绿片岩力学特性试验研究

绿片岩力学特性试验研究

1密度对长期强度特性的影响岩石的长期强度是岩石力学与其他材料的基本特征之一。岩石或岩体作为工程中一种固态材料,其自身的内在结构会随着时间及受力状态发生一定的变化,表现出来就是学者们所关心的岩石或岩体的力学特性发生了变化。岩体在发生蠕变变形的过程中,由稳态蠕变转为非稳态蠕变时,一定存在某一临界应力值,当作用于结构面的应力水平小于该临界值时,蠕变趋于稳定,岩体不会破坏;而大于这一临界值,岩体经过蠕变最后发展为破坏,这一临界值称为岩石的极限长期强度。从物理性质上来说,岩体的所承受的应力越大,达到破坏所需的时间越短,如果应力小于某一值,无论作用时间有多长,岩体也不会破坏。目前国内外关于岩石长期强度特性的研究相对来说还不是很多,在三向应力作用下的长期强度特性研究则更少一些。刘晶辉等根据软弱夹层流变试验和理论,提出了流变试验中确定长期强度的3种方法;刘沐宇和徐长佑根据硬石膏的流变曲线,建立了应力水平与试样蠕变破坏时间的关系式,获得的硬石膏长期强度为瞬时强度的66%;Z.Szczepanik等通过对9块花岗岩试样进行超过单轴抗压强度80%的荷载进行流变试验,并通过声发射观察其微裂缝的发展状态,最后研究硬岩的长期强度特性;侯宏江和沈明荣采用室内剪切蠕变试验,通过对2组不同爬坡角的结构面进行剪切蠕变试验,得出不同应力水平下的剪切蠕变曲线,并给出相应的剪切蠕变方程;崔希海和付志亮开发研制了重力驱动偏心轮式杠杆扩力加载式流变仪,并应用该流变仪对红砂岩的蠕变特性进行单轴压缩蠕变试验研究。根据试验结果,考虑岩石蠕变的长期强度应根据岩石进入横向稳定蠕变的阈值应力来确定。本文通过对绿片岩进行单轴和三轴常规试验及蠕变试验,综合考虑不同的应力水平、应力路径等对试验结果的影响,研究在长期荷载作用下,岩体的变形机制及发展破坏过程与时效特性,分析绿片岩在蠕变过程中的破坏模式以及长期强度的确定方法。试验采用锦屏二级水电站取得的埋深2000m左右的岩样,进行单轴和三轴蠕变试验,三轴试验围压取10和40MPa,分别模拟在低应力水平下和原岩所在位置应力水平附近的蠕变效应。2试验方法和仪器本次试验所采用的岩样取自锦屏二级水电站辅助交通洞B洞西端6#横通道,取样里程约为BK3+065,该位置埋深约为1600m,地应力约为42MPa。该处绿片岩具有片状构造,含灰白色大理岩条带及透镜体,该绿片岩属于硬质岩,自然风干状态下单轴抗压强度约为100MPa。由于结构面的存在会让岩石力学性质变得更加复杂,本次试验尽量采取完整岩石进行试验;岩样在采取过程中尽可能避开有明显结构面、明显层理、明显有大理岩侵入条带的岩块。取样过程中,尽量保证各岩样的层理方向一致,以减少其对试验结果的影响。本次绿片岩常规试验和单轴蠕变试验均在同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室进行,三轴蠕变试验在长江科学院TLW–2000型岩石三轴流变试验机上进行,由于试验仪器的规格有所差别,根据双方实验室设备的实际情况,试样的尺寸定为直径50和52mm两种,高度均为100mm。本次试验一共取岩芯41块,试验正式使用岩样20块。部分岩样如图1所示(试样上下以及表面的油渍为超声波试验需要使用的黄油残留物)。本次绿片岩试验均为压缩试验,考虑到结构面及层理对岩样力学特性的影响,试验加载方向均垂直于岩石层理方向。3一般力学试验3.1试验结果的表现本次单轴压缩试验采用WE–300型液压万能试验机,轴向最大加载200kN,加载精度0.2kN;静态应变仪选用Ye2539高速静态应变仪。试样在单轴压缩试验过程中发生脆性破坏,破坏时带有明显的爆炸声,呈现十分显著的脆性特征。试样破坏后的典型照片如图2所示。