含水状态对石英砂岩单轴分级蠕变性能影响研究

发布时间：2021-10-19所属分类：工程师职称论文浏览：1175次

摘 要： 摘要：为研究含水状态对深埋岩体开挖卸荷后蠕变力学行为的影响，对干燥状态与饱和含水状态石英砂岩开展单轴分级加载蠕变试验，同时结合声发射技术进行实时监测。结果表明：随着含水率的增加，岩石蠕变失效强度降低，其宏观特征由剪切破坏过渡为劈裂破坏;水的

　　摘要：为研究含水状态对深埋岩体开挖卸荷后蠕变力学行为的影响，对干燥状态与饱和含水状态石英砂岩开展单轴分级加载蠕变试验，同时结合声发射技术进行实时监测。结果表明：随着含水率的增加，岩石蠕变失效强度降低，其宏观特征由剪切破坏过渡为劈裂破坏;水的存在对岩石的瞬时弹性应变和蠕变应变均抑制明显，试件含水饱和后蠕变增量和相应的稳态蠕变速率均明显降低。通过Levenberg-Marquarat算法对蠕变曲线进行拟合和参数辨识，证明Burgers蠕变力学模型能较好表述石英砂岩蠕变特性;试件含水饱和后弹性系数E1、E2和粘性系数η1、η2降低，岩石粘滞性增强，损伤硬化特征明显;试件含水饱和后加载瞬间与蠕变阶段声发射事件能率降低，内部微裂纹演化进程减慢。通过对比分析发现，稳态蠕变阶段声发射事件能率与蠕变速率的演化趋势较一致。试验研究结果可以为工程岩体破裂失稳的预测和防治提供一定的理论参考。

　　关键词：岩石蠕变;分级加载;蠕变速率;参数辨识;声发射

　　1引言

　　深部地下工程在高地应力和硬脆性岩体施工环境下，易伴随岩爆灾害的发生。由于对其预测与防治难度较高，故岩爆的预防与治理一直以来都是地下工程中的重点研究课题[1]。已有研究结果表明：岩体含水率的不同对岩爆灾害发生概率能够产生影响，具体表现为含水率高的岩体较少发生岩爆。这是由于水的作用使岩体内部的孔隙及矿物质之间胶结状态发生变化，并进一步影响其力学行为。

　　岩石蠕变特性是引起岩体工程破坏失稳的重要影响因素。受地下工程开挖时间和方式的影响，岩体的受力状态往往是逐级发生变化的[1-3]。因此开展室内岩石分级加载蠕变试验是研究工程岩体受力演化的有效手段。在岩石蠕变的理论、试验、数值模拟等研究领域，近年来国内外学者取得了较多成果。赵娜等基于刚度系数折减的方法，分析了软岩单轴压缩荷载及软岩蠕变变形过程中刚度系数折减率的变化规律[4]。文献[5-8]通过对不同种类岩石进行蠕变试验，分析了岩石的非稳态蠕变力学特性，并通过蠕变试验结果建立了非线性蠕变力学模型，进一步研究分析了岩石蠕变力学特性。文献[9-10]基于能量耗散理论或细观力学原理，研究了脆性岩石蠕变行为下裂纹演化规律，建立起宏观力学行为与细观裂纹扩展之间的联系。王艳春等基于数值模拟的方法，研究了页岩蠕变过程中热力场和应力场的变化关系，为多场耦合作用下巷道围岩稳定性分析提供了理论依据[11]。

　　声发射(AcousticEmission,AE)是指材料或结构受力发生变形或断裂时，其应变能以弹性波的形式释放的现象。运用声发射监测是研究含水岩石受荷内部裂纹损伤演化的重要方式，对岩体破坏失稳的预测具有重要意义。SHI等研究了砂岩在含有不同长度预制裂纹条件下单轴分别加载与分级加载蠕变声发射的时空演化规律[12]。李安强等基于声发射三维定位技术结合应力应变曲线研究了岩石压缩破裂过程中的时空演化规律[13]。李庶林等通过对岩石试件进行单轴循环加载声发射试验，采用分形理论研究了岩石破坏前的声发射特性[14]。夏冬、文圣勇等通过开展不同含水率条件下岩石压缩声发射试验，发现水对岩石声发射特征有显著影响[15-16]。

