加温速率对油进行加温，待加载至预定温度后，保持恒定温度30 min。

(4)对试件施加围压至指定大小，然后对试件施加轴向应力，加载速率为30 kN/min，应力均加载至轴向抗压强度的85%。

(5)试验全过程均进行AE监测，AE门槛值45 dB。

3 常规加载结果分析

试验得到的各温度-应力场下的峰值应力(短期强度)见图1。

图1 短期强度与围压、温度的关系Fig.1 Relationship of short-term strength against temperature and confining pressure

从图1中可以看到：相同温度下，随着围压的增加，粉砂质泥岩的峰值应力基本呈线性增加。同等围压下，温度越高，峰值应力越低，这是因为高温会造成试件内部的矿物成分发生分解变化，内部结构逐渐由晶态向非晶态转变，力学性质发生相应弱化，同时颗粒之间的相互胶结力也发生劣化，使得岩石出现热塑性和热软化现象，试件内部损伤发展越迅速，强度也随之降低。当温度>100 ℃后，强度值出现突降，表明温度>100 ℃后，试件内部的热损伤加剧；同等温度场-应力场下，粒径越大的粉砂质泥岩强度越低，这是因为粒径越大，其颗粒之间胶结依附和接触面积越小，排列不像细颗粒那么紧密，内部孔隙率越大，因而其强度越低。

4 蠕变试验结果分析

4.1 蠕变曲线特征

为分析应力环境、温度以及粒径粗细对粉砂质泥岩蠕变行为的影响，分别以粗砂岩、围压4 MPa，粗砂岩、温度50 ℃，以及50 ℃下粗细粒径为例，得到了各复杂地质条件下的蠕变历时曲线，见图2。

图2 蠕变曲线特征Fig.2 Characteristics of creep curves

从图2中可以得知:粉砂质泥岩的蠕变曲线分为初始(瞬态)蠕变、稳态蠕变以及加速蠕变3个阶段。相同围压和粒径下，随着温度的升高，粉砂质泥岩的稳态蠕变速率逐渐升高，蠕变历时越短，加速蠕变特征越明显，破坏时的蠕变应变量也越大；同等温度和粒径条件下，稳态蠕变率随着围压的升高而降低，围压越大，蠕变历时越长，出现加速蠕变阶段的时间越滞后，非线性加速蠕变特征也越明显，但破坏时对应的应变量相差不大；相同应力-温度场下，粒径较粗的粉砂质泥岩稳态蠕变率较细粒径粉砂质泥岩大，但蠕变历时较细粒径粉砂质泥岩短。

由于组成粉砂质泥岩的各种矿物成分具有不同的热膨胀系数，因而在受热变形过程中也会表现出不同的变形特性。在高温作用下，为了保持变形的稳定性，各矿物颗粒相互之间产生变形约束力，即变形较快的受压、变形较慢的受拉，这种热应力会导致试件内部热膨胀失衡;随着变形的增大，这种不平衡逐渐加大，最终会导致岩石发生失稳破坏，进而会加速试件的破坏。因而温度越高，热损伤越大，蠕变率越大，蠕变历时越短，变形也越大。

侧向约束力的增加，延缓了试件颗粒的径向变形，从而降低了其稳态蠕变率，延长了其蠕变历时。粒径越小的粉砂质泥岩，其颗粒之间胶结依附得更为充分，内部孔隙率越低，因而其力学性质越好，颗粒相互之间所受的变形约束力越大，从而使得蠕变速率降低。

4.2 孔隙率分析

试验得到的孔隙率随蠕变全过程的变化规律见图3。

图3 不同粒径试件的孔隙率与蠕变速率关系Fig.3 Relationship between porosity and creep rate of specimens with different particle sizes

从图3中可以看到，孔隙率的变化趋势与蠕变速率的变化特征相似，均近似呈“U”型。蠕变初期，原始微裂纹微孔隙被压密闭实，孔隙率和蠕变速率逐渐降低；稳态蠕变阶段，试件内部处于平衡状态，新生裂纹孔隙产生之后很快又被压实，孔隙率和蠕变速率处于动态平衡；加速蠕变阶段，大量新生裂纹和孔隙发展贯通，孔隙率和蠕变速率增大。蠕变过程中各应力-温度环境下孔隙率的变化幅度见表1。从表1中可以看到：相同围压下，随着温度的升高，孔隙率的变化幅度增大；同等温度下，围压越高，孔隙率的变化幅度越小；相同温度-应力环境下，粒径越粗，孔隙率变化幅度越大。

表1 孔隙率变化幅度与温度、应力、粒径的关系Table 1 Relationship of porosity change rate againsttemperature, stress, and particle size

4.3 稳态蠕变速率分析

根据试验数据，分析得到了不同应力-温度场下粉砂质泥岩稳态蠕变速率(简称蠕变率)的变化特征，见图4。从图4中可以看到，同等粒径和围压下，稳态蠕变率随着温度的升高呈指数型函数增加，当温度>100 ℃时，是稳态蠕变率加速增大的分界点，表明此高温条件下，试件内部热损伤加剧，这与常规加载试验结果类似；相同粒径和温度下，围压越大，稳态蠕变率越低，并呈线性减小；对比相同温度-应力场下不同粒径的稳态蠕变率可以发现，粒径较粗的粉砂质泥岩稳态蠕变率均大于细粒径粉砂质泥岩。

图4 稳态蠕变率与温度、围压、粒径的关系Fig.4 Relationship of steady creep rate against temperature, confining pressure, and particle size

从上文分析可以得到：稳态蠕变率与温度、围压、粒径大小等均有关系，根据试验结果，以叠加理论为基础，假设稳态蠕变率与三者呈如下关系，即

(1)

