辽西花岗岩三轴蠕变性能研究

辽西花岗岩三轴蠕变性能研究

0岩浆流变本构特性辽宁西部是中国北方地台中生代花岗岩岩浆形成的地区。中生代花岗岩大量，西藏地区煤炭和金属资源丰富，是连接内蒙古和吉林省的重要港口。花岗岩已成为影响矿山、隧道工程和基础设施的工程岩体。加强相关基础研究对提高项目的设计和施工具有重要意义。赵阳升、朱元广等研究了不同试验条件下花岗岩体的蠕变特性,建立了考虑温度效应的花岗岩蠕变损伤本构关系.杨小彬、梁小勇等研究了煤岩体的损伤蠕变特性.潘鹏志等建立了岩石各向异性弹黏塑性蠕变模型.赵旭峰等研究了岩石在不同围压和不同应力水平作用下轴向应变随时间的变化规律.郤保平等建立了热力耦合作用下花岗岩流变模型,推导出可描述高温花岗岩的流变本构方程.齐明山等研究了风化花岗岩在不同围压和不同应力水平作用下轴向应变随时间的变化规律.申林方等研究了单裂隙岩石在应力–渗流–化学耦合环境下的综合响应机制.张志镇等研究了不同高温下花岗岩的力学性质,分析了力学参数随温度的变化规律.韦立德等提出了一个新的非线性元件模型,建立了较新的一维粘弹塑性本构模型.王来贵等提出了一种改进的西原模型,建立了蠕变参数非线性化模型.郭小红等对风化破碎类花岗岩的力学行为进行了试验研究.胡云华对高地应力条件下研究了花岗岩的非线性力学特性与流变性,建立了描述花岗岩蠕变特征的非线性弹-粘塑性本构模型.虽然国内外学者对花岗岩的力学性质研究较多,但辽西地区花岗岩由多期侵入的岩基、岩株和岩脉组成,其工程力学性质的研究相对较少,本文采用TAW-2000电液伺服岩石三轴仪对辽西地区花岗岩的蠕变特征进行了试验研究.1试样的基本物理力学参数辽西花岗岩主要组成矿物为长石、石英、黑白云母等,颗粒构成主要为花岗镶嵌结构,岩样外观呈灰白色,结构均匀、质地坚硬,无肉眼可见的微裂隙和层理.将岩样加工成直径为5cm、高10cm的圆柱形试样,采用TAW-2000电液伺服岩石三轴仪进行花岗岩试样的三轴压缩试验,获得了三轴压缩曲线(见图1),试样的基本物理力学参数见表1.2tzman叠加原理与强度环境蠕变实验的围压分别拟定为5MPa、10MPa和20MPa,采用单体分级加载方式进行加载,获得的蠕变曲线按照陈氏加载中所述Boltzman叠加原理转换成单级加载的蠕变曲线簇(见图2).当围压为5MPa时,偏应力达到142.4MPa时蠕变曲线发生了2次跳跃,究其原因多为颗粒的晶体滑移或非均质性引起的局部破裂所致,但不影响蠕变的整体发展趋势.当围压为20MPa时,蠕变的整个过程较平稳,从第五级载荷(偏应力198MPa)开始出现了一定的衰减阶段蠕变特征,在经历4.55h后蠕变基本达到稳定值0.3746%.3离散时间分析3.1-围压下的弹性变形通过对三轴蠕变数据的进一步整理得到三轴蠕变条件下花岗岩的等时应力-应变曲线(见图3).当围压为5MPa和10MPa时,在第一级载荷和第二级载荷下,岩样的等时曲线均在点A和点B交汇,即AB段几乎全为弹性变形.在点C、点D和点E的应变随着时间增长均由疏变密,但应变随着时间增长,增长幅度逐渐越小.当应力达到F点所对应的应力值时,应变因增长过大超过岩石的极限应变值而导致最后发生加速蠕变破坏.当围压为20MPa时等时应力应变曲线的变化规律与5MPa和10MPa时相似,不同的是围压使弹性变形段拖延至点D,应变点的发散程度较低围压时有所减小.3.2初始模式分析基于花岗岩试件三轴蠕变数据获得减速蠕变阶段的等时应力应变曲线见图4.(1)当围压为5MPa时,第一级和第二级载荷下蠕变速率基本为零.从第三级载荷(偏应力106.8MPa)开始,蠕变速率-时间曲线呈下降趋势,随着时间的增长,轴向蠕变速率逐渐减小,蠕变速率逐渐下降为零,蠕变不再增长.在偏应力142.4MPa时,时间持续到5.84h后蠕变由衰减蠕变转而进入等速蠕变阶段,蠕变速率稳定在0.55µm/h.(2)当围压为10MPa时,前面两级载荷下速率基本在零值徘徊,从第三级载荷(偏应力129MPa)开始,岩样发生了衰减蠕变,蠕变速率逐渐减小最后趋于零值,直至第五级载荷(偏应力172MPa)岩样发生等速蠕变,等速蠕变速率稳定在0.83μm/h.(3)当围压为20MPa时,前四级载荷的蠕变速率基本为零值.自第五级载荷(偏应力198MPa)起,初始蠕变速率逐渐增大,且呈现出衰减蠕变的特征,直至蠕变速率衰减为零;在第七级载荷(偏应力264MPa)时,蠕变速率经过一段时间后稳定在9×10-4mm/h,表明试样进入等速蠕变阶段.3.3加速涣散岩样加速涣散岩岩体逆运动变化特征在不同围压条件下,试样经过稳定蠕变阶段后,逐步发展到加速蠕变阶段:当围压5MPa时,在151.3MPa偏应力的作用下,岩样持续3.58h后进入加速蠕变阶段;当围压10MPa时,在182.75MPa偏应力的作用下,岩样持续5.07h后进入加速蠕变阶段;当围压20MPa时,在280.5MPa偏应力的作用下,岩样持续10.5h后进入加速蠕变阶段.通过实验获得的加速蠕变阶段蠕变速率的变化情况见图5.加速蠕变阶段反映了试样蠕变破坏过程,蠕变速率则客观地反映了蠕变的发展过程.对比加速蠕变阶段的蠕变速率发现,围压对蠕变速率作用明显,随着围压的增加,蠕变速率的波动范围大大降低,表明加速蠕变段的发展过程更为平稳,蠕变破坏经历的时间也更长.3.4长期强度阈值的确定当围压为5MPa时,当偏应力为达到142.4MPa时,蠕变速率有较大波动,等时应力-应变曲线的应变点始终没有重合,应变值也始终随时间发生变化.而前一级载荷124.6MPa时,蠕变速率最后趋近于零值,等时应力-应变曲线的应变点由疏变密、直至重合,应变值不再增长.根据长期强度的定义可知,试样的实际长期强度值应处于这两级载荷之间,即长期强度的阈值为124.6~142.4MPa.同理,围压为10MPa和20MPa时,长期强度的阈值分别为150.5~172MPa和231~264MPa.将不同围压下长期强度阈值与试样强度(最大偏应力)进行对比分析,获得的一致性结果为长期强度阈值等于(0.7~0.8)(σ1~σ3).4实验结果分析(1)辽西花岗岩的蠕变时效特征表征了蠕变的发展过程、变形特征和蠕变阶段等变形特征,为科学合理地确定蠕变变形的构成和蠕变阶段分界点提供了依据.(2)围压对蠕变