通过单轴压缩试验,可以得到本次试样的纵向弹性模量为9.52GPa,横向弹性模量为38.7GPa,静泊松比为0.25,单轴抗压强度平均为130MPa。3.2试样破坏试验本次三轴压缩试验采用长江–500型岩石三轴压缩试验机,该试验机能施加的最大围压为150MPa,轴压为5000kN,轴压、围压均采用伺服控制。三轴压缩试验围压取5,10,15,40MPa四种,围压加载速率为0.05MPa/s,轴压加载分2个控制阶段,前阶段为1kN/s的压力控制,后阶段为0.2mm/min的位移控制。从本次三轴试验的试样破坏情况(见图3)可以看出,岩样的破坏模式与高围压状态下的腰鼓状破坏性状基本相似;岩样比较完整,试验结果归一性较好。三轴试验典型曲线如图4所示。通过试验结果可知,岩样在围压为10和40MPa时的抗压强度分别为193.02和346.63MPa,以此常规试验强度为依据制定蠕变试验应力分级标准。4-流变试验与试验结果的分析4.1轴压加载时力学性能测试本次单轴压缩蠕变试验使用同济大学CSS–1950型双轴压缩流变试验机(见图5)。该试验机采用伺服控制,可同时或分别对试样施加垂直轴压缩负荷和水平轴压缩负荷,能同时测试试样双轴双侧变形值。垂直轴最大压缩荷载500kN,水平轴最大压缩荷载300kN。变形量测范围为±3mm,精度为0.5%。单轴压缩蠕变试验应力分级按照常规试验强度的50%~100%,分为9级进行试验,即:58,68,77,87,98,107,117,126,136MPa,施加轴压。当轴压加载至设定的应力水平时,测试岩样轴向应变和蠕变时间的关系。在每一级荷载蠕变完成后,将轴压值增加为设定的第2级应力水平,并维持这一应力水平恒定的条件下,测试岩样轴向应变与蠕变时间关系;在第3级或更大的应力水平下,重复上述操作步骤,直到岩样发生蠕变破坏,此时取出岩样,描述岩样破裂形式;根据试验所测得的不同应力水平下轴向应变和蠕变时间以及应力的试验数据,进行整理分析,以得到单轴压缩情况下绿片岩的蠕变特性。对试验数据进行整理分析得岩石单轴压缩蠕变全过程曲线、分级曲线,如图6所示。从图6(a)可以看出:第3级(σ3=77MPa)开始每一级的应变量和应变速率开始趋于稳定,在每级荷载施加之后其应变量都趋于平稳,即每级荷载作用下的应变总增量基本相等,岩石内部微裂隙处于稳定发展状态。前5级(σ=58,68,77,87,98MPa,下同)蠕变产生的应变量都基本维持在一个稳定的阶段,这一点也同样反映在前5级的蠕变速率上,其蠕变阶段的蠕变增加的应变分量是趋于稳定的,在蠕变时间是相等的条件下,每一级的蠕变产生的应变量没有太大变化。在最后一级(σ=136MPa)之前瞬时变形产生的应变量都高于蠕变产生的应变量,但是加速蠕变破坏产生的应变量大于最后一级瞬时变形产生的应变量。第一级(σ=58MPa)瞬时变形产生的应变量非常大,占总瞬时变形量的72.06%,其余各级瞬时变形量变化不大。蠕变变形方面,最后一级产生的应变量最大为22.14%,其余各级较小。两方面的变形规律存在本质区别:瞬时变形第一级最大,蠕变变形最后一级最大。4.2试样围岩氧基应变特性分析本次三轴压缩蠕变试验在TLW–2000型岩石三轴流变试验机(见图7)上进行。试验机的最大轴向力为2000kN,最大围压为50MPa,测力精度在±1%以内,变形测量精度在±0.5%以内。试验在具有恒温和恒湿条件的蠕变专用实验室内进行,室内温度始终控制在20℃±1℃。本次三轴蠕变试验围压分为10和40MPa两种。蠕变试验按照0.01MPa/s的加载速率给岩样施加围压至预定值,直至该围压下变形稳定,然后分级施加轴压至设计值,加载到每一级设计值后,保持轴压恒定,记录试样轴向及侧向应变与蠕变时间的关系,每一级荷载维持时间为72h。由于长期强度预先无法估计,三轴蠕变试验的应力加载级别按照三轴常规试验结果拟合所得到的对应围压下的常规强度的50%开始,分级加载直至试样破坏,如试样未在预计强度值破坏,则继续按照加载分级间隔进行试验,直至试样发生破坏(见图8)。