冻融循环对新疆寒区风电场地基泥岩长期力学性质影响

李寒暝

（新疆水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 831000）

1 引言

泥岩地层是我国西北地区常见地质条件之一，且其性质差异较大，为风电场、水电大坝等工程带来一定的威胁[1-3]。我国新疆地区一年四季、昼夜气温变化较大，冻融循环作用下地基土力学性质会产生较大的变化，地基土的长期力学性质劣化[4-6]。张敏、胡泽明等[7-8]以泥岩地层为研究对象，深入研究倾角对泥岩地基及滑坡稳定的影响；张强星等[9]对某盐岩储气库中的泥岩展开室内长期单轴蠕变试验，并基于试验结果及理论知识推导出了泥岩长期强度确定方法。

现有的针对泥岩力学性质的研究主要是从其强度或蠕变行为防线刚展开的，却未能考虑到冻融循环对泥岩的力学性质的影响[10-11]。因此，本文通过室内制备经历不同冻融循环次数的泥岩，并对其展开三轴分级加载蠕变试验，深入探讨冻融循环对泥岩蠕变变形行为及长期强度的影响。

2 工程背景

新疆哈密烟墩第六风电场工程位于新疆自治区哈密市东南约100 km,骆驼圈子东南的戈壁滩上。本期工程拟开发利用面积约60 km2,计划装机规模为200 MW,设计1.5 MW风机134 台,风机的基础形式为钢筋混凝土预应力墩基础,基础埋深大于3 m。新疆哈密千万千瓦级风电基地东南部风区200 万kW项目分为烟墩、苦水两个区域,共计10 个风电场,总装机规模为2000 MW,按照风电特许权项目进行建设和管理。其中烟墩区域风电场由六个风电场组成,装机容量1200 MW,每个风电场设置一个监控中心,第一、第二风电场合建一座220 kV升压变电所,第四、第五风电场合建一座220 kV升压变电所,第三、第六风电场合建一座220 kV升压变电所；苦水区域风电场由四个风电场组成,装机容量800 MW（4×200 MW）,每个风电场设置一个监控中心,第一、第二风电场合建一座220 kV升压变电所,第三、第四风电场合建一座220 kV升压变电所。

3 试样制备与试验设计

3.1 试样制备

本次试验研究所用试样均取自新疆哈密烟墩第六风电场工程。图1 为钻孔并加工完成后的泥岩三轴蠕变试验所用试样,根据相关《工程岩体试验方法标准》[12],将试样加工为高度为100 mm,直径为50 mm的标准试样。经过测定,泥岩试样的密度在2.50 g/cm3~2.64 g/cm3之间。

图1 泥岩试样

3.2 试验方案

本次试验主要研究目的为探讨泥岩在冻融循环条件下的蠕变力学行为,因此,室内设计循环次数分别为0 次、10 次、20 次、30 次四种不同循环次数下的泥岩三轴蠕变试验。首先,需要对泥岩试样进行冻融循环处理,具体操作流程如下：

（1）将泥岩试样全部放入真空饱和设备中进行负压饱和,饱和时间为48 h。

（2）取出试样并擦干后,将试样范围四组,利用TDS冻融试验机按照每组为0 次、10 次、20 次及30 次四种不同循环次数进行冻融试验,其中,上限温度为20 ℃,下限温度为-20 ℃,定义每次循环为12 h的冻融后再放入20 ℃水中浸泡12 h,以此类推。

利用大型程控液压伺服设备（图2）开展岩石三轴蠕变试验,该设备可实现最大轴压为2000 kN,最大围压为100 MPa,利用LVDT位移计进行位移监测,其量程为-2.5 mm~+2.5 mm,上述实验设备精度均控制在0.5%以内。采用陈氏加载法进行三轴蠕变试验。控制围压为5 MPa,轴向加载分为五级,每级荷载分别为10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa及50 MPa。在加载过程中以力控模式控制加载速率为30 kN/min （约为0.25 MPa/s）,每级蠕变稳载时间为18 h。

