孔隙水压作用下隧道围岩的卸荷蠕变特性

张 平

(中铁十九局集团 第三工程有限公司, 沈阳 110136)

0 引 言

岩石蠕变是岩石类材料的重要性质，蠕变对于地下结构的长期安全稳定具有重要影响。蠕变包括加载蠕变和卸载蠕变，通常地下硐室开挖属于卸荷过程。地下水同样对隧道等地下硐室围岩的安全稳定具有重要影响。针对上述影响因素，文中开展了考虑孔隙水压作用下的三轴卸荷蠕变实验。

近年来，我国学者对岩石的蠕变力学特性进行了大量研究。姜海涛[1]通过MTS815.02三轴实验系统对白石水电站引水隧洞围岩进行了不同温度环境下的单轴卸荷蠕变实验。张龙云等[2]对花岗岩开展了温度为50 ℃、不同围压下的三轴卸荷蠕变实验，分析了花岗岩的卸荷蠕变力学特性及宏观破坏机制。任青阳等[3]以贵州某高速公路项目为工程背景，对项目泥质砂岩进行了恒轴卸围实验和等比例同时卸围压、轴压实验，分析了不同应力路径下泥岩的变形破坏特征。黄达等[4]以雅砻江锦屏一级水电站为工程背景，对该项目大理岩进行了分级卸荷蠕变实验，分析了不同分级卸荷量下大理岩的力学变化特征。闫子舰等[5]同样以锦屏一级水电站引水隧洞为工程背景，采用恒轴压、卸围压实验对大理岩进行了三轴卸荷蠕变实验，分析了卸荷条件下大理岩的应力状态及变形特征。朱杰兵等[6]通过三轴卸荷蠕变实验对页岩的卸荷蠕变特性进行了研究。张树光等[7]通过不同卸荷量的三轴卸荷蠕变实验，建立了考虑卸荷量的损伤蠕变模型，并对模型参数进行了验证。蒲成志等[8]建立了考虑时效损伤的蠕变模型，并通过砂质页岩三轴卸荷蠕变实验对其所建立的模型进行了验证。杨超等[9]为研究断续岩体的卸荷蠕变特性，采用完整砂岩试样切割后填充水泥砂浆来模拟断续岩体，并对其进行了三轴卸荷蠕变实验。张军伟等[10]基于煤样的三轴卸荷实验，对不同卸荷速率下的煤样卸荷力学特性进行了研究，并从能量角度分析了卸荷过程中煤样的能量演化特征。

综上分析，已有研究对孔隙水压作用下的岩石力学特性进行了较为详细的研究，但对孔隙水压作用下岩石的卸荷力学特性研究相对较少。基于此，在总结前人研究的基础上，结合辽宁某在建隧道的工程实际，对该隧道砂岩展开了考虑孔隙水压作用下的三轴卸荷蠕变实验，分析了不同孔隙水压的蠕变曲线、瞬时应变及蠕应变随孔隙水压分布规律，为工程实际提供可靠的理论依据。

1 实 验

1.1 实验设备与试样制备

此次砂岩三轴卸荷蠕变实验在MTS815多功能岩石实验机上完成(图1a)。该设备具有3套独立的加载系统，包括轴压、围压及孔隙水压加载系统。其中，轴压系统采用了伺服电机、液压及滚珠丝杠等技术，具有较好的稳压效果。实验用砂岩采自隧道施工现场，主要成分为石英、长石、云母等。将现场岩块进行粗加工后运抵室内实验室，经过钻孔、切割、打磨，制成直径50 mm、高度100 mm的标准圆柱试件(图1b)。

图1 实验设备与砂岩试样Fig. 1 Test equipment and sandstone samples

1.2 实验方法与结果

此次孔隙水压作用下的砂岩三轴卸荷蠕变实验的应力路径为恒轴压、逐级卸围压。考虑到蠕变实验时间相对较长，尽可能的得到蠕变全过程曲线，取第一级荷载水平为对应条件下砂岩峰值强度的70%左右，以此来确保试样能够在3～5级荷载范围内发生破坏，进而得到包括加速蠕变阶段的全过程蠕变曲线。在实验开始前需对砂岩试样进行饱水处理。根据隧道实际埋深，文中取三轴实验围压为40 MPa，轴压为220 MPa，偏应力为180 MPa，孔隙水压分别为0、5、10、15 MPa。具体实验过程如下：