图9给出了绿片岩试样的三轴蠕变试验全过程曲线。通过图9及试验过程可看出:(1)在瞬时变形方面,轴向瞬时变形产生的应变在第一级荷载(σ1=90或150MPa)时较大,之后各级瞬时变形产生的应变量变化趋于平缓;岩石开始阶段先施加了较高的围压,岩石本身的裂隙在围压作用下有所闭合,在轴压施加之后没有出现较为明显的岩石压密阶段。(2)在蠕变变形方面,从第四级荷载(σ4=140或210MPa)开始蠕变变形产生的应变量随轴向应力升高而逐渐增加。由于在三轴蠕变试验中轴向蠕变主要受偏应力的控制,在较低的偏应力条件下,其蠕变规律与单轴试验时较低轴压条件下表现具有相似性,表现为低偏应力时,各级蠕变产生的应变量较小而且变化较小,在高偏应力条件下,随着偏应力增加蠕变应变量增大。绿片岩具有一定的层理结构,其层理结构本身代表它存在一定的各向异性,从试验结果中可以明显看出,试样前期轴向瞬时变形量和蠕变量都大于侧向的对应变形量,而后期反之;这说明绿片岩在轴向和侧向2个方向的应力–应变特性的不一致性,轴向的初期变形较大,侧向的变形变化量更突出。5绿色岩石的长期强度分析5.1过渡对于岩石长期强度的基本思想过渡蠕变法认为,岩石不发生稳态蠕变所能承受的最大荷载为岩石的长期强度。该方法认为岩石内部存在一个应力阀值,当施加的外部荷载低于该应力阀值时,在这长期荷载作用下岩石不会破坏,即岩石在蠕变加载过程中,只会出现衰减蠕变阶段;而当施加的外部荷载高于该应力阀值时,岩石内部裂纹随时间发生不稳定扩展至岩石破坏,即岩石出现了稳态蠕变阶段或加速蠕变阶段。通过蠕变速率的变化,找出应力阀值作为岩石的长期强度,这就是过渡蠕变法确定岩石长期强度的基本思想(见图10,σ1,σ2,σ3,σ4分别为第一、二、三、四级加载应力)。过渡蠕变法估计岩石在蠕变试验中稳态蠕变阶段蠕变速率为0时的最大应力水平为岩石的长期强度。笔者认为,这个间接法对长期强度的定义是最为恰当合理的。其基于的岩石蠕变试验已经应用十分广泛,积累了相当丰富的试验经验。由于该法要求确定最大应力水平,所以需要进行较多级数的蠕变试验。显然,目前的陈氏加载法能够很好地解决这个问题,加载级数越多,则越能精确地求得岩石的长期强度。5.2轴向应力下的高温强度利用单轴蠕变试验数据进行拟合分析,由于过渡蠕变法的本质是比较稳态蠕变阶段的蠕变速率,即蠕变曲线直线段的斜率。为了尽可能消除衰减蠕变阶段的影响,尽可能地获得稳态蠕变阶段曲线,本次拟合选取各级蠕变曲线的最后24h的蠕变数据进行拟合(见图11)。单轴压缩蠕变试验在最后一级138MPa轴向应力下经过长达13.5h的高速稳态蠕变阶段后发生脆性破坏。事实上,在这13.5h后发生破坏的强度已经属于常规强度和长期强度中的一种过渡状态,笔者认为其本质上属于广义的长期强度。故使岩石能够坚持更长时间不破坏的强度水平应该就在其下几级应力水平上,这样很好地确定了一个强度范围,减小了试验误差对试验结果的影响。从图11中可以看出,在轴向应力118MPa下斜率为-9.78×10-6,在轴向应力128MPa下斜率为1.41×10-4,故可以近似认为轴向应力118MPa下蠕变速率基本为0,轴向应力128MPa下开始出现明显的稳态蠕变阶段,基于安全考虑,故可以把长期强度定义为118MPa,约为试样本身破坏强度的85%。由于一般情况下,认为岩石流变破坏的强度要略低于其常规强度,故可以近似认为单轴状态下,该绿片岩试样的长期强度约为常规强度的80%。5.3长期强度的确定对10MPa围压下的蠕变试验数据通过过渡蠕变法进行分析。岩样轴压加载到210MPa稳定后10min内破坏,可以认为其强度已经达到210MPa,同单轴压缩蠕变破坏情况,此强度已经属于广义长期强度。