绿片岩剪切流变及破坏试验研究

2019-12-03莉来合李

人民长江 2019年11期

卓莉来结合李列列

(1. 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065； 2. 四川大学水利水电学院，四川成都 610065； 3. 中国电建集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

流变是指材料在恒定应力水平下，变形随时间的推移而增加的现象。流变性是岩石的重要力学特性之一，与岩体工程的长期稳定性紧密相关[1-2]。基于大量室内流变试验和现场监测数据，目前岩石(体)的流变计算理论也趋于完善。

近年来，国内外许多学者针对岩石的流变特性进行了系统性的研究并取得了颇为丰硕的成果，但研究成果主要集中在单轴或三轴流变试验部分，关于直剪流变试验的数量非常少。例如胡斌、杨圣奇等[3-6]分别对紫红色泥岩、泥板岩、泡水砂岩、花岗岩以及粉砂质泥岩在低应力或试件小尺寸情况下开展了剪切流变试验，并建立了相应的本构模型。这些试验试件尺寸较小，规模也很有限，而且研究主要针对软弱夹层，最大尺寸10 cm×10 cm×10 cm，法向载荷最高仅为2.0 MPa[7-11]。而锦屏一级水电工程处于高地应力地区，试验法向载荷要与设计载荷对应，另外，小尺寸的试件和少量的试验数据也难以覆盖工程区绿片岩力学性质在空间分布上的不均匀性。

本文针对锦屏一级水电站高地应力的特点，开展了绿泥石片岩片理面直剪流变试验，以测定绿泥石片岩沿片理面的长期抗剪强度并研究其流变特性，为验算坝基、近坝库岸、地下结构围岩等沿片理面的抗滑稳定提供长期抗剪强度指标和剪应力变形关系曲线，并为边坡开挖与加固的有限元分析提供合理力学参数。

1 试验方法简述

1.1 试样的制备

本次试验均采用原状试样。为保证试样切割、运输过程中不受扰动，针对这种完整、新鲜而片理面发育的绿片岩设计了特殊的取样和制样方法。取样采用排孔切割法，具体做法是：在扩帮爆破作业时，预留40 cm的保护层，随后人工凿除保护层，使绿片岩的层面出露，在层面上规划出采样的大小及位置后，用电捶进行密集钻孔切割,见图1(a)。先切割两侧，再分离上下面，使试样的4个面成为自由面，前后两端仍与母岩相连，随后用钢丝对试样进行柔性捆扎，使层面受力，增加内部片理面的磨阻力，再对剩余的两端进行切割分离,见图1(b)。为防止绿片岩遇水崩解，在整个切割过程中采用无水操作。试样与母岩分离后，将其打磨成280 mm×280 mm×270 mm形状规则的立方柱,见图1(c)，置于标准钢模内采用高标号水泥砂浆浇铸成300 mm×300 mm×300 mm的试件,见图1(d)。

图1 试样制作Fig.1 Preparation of chlorite schist sample

1.2 试验设备

绿片岩直剪流变试验在由成都勘测设计研究院科学研究所与5701厂合作研制的剪切流变仪上进行(见图2)。主机垂直载荷最高达60 t，水平载荷最高150 t。为保证试体受力均匀，水平荷载采用双面千斤顶平推方式，剪切盒尺寸有30 cm×30 cm和15 cm×15 cm两种。在剪切盒顶部、底部、上下剪切盒之间等部位都设有滚珠。工作时，油液经液压稳压器的液压泵站产生压力后进入控制台内的储能器充压，按照液压源压力的规定值将能量储存，再通过压力控制系统获得数种互不干扰的压力输出到垂直和水平的加载系统。

1.3 试验加载程序

本次试验参照DL 5006-92《水利水电工程岩石试验规程(补充部分)》[12]及SL264204-2001《水利水电工程岩石试验规程》[13]进行，并借鉴了国内相关试验在实际操作中一些处理办法。试验采用平推法，试件在试前泡水一个月，安装后剪断捆扎的铁丝，施加法向载荷至预定值并保持不变，同时观测垂直变形，待变形稳定后向剪切带内注水。试件预留剪切带厚35 mm，剪切带平行绿片岩片理面。剪切带的厚度既要保证带内岩体包含发育良好贯通的片理面，又要保证不因长期垂直载荷破坏带内岩体的完整性。随后施加剪切荷载，剪切荷载逐级增量施加，直至试件发生流变破坏为止。剪切荷载加完一级后，立即测读瞬时位移，然后分别在5，10，15，30 min，1，2，4，8，16，24 h测读剪切流变位移，24 h以后，每天定期测读位移两次。当试验进入加速流变阶段后，位移速率加剧，则适当加密测读时间。

