考慮含水率的紅砂巖蠕變力學特性試驗研究*

王曉峰，史忠毓

(1.自然資源部基巖區(qū)礦產(chǎn)資源勘查工程技術創(chuàng)新中心，貴州 銅仁 554300；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一○三地質(zhì)大隊，貴州 銅仁 554300)

紅砂巖在我國西南地區(qū)廣泛分布，受賦存環(huán)境和人為活動影響，具有較強的蠕變效應[1-2]。水是影響巖石蠕變的重要因素之一，內(nèi)陸港口地基工程建設中，巖石地基在地下以及地表水徑流的作用下，易發(fā)生蠕變變形，威脅港口地基工程長期穩(wěn)定性[3]，由此開展紅砂巖在不同含水條件下的蠕變力學特性研究。

對于不同含水條件下的巖石蠕變特性試驗研究已有一定成果：張春陽等[4]開展斜長角閃巖在干燥和飽和狀態(tài)下的單軸壓縮蠕變試驗，發(fā)現(xiàn)飽和狀態(tài)下巖石瞬時及長期強度低于干燥狀態(tài)，蠕變量高于干燥狀態(tài)；巨能攀等[5]進行了3種含水率下的紅層泥巖三軸蠕變試驗，試驗表明含水率的升高促進蠕變速率的提升，非線性蠕變程度隨含水率升高而愈得到體現(xiàn)；秦哲等[6]以花崗質(zhì)碎裂巖為研究對象，開展不同飽水-失水循環(huán)次數(shù)下的三軸蠕變試驗，發(fā)現(xiàn)隨著飽水-失水循環(huán)次數(shù)的增加，瞬時及蠕變應變遞增，蠕變速率遞增；于超云等[7]完成紅砂巖在不同含水狀態(tài)下的單軸壓縮蠕變試驗，認為隨著含水率的提升，穩(wěn)態(tài)蠕變速率呈指數(shù)形式遞增，蠕變應變和破壞時間遞減；姚強嶺等[8]以細粒長石巖屑砂巖為試驗對象，進行不同含水率下的三軸壓縮蠕變試驗，指出巖石長期強度隨著含水率增大呈指數(shù)降低趨勢，長期強度與瞬時強度比值為0.3～0.5。

本文研究對象為貴州地區(qū)某內(nèi)陸港口地基工程紅砂巖，開展4種含水條件下的三軸壓縮蠕變試驗，分析蠕變試驗結果，探究不同含水條件下紅砂巖應變特征、蠕變速率和長期強度的變化規(guī)律，并對比長期強度和瞬時強度關系。研究成果可為紅砂巖蠕變特性研究及港口地基長期穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試驗方案設計

研究對象為貴州地區(qū)某內(nèi)陸港口地基工程紅砂巖，其在水的作用下蠕變現(xiàn)象較為明顯。在基坑內(nèi)鑿取新鮮巖樣，密封后運回實驗室制備直徑50 mm、高100 mm的圓柱體試樣，將兩端打磨削平。經(jīng)X衍射可知，紅砂巖由碎屑物(74%)和膠結物(26%)組成，碎屑物主要由石英(61%)、長石(12%)、巖屑(1%)等組成，膠結物主要由方解石(16%)、蒙脫石(7%)、高嶺石(2%)、伊利石(1%)等組成，巖樣天然狀態(tài)下基本物理力學參數(shù)見表1。

表1 紅砂巖基本物理力學參數(shù)

試驗設置4種含水狀態(tài)，采用烘干和自然浸水的方式制備含水率為0%(干燥狀態(tài))、1.25%(天然狀態(tài))、3.16%和5.38%的試樣。試驗儀器采用RLW-2000型巖石三軸蠕變儀，將圍壓設置為1 MPa，在進行三軸壓縮蠕變之前，先進行常規(guī)三軸壓縮試驗，試驗結果如圖1所示。

圖1 常規(guī)三軸壓縮試驗結果

蠕變試驗中每級加載應力Δq=Kqf/n，其中K為材料的強度降低系數(shù)，通常取0.65～0.85；qf為破壞偏應力；n為加載級數(shù)[9]。結合圖1中常規(guī)三軸壓縮試驗結果，設置蠕變試驗加載方案(表2)。