　　本文通过对干燥状态及饱和含水状态石英砂岩进行单轴分级加载蠕变试验，并结合实时声发射监测，研究不同含水状态对岩石蠕变行为的影响，分析蠕变过程中主要蠕变参数与声发射事件的变化及关系，以期为工程实际应用提供理论参考。

　　2试验介绍

　　2.1试件制备

　　试验所用岩样取自成昆铁路老鼻山隧道，按照国际岩石力学学会(ISRM)推荐试验规程，通过钻芯、切割、打磨，制成Φ50mm×100mm的标准试件，并于试验前将试件封存放置于无振动干扰环境。

　　经过矿物分析确定岩石类型为石英砂岩。岩石主要由碎屑物和填隙物组成，碎屑物的主要成分为石英、长石、白云母、黑云母等，如图1所示。

　　为减小试件的离散性，通过超声波测试仪对试件进行波速测试，测定其纵波波速范围为2950m/s~3135m/s，并筛除波速相差较大的试件。

　　首先将全部试件进行烘干处理，具体做法为将其在烘干箱内烘干24h，温度设定为110℃，烘干完成冷却至室温后对其进行覆膜处理以防止其含水率发生变化。再对饱和组试件采用自由浸水法浸泡至饱和，测定其含水率。接下来将其分为干燥组和饱和组各6个试件，其中3个用于分级蠕变试验，3个用于单轴压缩试验。表1是测得的单轴压缩试件的物理力学参数均值。

　　2.2试验装置及方案

　　为研究地下工程台阶法等分阶段开挖方式造成岩体受力蠕变的演化规律，试验采用分级加载的方式。在试验方案中，对干燥试件、饱和试件分别进行单轴分级加载蠕变试验，确定其长期强度，试验仪器见图2。各级加载的应力水平依次为岩石长期强度的40%、50%、60%、70%、80%、90%，加载速率为0.1MPa/s，每级应力水平加载12h。试验过程中保持室温(24±2)℃恒定，声发射监测与蠕变试验同步进行。

　　3试验结果分析

　　3.1蠕变失效特征分析

　　干燥与饱和两种状态下的破坏模式均存在主控面和弱化区，其中主控面破坏后表面比较规整，弱化区比较破碎，分级加载下石英砂岩蠕变失效特征明显，见图3。干燥状态下，试件内部矿物质之间胶结力相对较强，粘塑性特征较差。此时内部应力场以剪应力场为主导，岩石主要受剪切滑移作用影响，岩石整体呈剪切破坏，但由于张拉力的存在，局部表现为劈裂破坏。试件含水饱和后，水溶解了试件内部蒙脱石等亲水性矿物质，致使试件内部矿物质之间胶结能力减弱，试件内部粘塑性特征增强。此时在轴力作用下相对于干燥试件其应力场中剪应力已不再占主导地位。在试件内部产生微小剪切滑移面以后，与轴向垂直方向的张拉力迅速占据主导地位，并形成第一个拉伸破坏。之后剪切滑移面继续发育，随之而来的是横向张拉力的扩大，试件继续发生拉伸破坏，且拉伸破坏的程度远大于剪切滑移面的发育程度，最终试件破坏表现为拉伸破坏并伴随少量剪切滑移面。因此在干燥状态下岩石破坏以剪切破坏为主，饱和状态下以劈裂破坏为主;试件失效时有明显的块状破裂，同时伴随着部分粉末状岩屑剥落。

