不同温度下引水隧洞围岩单轴加卸荷蠕变分析

姜海涛

(中铁十九局集团 第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

岩石的流变特性是引发地下工程围压失稳的关键因素，而温度变化对引水隧洞、隧道、巷道及地下天然气低温储存工程等地下工程围岩的长期稳定性影响显著.因此，有必要对岩石在低温环境下的长期力学响应与形变机制进行研究[1].

近些年，国内外学者对负温环境下岩石材料的力学特性和损伤响应机制方面的研究成果显著.徐光苗等通过MTS815伺服试验系统对不同饱水状态、不同温度下的页岩和砂岩进行了单、三轴压缩试验研究，分析了2种岩石的抗压强度、弹性模量等力学参数随温度和水饱和度的分布规律[2].唐明明等同样采用MTS815伺服系统对花岗岩进行了不同温度环境的三轴压缩试验，发现岩石的峰值强度并非一味地随温度的降低逐渐增大，而是逐渐趋缓，最终趋于稳定，即临界温度为-40 ℃[3].奚家米等对不同温度下饱水泥质砂岩进行了三轴压缩试验[4].李栋伟等对白垩系冻结砂岩进行了三轴压缩蠕变试验，并基于Mise和M-C准则建立了冻结砂岩的蠕变模型[5].单仁亮等通过冻结红砂岩三轴蠕变试验，建立了考虑温度效应的三轴蠕变模型，并根据试验数据对模型进行了验证，效果良好[6].

本文在前人研究的基础上，对辽宁朝阳白石无压引水隧洞砂岩进行不同温度环境下的单轴压缩加卸荷蠕变试验，研究分析了温度对岩石在蠕变过程中瞬弹、瞬塑、黏弹和黏塑性应变随温度的演化规律，为低温地区隧道等地下工程开挖提供宝贵的试验依据.

1 试验方案

本文试验旨在揭示在季冻区进行引水隧洞开挖时围岩的长期稳定性，为季冻区类似工程提供相应的技术依据.

1.1 试验仪器

本文试验均在MTS815.02岩石力学试验系统上完成.该试验机是由美国生产的专门针对岩石类材料力学特性测试的多功能全自动伺服试验机，具有独立的围压、轴压和孔隙水压加载系统，该试验机还可对试样的轴向变形和径向变形进行同步测量.

1.2 试样制备

本文岩样为采自辽宁朝阳白石无压引水隧洞的致密砂岩，无裂隙、节理等天然缺陷，整体呈灰白色.试样在现场粗加工后运至室内实验室进行细加工，经切割、钻孔取芯、打磨，最终加工出直径50 mm、高100 mm的满足国际岩石力学试验标准的圆柱试件，如图1所示.岩样粒径为0.01～0.43 mm，干容重为28.74 kN/m3，单轴抗压强度为108.47 MPa.

图1 制备好的砂岩试样

1.3 试验方法及过程

将制备好的岩样在恒温水域中浸泡48 h后取出，擦干表面水分，采用乳胶套对试样进行密封，之后放入低温冻结控制仪中冷冻36 h.同时，MTS815试验机压力室温度同样调节至预定值，待试样从低温控制仪中取出后，立即放入三轴压力室内继续冻结1 h.该过程是为了保证试样在全程均处于冻结状态，以此来模拟高寒区围岩所处的外部环境.浸水试样及试样安装过程记录如图2所示.

图2 试样及试样安装过程

为对比分析不同负温环境下砂岩试样在同一荷载水平下的蠕变力学特性，需根据试样单轴抗压强度来计算各级荷载水平，根据各级荷载水平对砂岩进行多级单轴加卸荷蠕变试验.设置加载速率为0.02 MPa/s，每级荷载加载时间为9 h，之后以0.03 MPa/s的卸载速率完全卸载至0 MPa，3 h后继续加载至下一级荷载水平，如此循环往复.根据隧道所处的地区气象资料可知，朝阳白石地区冬季最低温度为-20 ℃，夏季最高温度为30 ℃，因此，本文取试验温度分别为20、10、0、-10、-20 ℃，每种温度工况下进行3组平行试验，分别记试样编号为M1、M2、M3、M4、M5.

1.4 试验结果

本文采用宋军勇等对单轴加卸荷蠕变试验数据的处理方法来绘制砂岩蠕变曲线[7].砂岩试样在20、10、0、-10、-20 ℃时的分级单轴加卸荷蠕变曲线如图3所示.

图3 不同温度下砂岩单轴加卸荷蠕变曲线

由图3可以发现：温度对岩石的流变性具有较为明显的影响，同一荷载水平下，砂岩试样的瞬时应变、蠕应变均随温度的逐渐降低而减小，试样破坏时应力水平则随温度的降低而逐渐增大；不同温度条件下，试样在破坏前各级荷载水平下均表现出衰减蠕变和稳定蠕变阶段，加速蠕变阶段则在最后一级荷载水平下产生.