(1)安装试件，采用热缩管将岩石试样及上下带有密封圈的垫块包裹住，使用环锢将热缩管两端套紧，防止液压油进入管内影响实验结果。

(2)安装孔隙水压进水高压管。

(3)安装轴向及环向位移引伸计，调整试样轴心位置，使其与实验机轴心重合，封闭三轴压力室。

(4)对三轴压力室充油，油满后设置围压、轴压及孔隙水压至预定值。首先，施加围压，加载速率为0.5 MPa/s，然后以相同速率施加孔隙水压，最后以0.5 MPa/s的加载速率施加轴向应力至预定值。

(5)待上述步骤完成后，开始卸围压至预定值，卸载速率为0.1 MPa/s，保持该应力状态一定时间后再卸载下一级围压，直至实验失稳破坏，提取实验数据，进行下一组实验。

根据上述实验方案，不同孔隙水压作用下的砂岩卸荷蠕变曲线如图2所示，限于篇幅，文中仅给出孔隙水压0和15 MPa的实验数据，见表1。其中，σ为轴向应力，σ1-σ3为偏应力，t为蠕变时间，pw为孔隙水压，ε1为瞬时应变，ε2为蠕应变，k=ε1/ε2。实验中，当围压pz和轴压分别达到40和220 MPa时，开始卸围压，卸载速率为0.1 MPa/s，每级卸载水平为5 MPa，直至试样破坏。

表1 不同孔隙水压下砂岩三轴卸荷蠕变实验结果

图2 不同孔隙水压下砂岩三轴卸荷蠕变曲线Fig. 2 Triaxial unloading creep curves of sandstone under different pore pressure

2 结果与分析

2.1 不同孔隙水压下的蠕变曲线

为了更加清晰的观察不同孔隙水压下砂岩卸荷蠕变曲线之间的差异，将不同孔隙水压下的蠕变曲线绘于同一图中，如图3所示。

图3 不同孔隙水压下的砂岩蠕变曲线Fig. 3 Creep curves of sandstone under different pore pressures

由图3可知，孔隙水压对试样的卸荷蠕变特性具有显著影响。文中将从蠕变曲线、瞬时应变、瞬时变形模量、蠕应变、体积应变及蠕变速率等方面对不同孔隙水压作用下砂岩卸荷蠕变实验结果进行分析。

由图3可知，在同一荷载水平下，随着孔隙水压的逐渐增大，蠕变破坏所需时间逐渐缩短，试样的变形量逐渐增大，变形能力逐渐增强，最终的破坏荷载水平逐渐减小。在最后一级荷载水平作用下，无孔隙水压作用下砂岩试样的加速蠕变曲线相对缓和。随着孔隙水压的逐渐增大，试样的加速阶段曲线逐渐变陡。当孔隙水压为15 MPa、荷载水平加载至190 MPa时，试样在经历短暂的蠕变后直接发生破坏，加速阶段减弱，试样表现出显著的脆性破坏特征。可见，孔隙水压对岩石试样具有较为强烈的损伤劣化作用。其原因可解释为，孔隙水压能够使试样内部裂隙尖端产生附加拉应力，使裂隙的扩展能力得到增强，且孔隙水压越大，相同条件下试样内部孔隙的扩展能力越强。

2.2 孔隙水压对砂岩卸荷瞬时应变的影响

在卸围压瞬间试样产生了变形，即瞬时变形。图4为不同荷载水平下砂岩试样的瞬时应变随孔隙水压的变化曲线。由图4可知，砂岩试样的轴向应变、横向应变均随孔隙水压的增大而逐渐增大，且增幅有逐渐递减趋势。孔隙水压在岩石蠕变过程中所产生的影响是动态变化的。当轴向荷载为零时，孔隙水压对岩石的影响范围有限，仅在局部产生劣化，削弱岩石的承载能力。随着轴向荷载的增大，试样内部新生裂隙开始发育扩展，孔隙水压将沿着新生裂隙逐渐扩散，影响范围逐渐增大，并逐渐形成一条宏观裂缝。裂缝以外的范围将不再产生明显裂隙，此时的孔隙水压影响范围达到极限。孔隙水压对岩石承载能力的削弱不会再像刚开始时强烈，因此，试样的瞬时应变增幅逐渐减小。