　　试验测得饱和状态下含水率为0.35%的石英砂岩的蠕变破坏强度为干燥状态下的69%，说明水的存在对石英砂岩的蠕变破坏强度有明显的弱化作用。此外，试验结果表明石英砂岩蠕变破坏强度存在一定差异，除岩石含水率这一主要影响因素外，对试验结果存在离散性的有关原因分析如下。1)石英砂岩作为天然脆性材料，即使取自同一初始岩芯，其内部的矿物质构成与细观结构也存在均质性差异，其中石英含量是影响其强度的一个重要因素。以干燥状态蠕变试件为例，在岩石试件纵向和横向各切两个薄片进行矿物分析，其中D-1-1、D-1-2、D-1-3的石英含量分别为65%、58%、65%，其蠕变失效强度对应为145MPa、132MPa、145MPa，由此可知石英含量越高，其强度相对越大。此外试件间还具有不同程度的初始损伤。2)从细观角度分析，在硐室侧壁岩芯取样过程中，未能充分考虑岩芯取样的角度与原始地应力方向的关系。在试件进行轴向加载过程中，岩石所受主应力方向发生变化。但由于岩石内部原始微裂纹及其次生裂纹构成的裂纹群的存在，在室内试验轴向加载过程中，新萌生的裂纹会受其原始裂纹及次生裂纹的方向和数量的影响，从而导致内部微裂纹及损伤演化进程有所差异，在一定程度上引起蠕变失效强度的离散性。

　　3.2蠕变特性分析

　　水对岩石具有软化作用，尤其对软岩效果显著。软化作用的机理是由于水分子进入颗粒间的间隙而削弱了颗粒间的联结造成的。本次试验所用的石英砂岩属于未经风化的结晶岩，其孔隙率、微裂隙发育程度相对软岩较低，软化作用并不明显。

　　由试验结果可知：分级加载条件下干燥状态与饱和状态应变可以分为两个部分，即瞬时弹性应变和蠕变应变。在加载瞬间和稳压阶段，干燥状态岩石所产生的轴向应变量均显著大于饱和状态，如图4(a)所示。饱和状态下同一应力等级的轴向应变量和轴向应变累计量均大幅低于干燥状态。这是由于含水饱合后岩石的变形和岩石骨架的性能与岩石中孔隙的压缩及孔隙水的流动有关。随着含水饱和，细观力学特性表现为岩石骨架的弹性模量降低，宏观表现就是岩石试样的弹性模量降低，这与表3中E1变化趋势一致。

　　干燥状态下岩石试件中孔隙被空气所充满，空气对于孔隙的压缩没有太大阻碍。当石英砂岩孔隙中水的比率达到一定程度时，由于水的压缩系数远远低于空气，因此会表现为试件含水饱和后，岩石试件瞬时弹性模量又有一定量的回弹，此时岩石内部应力场为孔隙水压力与轴向应力的叠加。由于石英砂岩内部非软弱岩石骨架的弹性模量随着含水率的增加而降低的幅度较小，且有一定量的回弹，并且孔隙水与轴向荷载相互作用，使得石英砂岩含水饱合试件瞬时加载和蠕变加载变形量小于干燥状态试件。

　　饱和状态下试件的径向应变比轴向应变的反应更为灵敏，主要表现为同等级应力水平下水的存在使得径向瞬时应变量、蠕变应变量、应变累计量均大幅降低。这是因为干燥状态下岩石稳态蠕变阶段曲线斜率较大，而水的存在使得相邻两级蠕变应变量的差值减小。临近破坏时，两种状态的岩石径向应变量均在短时间内迅速增大，破坏时存在明显的体积扩容现象。

　　将干燥状态与饱和状态试件瞬时应变与蠕变应变数据进行对比，通过分析表2得到以下结果。

　　1)轴向瞬时应变：干燥状态与饱和状态下初次加载所产生的瞬时应变量较大，分别占总应变量的58.5%和28.2%，含水饱和后岩石瞬时应变量降低了51.8%。相同加载等级下饱和状态的瞬时应变量均小于干燥状态，例如在第二级加载时，干燥状态瞬时应变量为0.058×10-2，饱和状态则仅为0.040×10-2。

　　随着应力水平的增大，干燥状态瞬时应变量先减小后呈波动形式增大，饱和状态瞬时应变量占比呈先减小后增大趋势，干燥状态的瞬时应变主要集中在第一级加载瞬间，饱和状态的瞬时应变主要分布在除第一级以外的各级加载瞬间。这是由于饱和状态下水和轴压的相互作用使得岩石抵抗变形能力增强，初次加载时孔隙压密闭合减小。

