二叠系炭质页岩软弱夹层蠕变特性研究*

尤耿明,王光进,,孔祥云,胡 航,陈志斌

(1.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院,云南 昆明 650093；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，金属矿尾矿资源绿色综合利用国家地方联合工程研究中心,云南 昆明 650093)

0 引言

我国西南地区石灰岩矿山中大多发育有单层或多层炭质页岩，其在坡体中形成软弱带或软弱结构面，直接影响了石灰岩矿山边坡的稳定性。炭质页岩软弱夹层大规模滑动破坏事故时有发生，如：重庆武隆鸡尾山滑坡事故，约5×106m3的灰岩山体被炭质页岩软弱结构面切割成“积木块”状崩塌而下，造成74人死亡、8人受伤；四川峨眉山水泥厂滑坡事故，约6×105m3的滑体沿炭质页岩软弱夹层整体发生滑动破坏，造成8人死亡[1-3]。因炭质页岩的强度远低于石灰岩，且位移较大，对时间的敏感度更高，往往成为决定石灰岩矿山边坡长期稳定的关键因素[4]。

在长期的地质演化过程中，岩土的自身结构和受力状态会随着时间发生改变，其力学性质也随之变化；在长期荷载和瞬时荷载的作用下，岩土的抗剪切破坏能力也会有所不同[5-6]。针对岩土长期强度的研究已经取得了一定进展：王明旭等[7]通过对矿化花岗岩试件的三轴蠕变试验，得到了矿化花岗岩的蠕变特性和长期稳定性；刘志河等[8]针对灰石膏矿岩进行了单轴蠕变试验，探究了灰石膏矿岩的蠕变破坏过程和长期压缩蠕变强度；李祖勇等[9]基于冻结红砂岩蠕变试验,利用过渡蠕变法、稳态蠕变速率交点法等多种方法得到冻结砂岩长期强度；周晓飞等[10]采用直剪蠕变仪对边坡岩体中的泥质夹层进行了直剪蠕变试验,通过对模型幂级次的探寻获得了边坡岩体泥质夹层的长期强度；王宇等[11]通过拐点法确定了不同正应力水平下坝基软弱夹层的长期抗剪强度,并与稳态蠕变速率法的计算结果进行了对比验证；张清照等[12]通过过渡蠕变法得出绿片岩试样长期强度基本为瞬时强度的80%左右；刘颖等[13]比较了不同含水状态下岩石的蠕变速率及长期强度变化特征；刘传孝等[14]进行了深部坚硬细砂岩长期强度试验；沈明荣等[15]开展了红砂岩的单轴压缩蠕变试验，利用等时曲线法探讨了红砂岩的长期强度；王振等[16]基于等应变速率曲线拐点法及极限应变法确定了绿片岩的长期强度；崔旋等[17]采用黏塑性应变率法推断了岩石的长期强度；张强勇等[18]运用等时应力-应变曲线簇法探索了硬脆性辉绿岩的流变长期强度；张龙云等[19]根据岩石稳态蠕变阶段轴向和侧向速率交点确定了岩石卸荷蠕变的长期强度；李良权等[20]认为稳态蠕变速率与应力的关系可作为确定岩石长期强度的一种方法。

从目前来看，学者们对岩石长期强度的研究大多基于单轴、三轴压缩蠕变试验，且大多是针对坚硬岩石的长期强度研究，缺乏通过剪切蠕变试验对软弱岩体长期抗剪强度的系统研究。本文通过对二叠系炭质页岩软弱夹层的室内常规剪切试验及剪切蠕变试验，研究软弱夹层的常规抗剪强度及长期抗剪强度，以及软弱夹层的蠕变位移规律及蠕变特性。

1 常规剪切试验

1.1 试验方案

本试验参照所取软弱夹层现场所受到的实际应力状态，对天然状态下的炭质页岩软弱夹层进行常规剪切试验。将密封固定好的试样加工成5个尺寸为 15 cm×15 cm×15 cm的标准试样，分别进行5个不同正应力大小的剪切试验。试验前先对所有位移传感器采集数据直至稳定，再匀速连续施加正应力，达到预定值并稳定10 min后，保持正应力不变，开始匀速连续施加剪应力直至软弱夹层试样被破坏。

1.2 试验结果

图1是软弱夹层常规剪切试验的剪应力-位移曲线，表1是软弱夹层常规剪切试验的抗剪强度指标。

图1 常规剪应力-位移曲线

表1 软弱夹层抗剪强度指标

由图1可以看出：当剪应力达到峰值剪切强度后，试样发生了剪切破坏，然后在较小的剪应力作用下就可使试样持续变形；试样峰值剪切强度随着正应力σ的增大而增大，峰值剪切强度对应的峰值位移也随之增大，呈现出较好的规律性。5个正应力条件下对应不同的峰值剪切强度得到5个坐标点，利用最小二乘法将5个点进行线性拟合得到抗剪强度-正应力变化关系(见图2)，以库仑剪切强度准则为基础求得软弱夹层的黏聚力和内摩擦角。