图4 孔隙水压对瞬时应变的影响Fig. 4 Effect of pore water pressure on transient strain

从图4中还可以看出，相同荷载水平及孔隙水压下，试样轴向瞬时应变均大于横向瞬时应变，且轴向瞬时应变的变化率同样大于横向瞬时应变。以荷载水平195 MPa为例，当孔隙水压为0时，试样的轴向瞬时应变为0.069%，横向瞬时应变为0.057%；当孔隙水压增大10 MPa时，试样的轴向、横向瞬时应变分别为0.088%、0.061%，其中，轴向瞬时应变的变化率为0.002 4，横向瞬时应变的变化率为0.000 5，验证了前述观点。

2.3 孔隙水压对砂岩蠕应变的影响

图5为不同荷载水平下砂岩试样的卸荷蠕应变随孔隙水压的分布曲线。随着孔隙水压的逐渐增大，试样的蠕应变呈逐渐递增趋势，且荷载水平越高，曲线的斜率越高，表明孔隙水压随砂岩蠕应变的影响越显著。

图5 蠕应变与孔隙水压的关系Fig. 5 Relationship between creep strain and pore water pressure

图6为不同荷载水平下砂岩的蠕应变与瞬时应变比值随孔隙水压的分布规律。二者比值同样随孔隙水压的增大呈逐渐递增趋势。以孔隙水压15 MPa为例，当荷载水平为 185 MPa时，试样的轴向蠕应变为0.047%，横向蠕应变为0.040%，轴向蠕应变与瞬时应变比值为0.6，横向蠕应变与瞬时应变比值为0.91；当荷载水平为190 MPa时，轴向蠕应变为0.054%，横向蠕应变为0.062%，轴向蠕应变与瞬时应变比值为0.63，横向蠕应变与瞬时应变比值为0.95。通过上述数据分析可知，荷载水平直接影响孔隙水压在岩石卸荷蠕变过程中的作用。

图6 砂岩卸荷蠕应变与瞬时应变比值随孔隙水压的变化规律Fig. 6 Ratio of unloading creep strain to instantaneous strain varies with pore water pressure

产生上述图中现象的原因可通过损伤力学角度进行解释。岩石类材料发生蠕变，其实质是内部微观结构在外荷载作用下随时间不断改变、内部孔隙裂隙不断扩展、损伤逐渐积累的过程。岩石的损伤程度将直接影响其蠕变过程，而试样内部的损伤程度与荷载、时间及孔隙水压有直接联系。一般情况下，岩石的损伤程度随荷载水平升高逐渐增大，随蠕变时间的延长逐渐增大，随孔隙水压的增强逐渐增大。在有孔隙水压的作用下，试样内部的裂隙更易张开，损伤程度更加严重。因此，同一荷载水平及作用时间下，有孔隙水压的蠕变量更大。

3 结 论

(1)相同荷载水平下，孔隙水压越大，蠕变破坏所需时间越短，试样的变形量越大，变形能力越强，最终破坏荷载水平越小。在最后一级荷载水平作用下，无孔隙水压作用下砂岩试样的加速蠕变曲线相对缓和。随着孔隙水压的逐渐增大，试样的加速阶段曲线逐渐变陡。

(2)相同荷载水平下，随着孔隙水压的逐渐增大，砂岩试样的轴向应变、横向应变均呈逐渐递增趋势，且增幅逐渐减小；试样的蠕应变呈逐渐递增趋势，且荷载水平越高，曲线的斜率越高，表明孔隙水压随砂岩蠕应变的影响越显著。根据砂岩的卸荷瞬时应变与蠕应变的比值随孔隙水压的分布规律发现，二者比值同样随孔隙水压的增大呈逐渐递增趋势。