2 试验曲线

本次研究针对含节理面的绿片岩试样开展了1.2，2.4，4.8，5.8 MPa和7.0 MPa五种法向荷载状态下的剪切流变试验，通过Boltzmann线性叠加原理得到各级剪应力作用下的剪切位移与时间关系曲线。该曲线为逐级增量加载下的试验曲线，如图3所示。对于每一块试件，法向荷载是恒定的，每级剪切荷载施加的瞬间，片理面产生瞬时位移，剪切荷载恒定后，在减速流变阶段，总剪切位移随剪切历时的增加而增加，但剪切变形的速率却随剪切历时的增加而逐渐减小。从试验曲线上可以看出在大多数应力水平下，剪切历时48 h后就趋于稳定了。

当试验进行到最高一级剪切载荷后，片理面出现大位移滑动而迅速破坏，各试件从最后一级加载到出现大位移破坏经历的时间差异较大，τ13(lb)-1各点试验加速流变过程一般经历1～6 h，最短的也有35 min。一般认为最后一级破坏时间上的差别主要是因为各试件岩石结构上的差异造成的，另外法向应力的大小、剪应力的分级等因素也会对其产生一定的影响。

根据各点试验最后一级剪切的剪切应力-剪切位移-时间关系曲线的特点，可将其划分为两种破坏曲线类型： A型曲线最后一级剪切荷载加载后流变速率变化不均匀，接近等速流变阶段时迅速减小，经历等速流变后进入加速流变阶段而破坏，τ13(lb)-1-6即属于这一类型，如图 4(a)； B型曲线最后一级剪切荷载加载后流变速率均匀减小至定值，后直接进入加速流变阶段而没有等速流变阶段，τ13(lb)-1-2属于这一类型，如图 4(b)所示。

图4 破坏曲线Fig.4 Failure curves

3 试验强度与对比分析

3.1 长期强度

岩石长期强度是评价长期受荷岩体稳定性的重要指标[14-15]。长期强度T∞也就是上屈服值f3，或称第三屈服值。对于岩体及结构面，存在陈宗基所指的下屈服值f1和上屈服值f3。f1是从有限流变过渡到对数流变的临界应力值，f3是从对数流变过渡到破坏流变的另一个临界应力值，它相当于剪应力作用时间t→∞时的剪切强度。

当剪应力小于f1时，不产生流变，应变随着应力的增大而增加，但卸载后应变可以逐渐恢复到零，这一阶段也称为有限流变过程，如图5中曲线1所示。当剪应力超过f1时，应变随着时间的对数而增长，只要应力小于上屈服值f3，这种情况就一直持续下去，这一阶段称为对数流变过程，如图5中曲线2所示。当施加的剪应力大于极限长期强度T∞而又不是大太多时，流变曲线如图5中曲线3所示，即经过减速、等速、加速3个流变阶段发展至破坏。它分为3个阶段：① 初期流变，其应变速率逐渐递减，如图5中曲线3的AB段所示；② 第二期稳态流变，也称等速流变，流变速率呈定值稳定状态，如图5中曲线3的BC段所示；③ 第三期流变，也称破坏流变，流变呈加速增长而达到破坏，如图5中曲线3的CD段所示；当剪应力远远大于极限长期强度时，则流变曲线如图5中曲线4所示，不经过等速流变，变形将近似直线状发展，直至迅速破坏。