表2 蠕變試驗加載方案

2 紅砂巖蠕變特性分析

2.1 蠕變試驗結果

通過試驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，得到不同含水條件下的蠕變試驗曲線(圖2)。

圖2 蠕變試驗曲線

由圖2可知，不同含水條件下的蠕變曲線隨著時間增加均呈逐漸累積趨勢。蠕變曲線的衰減、穩(wěn)態(tài)蠕變行為顯著，在最后一級加載下還表現(xiàn)出明顯的加速蠕變行為，巖樣發(fā)生宏觀破壞。在含水率為0%和1.25%時，巖樣均在第5級加載下發(fā)生加速蠕變，含水率3.16%時為第4級，含水率5.38%時為第3級，高含水率時巖樣在更小的加載等級下發(fā)生蠕變破壞，且在同一加載等級下，應變隨著含水率的提升而遞增，說明水的作用促進紅砂巖的蠕變變形。

2.2 分別加載蠕變曲線

對圖2進行Boltzmann線性疊加[10-11]，得到不同含水條件下的分別加載蠕變曲線(圖3)。

圖3 分別加載蠕變曲線

由圖3可知：在每一級加載的瞬間，紅砂巖均表現(xiàn)出瞬時的彈性變形；接著進入衰減蠕變階段，該階段應變率遞減；當減小到某一值附近時趨于穩(wěn)定，進入穩(wěn)定蠕變階段，該階段應變率基本保持恒定；當加載等級達到最后一級時，巖石表現(xiàn)出加速蠕變行為，此時應變率急劇增加，巖石隨即屈服破壞。

2.3 應變特征

為反映巖石應變特征，繪制不同含水條件下巖石的瞬時應變和蠕變應變曲線(圖4)。

圖4 瞬時及蠕變應變曲線

由圖4a)可看出，在同一含水率下，瞬時應變隨著偏應力的增加逐漸增大。瞬時應變在含水率3.16%第4級加載下有最大值，達0.12%。含水率5.38%下第3級加載的瞬時應變遠大于另外3種含水率，含水率3.16%第4級加載下的瞬時應變遠大于含水率0%和1.25%時，含水率1.25%第5級加載下的瞬時應變遠大于含水率0%時，說明水的作用對巖石瞬時應變累積起到促進作用。

由圖4b)可看出，在同一含水率下，蠕變應變隨著偏應力的增加逐漸增大，最后一級加載下蠕變應變顯著增大。在同一加載等級下，蠕變應變隨著含水率的提高而遞增，說明水的作用促進巖石蠕變變形發(fā)展。蠕變應變在含水率1.25%第5級加載下最大，達2.21%。

綜合圖4可得，紅砂巖蠕變應變遠大于瞬時應變，表明紅砂巖在水巖耦合作用下蠕變效應顯著。在港口地基工程中，巖石地基在水的持續(xù)性作用下，蠕變變形累積，威脅港口地基工程的長期穩(wěn)定性，在地基基礎設計中應充分考慮水作用的影響。

2.4 蠕變速率

對圖3中試驗點數(shù)據(jù)進行一階求導，得到蠕變速率曲線(圖5)。

由圖5可看出，巖石蠕變速率曲線與蠕變3階段相對應，首先是蠕變速率遞減，對應衰減蠕變階段，接著是蠕變速率在某一值附近小幅度波動，對應穩(wěn)定蠕變階段，在最后一級加載下，蠕變速率劇增，對應加速蠕變階段。總體上，在同一含水條件下，蠕變速率隨著加載等級的提升而遞增。衰減蠕變階段中速率初始值為初始蠕變速率，加速蠕變階段中速率最大值為極限加速蠕變速率，含水率5.38%第3級加載下的初始蠕變速率和極限加速蠕變速率均最大，分別達到3.01×10-4h-1和4.92×10-4h-1。