由图3还可以看出：砂岩试样的瞬时应变和蠕应变均随着温度的降低呈显著减小趋势，以第1级荷载水平为例，随着温度的逐渐降低，砂岩试样的瞬时应变分别为0.371%、0.284%、0.179%、0.142%、0.098%，瞬时应变减幅分别为23.45%、36.97%、20.67%、30.98%；砂岩试样的蠕变量分别为0.451%、0.287%、0.201%、0.163%、0.117%，蠕应变减幅分别为36.36%、29.97%、18.91%、28.22%.

2 试验结果分析

随着温度的逐渐降低，试样M1在第3级荷载处发生失稳破坏，此时的蠕变破坏应力为90 MPa；类似地，M2、M3、M4试样分别在第4、5、6级荷载水平处发生失稳破坏，破坏应力分别为100、110、120 MPa；而M5试样在第6级荷载处只发生了衰减和稳定蠕变，并未发生加速蠕变，其原因可能是由于温度在-20 ℃时砂岩试样内部孔隙水全部冻结成冰，致使岩石强度及抗压性能显著增强，而-10 ℃时出现加速蠕变的原因可能是由于此时岩石内部孔隙并未完全冻结，内部孔隙中还残留部分液态水，岩石强度提升幅度较弱，致使该条件下砂岩试样出现加速蠕变破坏.

2.1 瞬时应变

根据单轴加卸荷应变数据的计算方法可知[7]，岩石的瞬时应变是由瞬时弹性应变与瞬塑应变共同组成.图4为不同试验工况下的瞬弹应变随荷载水平变化的分布规律，可以发现：砂岩试样的瞬弹应变随荷载水平的增大呈递增趋势；相同荷载水平下，随着温度的逐渐降低，瞬弹应变逐渐减小.以第1级荷载水平为例，试样M1～M5的瞬弹应变分别为0.234%、0.187%、0.127%、0.098%和0.081%，温度由20 ℃降至-20 ℃，瞬弹应变降幅达到65.38%.限于篇幅，文中并未给出瞬塑应变随荷载水平的分布曲线，但根据试验数据可知：M1～M5的瞬塑应变分别为0.133%、0.116%、0.107%、0.078%和 0.073%，温度由20 ℃降至-20 ℃，瞬塑应变降幅为41.59%，可见温度对岩石在蠕变过程中的瞬时应变影响较大，温度的降低能够显著地提升岩石材料的抗变形能力，抑制岩石类材料在长期荷载作用下的裂隙发育，且根据本文研究发现，温度对瞬弹应变影响显著.

图4 不同温度下瞬弹应变与荷载关系曲线

2.2 黏弹及黏塑性应变

同样根据单轴加卸荷应变数据的计算方法可知[7]，岩石的蠕应变是由黏弹应变和黏塑应变共同组成.图5为不同试验工况下黏塑应变随荷载水平的分布规律，可以发现：不同温度环境下，岩石的黏塑应变随荷载水平的逐渐增大而增大；相同荷载水平下，黏塑应变随温度的降低而逐渐减小.以试样M5为例，随着荷载水平的逐渐增大，黏塑应变占蠕应变比例分别为41.75%、46.71%、51.58%、56.59%和60.06%.

图5 不同温度下黏塑应变与荷载关系曲线

由图5还可以看出：荷载水平越高，黏塑应变占比越大，岩石在高应力水平作用下流变性逐渐显现，蠕变速率逐渐加快，蠕变进入加速蠕变阶段，可认为此阶段蠕变全部为黏塑应变；随着荷载水平的继续增大，试样在应力加载历史和时间的作用下最终失稳破坏.因此，黏塑应变是工程岩体流变失稳破坏的关键因素.

3 结论

1) 同一荷载水平下，砂岩试样的瞬时应变、蠕应变均随温度的逐渐降低呈单调递减趋势，岩石破坏荷载水平则随温度的降低呈单调递增趋势.不同温度条件下，试样在破坏前各级荷载水平下均表现出衰减蠕变和稳定蠕变阶段，加速蠕变阶段则在最后一级荷载水平下产生.

2) 砂岩的瞬弹应变、瞬塑应变均随荷载水平的增大而逐渐增大；同一荷载水平下，随着温度的逐渐降低，瞬弹、瞬塑应变呈单调递减趋势.不同温度环境下，砂岩的黏弹、黏塑应变均随荷载水平的逐渐增大而增大，同一荷载水平下，黏弹、黏塑应变均逐渐减小.