　　2)径向瞬时应变：初次加载瞬间，干燥状态与饱和状态均产生较大应变，含水饱合后岩石的瞬时应变量降低了34.4%。随后在各等级应力水平加大的情况下，干燥状态瞬时应变量呈先减小后增大的趋势，饱和状态则呈逐渐增大趋势。分析相邻两级加载瞬时应变量的差值发现，饱和状态岩石变化较为平稳。例如干燥状态下应力水平为131MPa和145MPa的径向瞬时应变量差值为4.84%，饱和状态下应力水平为90MPa和100MPa的差值仅为0.22%，这说明水的存在使得岩石弹脆性特征减弱。

　　3)轴向蠕变应变：干燥状态与饱和状态下各级应力水平的蠕变应变量均明显小于瞬时应变量。随着应力水平的增大，干燥状态下蠕变应变量总体呈变大趋势，但其斜率较小。饱和状态下蠕变应变量总体也呈增大趋势，加载前期其相邻两级蠕变应变量差值变化不明显;在临近破坏前的90MPa和100MPa两级加载时，其蠕变应变量在短时间内快速增大，当达到100MPa时，蠕变应变量首次超过瞬时应变量。

　　4)随着应力水平的增大，干燥状态下径向蠕变应变量先减小后增大。在第三级(100MPa)加载过程中，径向蠕变应变量首次超过径向瞬时应变量。在随后的加载过程中蠕变应变量的涨幅较饱和状态明显。饱和状态下蠕变应变量虽然总体呈增大趋势，但前期涨幅并不显著。在临近破坏前第二级加载过程中径向蠕变应变量首次超过瞬时应变量，临近破坏时蠕变应变量在短时间内快速增大。说明水对于岩石前期径向蠕变抑制作用明显，破坏前的很长一段时间内由于水的存在使得岩石径向抵抗变形能力增强。

　　3.3稳态蠕变速率分析

　　对稳态蠕变阶段蠕变速率选用合适的数学函数进行拟合得到图5。由拟合结果可知试件蠕变速率与应力水平关系可用线性函数es=+AB和指数函数enABse=+表示。

　　轴向、径向蠕变速率总体上均随应力水平的提高而变大。干燥状态下应力水平与轴向蠕变速率呈线性关系，临近破坏时蠕变加速度未出现明显的增大。饱和状态下分级加载前期轴向蠕变速率变化不大，临近破坏时函数n值迅速增大。干燥状态和饱和状态下应力水平越高，其与径向蠕变速率指数函数的关系越紧密。整个加载过程前85%的时间内干燥状态蠕变速率均大于5×10-6s-1，相同时间内饱和状态蠕变速率均小于5×10-6s-1。临近破坏时，二者的n值均在短时间内增大，且饱和状态的n值大于干燥状态。蠕变应力水平达到破坏强度时，两种状态下蠕变速率约为20×10-6s-1。

　　干燥状态下同一应力水平轴向和径向蠕变速率差值相对较大，而饱和状态下前80%的时间内轴向和径向蠕变速率差值较小。在最后一级加载时径向蠕变速率明显增大，临近破坏时轴向和径向蠕变速率差值达到最大。在多台阶开挖中，富水岩体轴向蠕变速率开始显著增加或两种方向蠕变速率开始出现明显差值时，预示着破坏即将来临。

　　3.4蠕变力学模型与参数辨识

　　通过对岩石蠕变曲线分析，首先确定岩石蠕变过程包含弹性阶段和粘弹性阶段，再确定蠕变力学模型中应该包含的弹性元件和粘弹性元件，最后通过直接筛选法和后排除法采用Burgers模型描述石英砂岩的蠕变特性，如图6所示。

　　其中瞬时弹性模量E1可由试验结果求得，然后对蠕变试验数据进行拟合，使用1stOpt软件中的Levenberg-Marquarat算法结合通用全局优化算法(UniversalGlobalOptimization)对蠕变曲线进行反演，从而求得其他模型参数。限于篇幅，此处仅列出轴向参数辨识和曲线拟合结果，如表3所示。