圖5 蠕變速率曲線

統(tǒng)計圖5中不同含水條件下的初始蠕變速率和極限加速蠕變速率，繪制對比曲線(圖6)。

圖6 不同含水條件下的初始蠕變速率曲線和極限加速蠕變速率曲線

由圖6a)可看出，在同一含水條件下，初始蠕變速率隨著偏應力加載等級提升而遞增。在同一偏應力加載等級下，含水率的升高促進初始蠕變速率的增長。

結合圖5和圖6b)可知，極限加速蠕變速率遠大于衰減和穩(wěn)定蠕變階段的蠕變速率，最高可達2個數(shù)量級的差異。含水率1.25%下的極限加速蠕變速率大于含水率3.16%時，這是由于前者加載等級為5級，后者僅有4級，除了水的作用，應力也是影響蠕變速率的重要因素之一。總體上，含水率的升高對初始和極限加速蠕變速率的增大起到促進作用。

2.5 長期強度

長期強度是地基工程中衡量長期穩(wěn)定性以及評價強度損失程度的重要指標，工程建設中須予以重視[12]。等時偏應力-應變曲線法是求取巖土體材料長期強度的常用方法，該方法通過擇取一定數(shù)量的蠕變時刻點的偏應力-應變數(shù)據(jù)，繪制曲線簇并取拐點從而得到長期強度[13]。擇取0～280 h共8個蠕變時刻點的偏應力-應變數(shù)據(jù)，繪制等時偏應力-應變曲線(圖7)。

注：0 h時刻點為趨近于0 h的某一時刻點。

由圖7可看出，等時偏應力-應變曲線具有明顯的非線性特征，隨著應變的增大，曲線表現(xiàn)出逐漸靠近應變橫軸的趨勢。紅砂巖在含水率0%、1.25%、3.16%和5.38%下的長期強度分別為22.86、21.91、16.27和10.74 MPa，隨著含水率的升高，長期強度隨之逐漸降低。在紅砂巖常規(guī)三軸壓縮試驗中，瞬時強度(即破壞偏應力)同樣表現(xiàn)出隨含水率升高而逐漸遞減的規(guī)律。含水率從0%→1.25%，1.25%→3.16%和3.16%→5.38%，長期和瞬時強度經(jīng)歷了3次降低，為探明紅砂巖長期和瞬時強度隨含水率升高的降低幅度規(guī)律，計算每一次含水率增高后的強度降幅，并繪制曲線(圖8)。

圖8 長期及瞬時強度降幅曲線

由圖8可看出，長期強度隨含水率升高的降幅呈遞增趨勢，而瞬時強度的降幅先減小再增大，總體上長期強度的降幅更大，說明水對巖石強度的影響不僅是瞬時的，更是一種隨時間累積的長期作用。水的作用影響巖石瞬時和長期強度，且長期強度相比瞬時強度存在一定的折減，長期強度與瞬時強度比值范圍為0.36～0.53。在港口地基工程中，往往忽略水對巖石的長期作用影響，設計時應充分考慮參數(shù)合理性，以保證港口地基工程的長期安全及穩(wěn)定性。

3 結論

1)紅砂巖在水的作用下蠕變效應顯著。在同一含水率下，瞬時和蠕變應變均隨著偏應力的提升而遞增，同一應力條件下，蠕變應變隨著含水率的升高而遞增，水的作用促進巖石蠕變變形發(fā)展。

2)除了水的作用以外，應力也是影響蠕變速率的重要因素之一。紅砂巖在同一含水條件下，蠕變速率隨著加載等級的提升而遞增，初始蠕變速率和極限加速蠕變速率最大分別可達3.01×10-4h-1和4.92×10-4h-1?？傮w上，含水率的升高對初始和極限加速蠕變速率的增大起到促進作用。

3)水對巖石強度的影響不僅是瞬時的，更是一種隨時間累積的長期作用。紅砂巖在含水率0%、1.25%、3.16%和5.38%下的長期強度分別為22.86、21.91、16.27和10.74 MPa，長期強度隨含水率的升高而逐漸降低。長期強度相比瞬時強度存在一定的折減，長期強度與瞬時強度比值范圍為0.36～0.53。