将式(1)进行进一步简化，可得

(2)

式中a，b，c均是与温度、应力等相关的拟合常数。

采用非线性拟合软件，通过三维数值模拟分别得到了粗、细2种粒径下，粉砂质泥岩稳态蠕变率经验方程，即

分别将粗、细粉砂质泥岩试验得到的稳态蠕变率与代入式(3)的理论值对比，见图5。从图5中可以看到，粗、细粉砂质泥岩的拟合度R2分别为90.51%和90.343%。这表明式(3)可以较好地模拟粗、细粉砂质泥岩在各种复杂地质条件下的稳态蠕变速率大小。

图5 粉砂质泥岩试验结果与理论数据对比Fig.5 Comparison between test results and theoretical data of silty mudstone

4.4 长期强度特征

求取岩石长期强度的方法较多，如等时应力-应变曲线法、稳态蠕变率法、蠕变曲线第一拐点法以及裂纹损伤(体积膨胀)法等。其中，前3种方法均是需要对同一试件施加多级荷载才可求解，第4种方法则是通过短期加载时体积应变的变化特征来判断其长期强度。由于本文均为单级加载，因此，笔者采用第4种方法来求不同温度-应力下粉砂质泥岩的长期强度。

岩石材料在短期加载受力破坏过程中其体积应变大致可以分为4个阶段：

(1)裂纹闭合阶段，此时岩石体积减小，体变速率为正。

(2)弹性压缩阶段，此时岩石体积呈线性减小，体变速率为正且恒定。

(3)裂纹稳定扩展阶段，此时体积变形速率为正但逐渐减小。

(4)裂纹非稳定扩展阶段，此阶段岩石体积变形速率为负，即发生体积扩容，最后岩石发生破坏。

Martin等[11-12]通过大量的研究认为：体积由压缩向膨胀转变的拐点多对应的应力(体变拐点)为岩石的裂纹损伤应力值σcd(也称为损伤起始阈值应力)，该值可以作为判别岩石长期强度的一个指标。

以裂纹损伤应力法求解得到的2组粒径下在不同温度-应力环境下的长期强度值与短期强度的对比见表2。

表2 不同粒径的长期强度与短期强度对比Table 2 Comparison between long-term strength andshort-term strength of specimens of different particle sizes

从表2中可以得出：长期强度值与短期强度值表现一致，即相同围压下随着温度的升高而降低，同等温度下随着围压的升高而增大，相同应力和温度下，粒径较粗的粉砂质泥岩长期强度值小于粒径较细的一组;低温及常温作用下，长期强度与短期强度的比值基本能达到60%以上，可当温度达到120 ℃时，长期强度值与短期强度的比值低于60%，特别是粒径较粗、围压较低时，其比值仅为40%～45%。可见，复杂地质条件下，具有长期设计使用期限的地下工程，如地下厂房、采矿工程、石油天然气储气库等，在设计规划时必须考虑采用岩石的长期强度特征作为其设计指标，同时要结合不同的地质条件合理取值，才能达到安全性和经济性的同时兼顾。

5 声发射特征

泥岩在蠕变过程当中，会将积累释放的能量以弹性波的方式释放出来，而声发射检测仪器会探测捕捉到这些信号，这些信号反映了泥岩内部损伤的发展过程。声发射振铃计数是所有AE参数中最为常用的一种，其变化特征更能反映岩石损伤演化规律。由于试验试件较多，文中仅以部分试件作为例子来说明温度-应力及粒径对声发射特征的影响。

分别选择粗、细两组试件，围压采用2 MPa和8 MPa，温度为20 ℃和120 ℃,共采用4个试件进行分析，试验得到的各应力-温度场下声发射振铃计数率与应变的关系见图6。

图6 振铃计数率和应变随时间的变化Fig.6 Changes of ringing count rate and strain with time

从图6中可以看到，岩石的声发射特征与蠕变3个阶段相呼应，整体呈U型变化，这与蠕变速率变化特征相似：初始蠕变阶段，原生微孔隙和微裂隙逐渐被压密闭合并伴随大量的摩擦信号，因而声发射较为活跃；稳态蠕变阶段，原生微孔隙、裂隙经过压密闭合之后，蠕变速率逐渐趋于平稳，而少量的新生裂隙在产生过后很快又被压密闭合，声发射信号相对于蠕变初期有所弱化且处于整体的相对稳定阶段；加速蠕变阶段，试件内部开始产生实质性的损伤，宏观力学性质逐渐减弱，新生微孔隙和裂隙衍生扩展并逐渐贯通，声发射信号逐渐加强，在发生蠕变断裂的短暂时间里，声发射信号达到最大值。体变拐点附近，此时新裂纹开始产生以及初始裂纹由于应力集中逐渐开始扩展,因而声发射非常活跃，即出现短暂的高频、高幅值的AE特征。

温度和应力相同时，粒径较粗的声发射信号强于粒径较细的一组。从整体上分析即为：粒径越粗，围压越大，温度越高，岩石的声发射信号越是呈高频率、高幅值的特征，这是因为：粒径较大的粉砂质泥岩，其孔隙率越大，颗粒之间具有较大的蠕变变形空间，在蠕变变形过程中，产生的摩擦信号也越多，因而声发射越活跃；围压的升高，在一定程度上使得泥岩试件的变形能力增强，同时也会使得超过声发射仪阈值的声发射信号量增加，因而AE信号也越强烈；温度越高，对试件的热损伤作用越剧烈，试件内部矿物物质发生分解变化越严重，力学性质随之发生弱化，颗粒之间变形约束力减小，蠕变速率增大，因而声发射信号也越强。