为了尽可能地减少衰减蠕变对蠕变速率的影响,对加载最后24h的轴向应变–蠕变时间数据进行拟合分析,寻找长期强度临界点(见图12(a))。从图12(a)中可以看出,在180MPa应力水平下,其应变速率,即直线斜率变化不明显,基本上保持在同一值;但到达190MPa应力水平下后,应变速率出现激增,超过一个数量级,可以认为,从180~190MPa的这个过程,已经经过了一个临界点,这个临界点就是要寻找的长期强度,在不能更精确地寻找到这个临界点的前提下,可以将180MPa作为其长期强度。由于该岩样在加载到210MPa并稳定之后才发生破坏,故在10MPa围压下,其长期强度约为常规强度的85%,考虑到常规强度应略大于流变强度,可以估计该绿片岩在10MPa围压下其长期强度约为常规强度的80%。5.4主要根据轴向应力围压下的长期强度锦屏二级水电站工程所在区域测得最大地应力为42MPa,选取40MPa作为试验围压。在围压为40MPa情况下,岩样在377MPa轴向应力时发生破坏。同样,选取破坏前几级每级最后24h的蠕变数据进行拟合分析(见图12(b)),求出其进入稳态蠕变后的蠕变速率,寻找其突变临界点,最终确定其长期强度。根据40MPa围压情况下三轴蠕变试验拟合曲线可以看出,在轴向应力为290MPa时,其应变速率已经有波动,但还不明显;当轴向应力达到320MPa时,应变速率已经有了数量级上的波动,可以认为该岩样在40MPa围压下,当轴向应力达到320MPa以上时,其内部破坏机制已经发生了变化,可以将320MPa定义为岩样在40MPa围压下的长期强度。考虑到该岩样在加载过程中,377MPa轴向应力处发生破坏,可以估计377MPa为其常规强度,即从轴向考虑,该岩样的长期强度约为其常规强度的85%,考虑到轴向应力在290~320MPa时,应变速率就已经有一定幅度的变化,保证一定的安全性,其长期强度还是可以定义为其常规强度的80%。综合以上几种情况,由于单轴蠕变试验也可以看作是0MPa围压下的蠕变试验,故在以上3种围压下的蠕变试验都可以得到共同的规律,即对于完整绿片岩试样,其长期强度约为常规强度的80%。5.5试验数据分析在目前的长期强度确定方法中,过渡蠕变法理论明确,方法相对简单可行,是一种比较典型的长期强度确定方法。但是,由于其关键点在于寻找蠕变速率的突变点,这样带有大量的人为因素,只能定性地确定长期强度的大致转折点,而不能给出更加具体的定量分析。众所周知,岩石的应力–应变全过程曲线能够更好地反映岩石性质,笔者认为岩石的应力–应变全过程曲线从能量的角度很好地反映了岩石的破坏过程,尤其对其破坏后的下降阶段应该加以深入的研究。笔者经过多次试验,最终在40MPa围压下成功绘制得到一条全过程曲线。在研究岩石应力–应变全过程曲线时发现,可以将全过程曲线的上升侧与蠕变试验的加载稳定的那一刻对应起来,并在全过程曲线的下降侧找到其应力水平相同的一点;由于此时岩石已经处于破坏的临界状态,可以将该点的应变认为是岩石临界破坏发生的应变,即可认为当纯粹的蠕变变形达到这2点的应变差时,岩石将发生破坏,如图13所示。图中的应力水平百分比表示轴向应力与试样破坏时最大应力值之比。由于只有40MPa围压下的轴向应力–轴向应变全过程曲线,故本文取节5.4已经经过过渡蠕变法分析的40MPa围压下的蠕变数据进行分析,为简化分析,只取长期强度附近2级进行研究:即轴向应力290和320MPa,分别对应相对应力水平为77%和85%,在图13中已经用虚线进行标识。为了推导相当长一段时间之后的岩石应变,需要获取对应的相对应力水平下岩石的流变模型和参数,最后通过模型和参数,确定其在一段时间之后的应变值,并确定其是否已超出对应的应变差,估计其是否将发生破坏。将试验数据经过处理可以得到290MPa轴向应力下岩石预期破坏应变为1.651%,320MPa轴向应力下岩石预期破坏应变为1.