图2 常规抗剪强度-正应力关系

2 剪切蠕变力学特性试验

2.1 试验方案

本次试验参照软弱夹层所处的实际应力状态,制备3个标准试样，在3个不同正应力状态下分级施加剪应力进行剪切蠕变试验。在加载正应力及剪应力之前，将所有传感器先采集数据 24 h 以上，待位移传感器稳定后匀速连续施加正应力，达到预设值后保持正应力不变，开始分级施加剪应力，每施加一级剪应力前需要前一级剪切蠕变变形趋于稳定。根据常规剪切试验的峰值剪应力预估试样发生流变破坏的剪应力，至少分 5 级剪应力进行加载，直至试样发生流变破坏。具体试验方案如表2所示。

表2 剪切蠕变试验方案

2.2 剪切蠕变位移变化规律

在一定的正应力条件下，逐级施加剪应力，将试验所得数据通过 Boltzmann 线性叠加原理拟合为蠕变曲线。图3为不同正应力条件下的蠕变曲线。由图3可知，二叠系炭质页岩软弱夹层具有明显的蠕变特性，具体可概括为3个阶段。

a.初始蠕变阶段。各级剪应力加载后，试样均出现了瞬时变形，该阶段用时短，剪切位移大，蠕变速率先迅速增大后持续衰减。

b.稳态蠕变阶段。初始蠕变阶段结束后，除最后一级剪应力外，各级剪应力下试样均出现了稳定蠕变，蠕变曲线近似于水平直线，该阶段历时较长，位移微小，蠕变速率趋于0。

c.加速蠕变阶段。在施加最后一级剪应力时，试样出现明显的加速变形，剪切位移在短时间内迅速增大，直至试样破裂。

以正应力为 1.5 MPa 时的剪切蠕变试验结果为例，可知在相同正应力条件下，施加的剪应力越大，试样的蠕变位移和蠕变位移速率越大。表3给出了正应力为 1.5 MPa 时软弱夹层在各级剪应力下的剪切蠕变位移及位移速率。

(a)σ=0.5 MPa (b)σ=1.0 MPa (c)σ=1.5 MPa

表3 软弱夹层的剪切蠕变位移(σ=1.5 MPa )

2.3 长期与常规抗剪强度参数对比

岩石在长期恒定的荷载作用下强度逐渐降低，并趋于一个稳定的临界值。当荷载大于此临界值时，岩石的蠕变变形会不断增加直至破坏；当荷载小于此临界值时，蠕变变形趋于收敛，岩石不会发生破坏；此临界值称为岩石的长期强度。本文通过对软弱夹层试样的分级加载蠕变试验，基于每一级剪应力水平下的蠕变曲线，以不同时间为参数，得到一簇位移-剪应力等时曲线(见图4)，曲线的拐点所对应的剪应力水平即为岩石的长期抗剪强度。由3个正应力条件下的长期抗剪强度得到3个坐标点，通过线性拟合得到如图5所示的抗剪强度-正应力关系，求得试样的黏聚力C和内摩擦角φ(见表4)。由表4可知，软弱夹层的长期抗剪强度明显小于常规抗剪强度，其黏聚力的降幅为 42.5%，内摩擦角的降幅为25.3%，由此表明黏聚力对时间的敏感度比内摩擦角高。

(a)σ=0.5 MPa (b)σ=1.0 MPa (c) σ=1.5 MPa

图5 长期抗剪强度-正应力变化关系

表4 长期与常规抗剪强度参数对比

3 结论

通过对二叠系炭质页岩的常规剪切试验及剪切蠕变试验,得到以下主要结论：

a.在常规剪切试验中，软弱夹层峰值剪切强度、峰值位移与正应力正相关，正应力越大，试样的抗剪切能力越强。

b.在剪切蠕变试验中，通过Boltzmann 线性叠加原理得到软弱夹层蠕变曲线，软弱夹层蠕变特性表现为初始、稳态、加速三个变形阶段；初始蠕变阶段位移速率先增大后减小，直至位移变形稳定后进入稳态蠕变阶段；最后一级剪应力下，出现加速蠕变阶段，位移不断增加直至试样破坏。在相同正应力条件下，剪应力增大，软弱夹层的蠕变位移和蠕变速率随之增大。

c.软弱夹层的长期抗剪强度明显小于常规抗剪强度，黏聚力降幅较大，对时间的敏感度较高。