發布時間：2021-10-19所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：為研究含水狀態對深埋巖體開挖卸荷后蠕變力學行為的影響，對干燥狀態與飽和含水狀態石英砂巖開展單軸分級加載蠕變試驗，同時結合聲發射技術進行實時監測。結果表明：隨著含水率的增加，巖石蠕變失效強度降低，其宏觀特征由剪切破壞過渡為劈裂破壞;水的
摘要：為研究含水狀態對深埋巖體開挖卸荷后蠕變力學行為的影響，對干燥狀態與飽和含水狀態石英砂巖開展單軸分級加載蠕變試驗，同時結合聲發射技術進行實時監測。結果表明：隨著含水率的增加，巖石蠕變失效強度降低，其宏觀特征由剪切破壞過渡為劈裂破壞;水的存在對巖石的瞬時彈性應變和蠕變應變均抑制明顯，試件含水飽和后蠕變增量和相應的穩態蠕變速率均明顯降低。通過Levenberg-Marquarat算法對蠕變曲線進行擬合和參數辨識，證明Burgers蠕變力學模型能較好表述石英砂巖蠕變特性;試件含水飽和后彈性系數E1、E2和粘性系數η1、η2降低，巖石粘滯性增強，損傷硬化特征明顯;試件含水飽和后加載瞬間與蠕變階段聲發射事件能率降低，內部微裂紋演化進程減慢。通過對比分析發現，穩態蠕變階段聲發射事件能率與蠕變速率的演化趨勢較一致。試驗研究結果可以為工程巖體破裂失穩的預測和防治提供一定的理論參考。
關鍵詞：巖石蠕變;分級加載;蠕變速率;參數辨識;聲發射
1引言
深部地下工程在高地應力和硬脆性巖體施工環境下，易伴隨巖爆災害的發生。由于對其預測與防治難度較高，故巖爆的預防與治理一直以來都是地下工程中的重點研究課題[1]。已有研究結果表明：巖體含水率的不同對巖爆災害發生概率能夠產生影響，具體表現為含水率高的巖體較少發生巖爆。這是由于水的作用使巖體內部的孔隙及礦物質之間膠結狀態發生變化，并進一步影響其力學行為。
巖石蠕變特性是引起巖體工程破壞失穩的重要影響因素。受地下工程開挖時間和方式的影響，巖體的受力狀態往往是逐級發生變化的[1-3]。因此開展室內巖石分級加載蠕變試驗是研究工程巖體受力演化的有效手段。在巖石蠕變的理論、試驗、數值模擬等研究領域，近年來國內外學者取得了較多成果。趙娜等基于剛度系數折減的方法，分析了軟巖單軸壓縮荷載及軟巖蠕變變形過程中剛度系數折減率的變化規律[4]。文獻[5-8]通過對不同種類巖石進行蠕變試驗，分析了巖石的非穩態蠕變力學特性，并通過蠕變試驗結果建立了非線性蠕變力學模型，進一步研究分析了巖石蠕變力學特性。文獻[9-10]基于能量耗散理論或細觀力學原理，研究了脆性巖石蠕變行為下裂紋演化規律，建立起宏觀力學行為與細觀裂紋擴展之間的聯系。王艷春等基于數值模擬的方法，研究了頁巖蠕變過程中熱力場和應力場的變化關系，為多場耦合作用下巷道圍巖穩定性分析提供了理論依據[11]。
聲發射(AcousticEmission,AE)是指材料或結構受力發生變形或斷裂時，其應變能以彈性波的形式釋放的現象。運用聲發射監測是研究含水巖石受荷內部裂紋損傷演化的重要方式，對巖體破壞失穩的預測具有重要意義。SHI等研究了砂巖在含有不同長度預制裂紋條件下單軸分別加載與分級加載蠕變聲發射的時空演化規律[12]。李安強等基于聲發射三維定位技術結合應力應變曲線研究了巖石壓縮破裂過程中的時空演化規律[13]。李庶林等通過對巖石試件進行單軸循環加載聲發射試驗，采用分形理論研究了巖石破壞前的聲發射特性[14]。夏冬、文圣勇等通過開展不同含水率條件下巖石壓縮聲發射試驗，發現水對巖石聲發射特征有顯著影響[15-16]。