图5 恒定应力作用下理想流变曲线Fig.5 Ideal rheological curve under constant stress

流变试验中长期强度的测定分为直接试验法和间接法。直接法[16]指在流变试验中，由变形控制来测定岩石在指定时间内不发生破坏的最大荷载。由于很大规模的试验和很细的加载级别在时间和设备上都难以实现，直接法确定长期强度较为困难。为此，国内外提出了诸多结合蠕变曲线确定长期强度的方法，广泛应用于工程实际中的主要还是等时簇曲线绘图辅助法。本文采用等时簇曲线法确定长期强度，具体做法如下：绘制剪应力-剪位移等时簇曲线，找出各曲线的屈服极限，随着剪切历时的增加，屈服极限应力逐渐下降而接近于平行水平轴，将其连接成一条曲线，此曲线的水平渐近线对应的应力值即是长期强度。图6给出了τ13(lb)-1-5(法向应力为2.4 MPa)的等时簇曲线，根据上述方法确定该试件的长期强度为1.40 MPa。其他试件均按此方法确定长期强度。

图6 剪应力-剪位移等时簇曲线Fig.6 Shear stress-shear displacementisochronous cluster curve

确定各试验点的长期强度后，绘制法向应力和对应的长期剪切强度关系曲线，按照库伦表达式确定结构面长期抗剪强度参数，绘制τ∞-σ关系，如图7所示。可得长期剪切强度参数f∞为0.387，C∞为0.1 MPa。

图7 长期强度法向应力和切向应力关系曲线Fig.7 Normal stress and tangential stresscurve in long-term strength

3.2 瞬时强度

采用与流变试验相同的试件以及试验设备进行常规试验，试验同样在泡水条件下进行，各试件的片理面发育和岩性均匀，代表性较一致。根据试验结果得到法向应力σ与切向峰值应力τ的关系，如图8所示。各试验点具有良好的线性关系，可以得到结构面的摩擦系数为0.437,凝聚力为0.5 MPa。

图8 瞬时强度法向应力和切向应力关系曲线Fig.8 Normal stress and tangential stresscurve in instantaneous strength

3.3 长期强度与瞬时强度的比

剪切流变长期强度和快剪瞬时强度参数对比如表1所示。

表1 相应于不同法向应力下长期剪切强度与瞬时剪切强的比Tab.1 Ratio of long-term shear strength to instantaneousshear strength under different normal stresses

根据以上资料，可以看出绿片岩的长期强度具有以下特点。

(1) 绿片岩的极限长期强度与瞬时强度相比有较明显的降低，f∞/f为88.6%，c∞/c为20%。说明强度效应主要表现在c值的降低，而对f值影响相对较小。

(2) 随着法向力σ的增加，τ∞/τ值越来越大。强度比τ∞/τ与法向应力σ有明显相关性，随着法向应力σ的增加，τ∞/τ值越来越大，但增长速率逐渐降低。

4 破坏面分析

各试件流变破坏后剪切面状态如图9～13所示。岩性为杂色角砾状大理岩夹绿片岩透镜体，绿片岩延伸大于3 m，厚度45～60 cm，片理发育、新鲜，大理岩局部少量渗水，但绿片岩整体较干燥,绿片岩产状N30°E/NW∠16°。

试后剪切面状态显示剪切基本沿绿片岩的片理面进行。该绿片岩主要由绿泥石、石英等组成，呈细粒鳞片变晶结构，片状构造为主。其中，τ13(lb)-1-3，τ13(lb)-1-4，τ13(lb)-1-6沿片理面剪断，剪切面新鲜、平直、稍糙、湿润，擦痕明显，稍具丝娟光泽，起伏差一般0～2 cm，覆少许片状岩块及岩屑。这些岩屑泡水饱和后力学属性极差，手搓成粉，试验值能很好地反映该绿片岩的力学属性。τ13(lb)-1-5局部沿两个不同片理面剪切，局部沿岩体剪切，两个片理面性状和τ13(lb)-1-3、τ13(lb)-1-4、τ13(lb)-1-6剪切面性状相似，而岩体剪切面面积约占整个剪切面面积的8%，断口粗糙，起伏差0～1.8cm，新鲜，为细粒变晶结构，千枚状-块状构造，矿物以绿泥石、石英、方解石为主，应为砂岩的原岩经浅变质作用而形成。τ13(lb)-1-2也沿片理面剪切，剪切面波状起伏，起伏差0～3 cm，面新鲜、稍糙、湿润，擦痕明显，局部可见明显的丝绢光泽。因为τ13(lb)-1-6的剪切含岩体剪断以及τ13(lb)-1-2剪切面的波状起伏，在关系曲线图上，其试验值相对偏高。