　　由表3和图7可知：干燥状态与饱和状态下E1、E2的变化反映了加载瞬间轴向应变量和蠕变应变量的变化规律，其特征与本文3.2节中的分析一致性较高，此处不再赘述;随着应力水平的增大，内部微裂纹发育，岩石呈现出损伤硬化特征，其粘滞性增强，表现为粘滞系数η1降低;其中饱和状态下η1变化较明显，说明水的存在使得岩石损伤硬化加剧，通过对辨识结果与图7进行对比分析，发现二者一致性较好;岩石加载稳压后进入稳态蠕变阶段，总体上干燥状态与饱和状态石英砂岩的η2值均随应力水平的增大而减小，饱和状态下岩石对于η2的变化比较敏感;随着应力水平的提高岩石硬化特征明显，从减速蠕变阶段进入稳态蠕变阶段的时间明显缩短。通过对蠕变拟合曲线和参数辨识结果分析，结果表明：Burgers蠕变力学模型能较好地描述石英砂岩的蠕变特性。

　　3.5声发射特性分析

　　测得岩样取芯处历史最大地应力为36.15MPa，干燥状态与饱和状态试件首级应力水平均超过此值，因此不考虑岩石Kaiser效应对声发射结果的影响。

　　干燥状态与饱和状态下声发射事件随应力水平增大而上升，其中初次加载瞬间能率和振铃计数率均变化较大，这是初次加载时岩石内部裂纹、孔隙被压密闭合的结果。干燥状态下岩石声发射在各级加载瞬间的变化近似呈线性增长。饱和状态下前五级加载瞬间声发射事件的变化并不明显，并且进入蠕变阶段后，其变化较干燥状态也不明显。这是因为蠕变阶段饱和状态下岩石内部微裂纹的演化程度要小于干燥状态，说明水的存在使得岩石损伤硬化加剧，粘滞性增强。临近破坏时岩石内部微裂纹演化程度加剧，迅速完成大量裂纹成核及裂纹贯通演化过程，声发射表现为能率和振铃计数率的迅速上升。

　　将蠕变阶段声发射事件与稳态蠕变速率对比发现(如图8所示)，稳压阶段声发射事件能率和稳态蠕变速率演化趋势基本一致。在将水列为影响因素的岩体工程中，声发射事件的变化可以作为稳态蠕变速率的间接监测手段，从而判断岩石破裂失稳时机。

　　4结论

　　本文通过在微机控制的高温岩石三轴蠕变试验机上对石英砂岩进行单轴分级加载蠕变试验，并运用声发射设备进行实时监测，研究含水状态对其蠕变及声发射特性的影响，得到的主要结论如下。

　　1)含水饱和状态下蠕变失效强度降低。干燥状态下石英砂岩蠕变失效以剪切破坏为主，饱和状态下以劈裂破坏为主。试件破坏后主控面和弱化区分界明显，蠕变失效特征显著。

　　2)岩石轴向、径向瞬时应变量、蠕变量均随应力提高而增大，含水饱和后变化程度有所降低。稳态蠕变速率均随应力水平提高而增大。随着含水率的增大，轴向蠕变速率由线性关系过渡为指数函数关系。同一含水状态且相同应力水平下轴向和径向蠕变速率的差值明显减小，临近破坏时轴向、径向蠕变速率均在短时间内增大。

　　3)Burgers蠕变力学模型能较好地表达石英砂岩蠕变特性。随着应力水平提高，含水饱和后岩石蠕变力学参数呈规律变化，粘滞性增强，岩石损伤硬化明显。

　　4)干燥状态与饱和状态下声发射现象明显，声发射事件数量与应力水平成正比，与含水率成反比。通过与稳态蠕变速率对比分析，能够将声发射的细观裂纹演化与宏观稳态蠕变建立起对应关系。——论文作者：邵珠山1,2靳冬冬1,2陈浩哲1张媛媛1薛涛1

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