本文通過對干燥狀態及飽和含水狀態石英砂巖進行單軸分級加載蠕變試驗，并結合實時聲發射監測，研究不同含水狀態對巖石蠕變行為的影響，分析蠕變過程中主要蠕變參數與聲發射事件的變化及關系，以期為工程實際應用提供理論參考。
2試驗介紹
2.1試件制備
試驗所用巖樣取自成昆鐵路老鼻山隧道，按照國際巖石力學學會(ISRM)推薦試驗規程，通過鉆芯、切割、打磨，制成Φ50mm×100mm的標準試件，并于試驗前將試件封存放置于無振動干擾環境。
經過礦物分析確定巖石類型為石英砂巖。巖石主要由碎屑物和填隙物組成，碎屑物的主要成分為石英、長石、白云母、黑云母等，如圖1所示。
為減小試件的離散性，通過超聲波測試儀對試件進行波速測試，測定其縱波波速范圍為2950m/s~3135m/s，并篩除波速相差較大的試件。
首先將全部試件進行烘干處理，具體做法為將其在烘干箱內烘干24h，溫度設定為110℃，烘干完成冷卻至室溫后對其進行覆膜處理以防止其含水率發生變化。再對飽和組試件采用自由浸水法浸泡至飽和，測定其含水率。接下來將其分為干燥組和飽和組各6個試件，其中3個用于分級蠕變試驗，3個用于單軸壓縮試驗。表1是測得的單軸壓縮試件的物理力學參數均值。
2.2試驗裝置及方案
為研究地下工程臺階法等分階段開挖方式造成巖體受力蠕變的演化規律，試驗采用分級加載的方式。在試驗方案中，對干燥試件、飽和試件分別進行單軸分級加載蠕變試驗，確定其長期強度，試驗儀器見圖2。各級加載的應力水平依次為巖石長期強度的40%、50%、60%、70%、80%、90%，加載速率為0.1MPa/s，每級應力水平加載12h。試驗過程中保持室溫(24±2)℃恒定，聲發射監測與蠕變試驗同步進行。
3試驗結果分析
3.1蠕變失效特征分析
干燥與飽和兩種狀態下的破壞模式均存在主控面和弱化區，其中主控面破壞后表面比較規整，弱化區比較破碎，分級加載下石英砂巖蠕變失效特征明顯，見圖3。干燥狀態下，試件內部礦物質之間膠結力相對較強，粘塑性特征較差。此時內部應力場以剪應力場為主導，巖石主要受剪切滑移作用影響，巖石整體呈剪切破壞，但由于張拉力的存在，局部表現為劈裂破壞。試件含水飽和后，水溶解了試件內部蒙脫石等親水性礦物質，致使試件內部礦物質之間膠結能力減弱，試件內部粘塑性特征增強。此時在軸力作用下相對于干燥試件其應力場中剪應力已不再占主導地位。在試件內部產生微小剪切滑移面以后，與軸向垂直方向的張拉力迅速占據主導地位，并形成第一個拉伸破壞。之后剪切滑移面繼續發育，隨之而來的是橫向張拉力的擴大，試件繼續發生拉伸破壞，且拉伸破壞的程度遠大于剪切滑移面的發育程度，最終試件破壞表現為拉伸破壞并伴隨少量剪切滑移面。因此在干燥狀態下巖石破壞以剪切破壞為主，飽和狀態下以劈裂破壞為主;試件失效時有明顯的塊狀破裂，同時伴隨著部分粉末狀巖屑剝落。