图2 三轴蠕变试验设备

4 试验结果分析与讨论

4.1 蠕变曲线分析

不同冻融循环次数下的泥岩三轴蠕变曲线见图3,由图3可知,对于不同冻融循环次数的泥岩,其蠕变曲线均表现出典型的岩石蠕变变形曲线特征。瞬态蠕变的产生是由于轴向荷载的突然增大导致的弹性变形或弹塑性变形,由于加载速度快、加载时间段,因此在蠕变曲线上近似竖向或高斜率线段。对于分级加载蠕变试验法,岩石在每一级递增荷载作用下均会产生瞬态蠕变,但由于岩石本身在蠕变作用下产生了一定程度的损伤,因此其弹性模量有所降低,因此每一级产生的瞬态变形逐渐增大。在减速蠕变阶段,泥岩蠕变变形量持续增大,但蠕变量增大速率越来越小,直到进入稳态蠕变阶段,泥岩的蠕变变形逐渐增大但蠕变速率趋于平稳。在减速蠕变以及稳态蠕变阶段,泥岩内部裂纹的产生较少,主要为微裂纹的生长于萌芽,此时泥岩的损伤程度并不高,因此表面并没有产生明显的破坏裂纹。当荷载增加到某一级时,泥岩进入加速蠕变阶段。加速蠕变阶段泥岩的轴向变形迅速增大,直至破坏。此阶段持续时间较短,岩石发生破坏的速度快,进入加速蠕变阶段后很快便产生了宏观裂纹,泥岩试样完全破坏。

进一步分析冻融循环对于泥岩蠕变力学行为的影响,由图3 可知,对于泥岩,其冻融循环次数越多,则在同一级蠕变荷载作用下产生的蠕变变形则越大,以第一级荷载为例,在20 MPa应力作用下,冻融循环次数为0 次、10 次、20 次及30 次的泥岩试样产生的瞬态变形量分别为0.01%、0.02%、0.04%及0.07%,第一级蠕变结束后应变分别为0.02%、0.04%、0.06%、0.09%。此外,相较于其他试样,冻融循环次数为30 次的泥岩试样在第四级荷载下即产生破坏,而其他试样均在第五级荷载下产生破坏。分析认为,在冻融循环过程中,冻结导致了泥岩内水分结冰后,产生了一定的体积膨胀,而由于体积膨胀导致泥岩内部产生的裂隙在融化过程中无法恢复,泥岩内部产生了大量的空隙,造成了岩石损伤及力学性能弱化。因此,随着冻融循环次数的增加,泥岩的变形特性更加明显。

图3 不同冻融循环次数下泥岩蠕变曲线

4.2 蠕变速率曲线分析

图4 为泥岩蠕变速率曲线,由于试样较多且试样的蠕变速率曲线形态基本一致,受文章篇幅限制,本文仅给出为进行冻融循环的试样的蠕变速率曲线。由图4 可知,在未发生破坏的前几级荷载作用下,泥岩的蠕变速率曲线呈“L”形,这是由于在加载过程中,岩石产生的瞬态变形较大,因此蠕变速率要高出2~3 个数量级,而随着蠕变过程的逐渐进行,岩石蠕变速率逐渐降低,此特征对应为减速蠕变阶段。在稳态蠕变阶段,岩石的蠕变速率基本不变,但低荷载下岩石未进入加速蠕变阶段,因此蠕变速率曲线呈“L”形。而在最后一级荷载作用下,由于泥岩此时进入了加速蠕变阶段,因此在蠕变速率曲线末端出现高蠕变速率数据点,因此最后一级蠕变速率曲线呈“U”形。

4.3 长期强度确定

对于边坡工程,岩石的长期强度是保证工程稳定的重要指标。岩石在承受长期荷载期间,随着变形的增加,材料本身的力学性能被不断弱化,其强度也随之降低,从而造成承载能力降低的情况,因此很多工程失稳都是因为长期强度较大造成的。等时应力-应变曲线法由于其简捷、直观的优势,因此在确定岩石的长期强度中得到了广泛的应用。以试验加载全过程岩石试样的蠕变曲线为对象,根据文献中的方法,取适当时刻的轴向、横向等时应力及应变关系。经过确定,不同冻融循环次数下泥岩的长期强度分别为35.30 MPa、32.17 MPa、29.78 MPa及25.32 MPa。由此可见,冻融循环次数越多,泥岩长期强度越低。

5 结论

基于室内三轴分级加载蠕变试验,对不同冻融循环次数条件下炭质灰岩的蠕变力学行为及长期强度特性研究。研究主要结果如下：

（1）不同冻融循环次数下泥岩的蠕变曲线均具有典型的岩石蠕变曲线特征,随着冻融循环次数的增加,泥岩的变形能力不断增强,同级荷载作用下轴向变形更明显。

（2）在低应力作用下泥岩的蠕变曲线呈“L”形,进入加速蠕变后该级蠕变速率曲线呈“U”形。

（3）冻融循环次数越多,泥岩长期强度越低,不同冻融循环次数下泥岩的长期强度分别为35.30 MPa、32.17 MPa、29.78 MPa及25.32 MPa。由此可见,冻融循环对泥岩的力学性质具有明显的劣化效应。