試驗測得飽和狀態下含水率為0.35%的石英砂巖的蠕變破壞強度為干燥狀態下的69%，說明水的存在對石英砂巖的蠕變破壞強度有明顯的弱化作用。此外，試驗結果表明石英砂巖蠕變破壞強度存在一定差異，除巖石含水率這一主要影響因素外，對試驗結果存在離散性的有關原因分析如下。1)石英砂巖作為天然脆性材料，即使取自同一初始巖芯，其內部的礦物質構成與細觀結構也存在均質性差異，其中石英含量是影響其強度的一個重要因素。以干燥狀態蠕變試件為例，在巖石試件縱向和橫向各切兩個薄片進行礦物分析，其中D-1-1、D-1-2、D-1-3的石英含量分別為65%、58%、65%，其蠕變失效強度對應為145MPa、132MPa、145MPa，由此可知石英含量越高，其強度相對越大。此外試件間還具有不同程度的初始損傷。2)從細觀角度分析，在硐室側壁巖芯取樣過程中，未能充分考慮巖芯取樣的角度與原始地應力方向的關系。在試件進行軸向加載過程中，巖石所受主應力方向發生變化。但由于巖石內部原始微裂紋及其次生裂紋構成的裂紋群的存在，在室內試驗軸向加載過程中，新萌生的裂紋會受其原始裂紋及次生裂紋的方向和數量的影響，從而導致內部微裂紋及損傷演化進程有所差異，在一定程度上引起蠕變失效強度的離散性。
3.2蠕變特性分析
水對巖石具有軟化作用，尤其對軟巖效果顯著。軟化作用的機理是由于水分子進入顆粒間的間隙而削弱了顆粒間的聯結造成的。本次試驗所用的石英砂巖屬于未經風化的結晶巖，其孔隙率、微裂隙發育程度相對軟巖較低，軟化作用并不明顯。
由試驗結果可知：分級加載條件下干燥狀態與飽和狀態應變可以分為兩個部分，即瞬時彈性應變和蠕變應變。在加載瞬間和穩壓階段，干燥狀態巖石所產生的軸向應變量均顯著大于飽和狀態，如圖4(a)所示。飽和狀態下同一應力等級的軸向應變量和軸向應變累計量均大幅低于干燥狀態。這是由于含水飽合后巖石的變形和巖石骨架的性能與巖石中孔隙的壓縮及孔隙水的流動有關。隨著含水飽和，細觀力學特性表現為巖石骨架的彈性模量降低，宏觀表現就是巖石試樣的彈性模量降低，這與表3中E1變化趨勢一致。
干燥狀態下巖石試件中孔隙被空氣所充滿，空氣對于孔隙的壓縮沒有太大阻礙。當石英砂巖孔隙中水的比率達到一定程度時，由于水的壓縮系數遠遠低于空氣，因此會表現為試件含水飽和后，巖石試件瞬時彈性模量又有一定量的回彈，此時巖石內部應力場為孔隙水壓力與軸向應力的疊加。由于石英砂巖內部非軟弱巖石骨架的彈性模量隨著含水率的增加而降低的幅度較小，且有一定量的回彈，并且孔隙水與軸向荷載相互作用，使得石英砂巖含水飽合試件瞬時加載和蠕變加載變形量小于干燥狀態試件。
飽和狀態下試件的徑向應變比軸向應變的反應更為靈敏，主要表現為同等級應力水平下水的存在使得徑向瞬時應變量、蠕變應變量、應變累計量均大幅降低。這是因為干燥狀態下巖石穩態蠕變階段曲線斜率較大，而水的存在使得相鄰兩級蠕變應變量的差值減小。臨近破壞時，兩種狀態的巖石徑向應變量均在短時間內迅速增大，破壞時存在明顯的體積擴容現象。
將干燥狀態與飽和狀態試件瞬時應變與蠕變應變數據進行對比，通過分析表2得到以下結果。
1)軸向瞬時應變：干燥狀態與飽和狀態下初次加載所產生的瞬時應變量較大，分別占總應變量的58.5%和28.2%，含水飽和后巖石瞬時應變量降低了51.8%。相同加載等級下飽和狀態的瞬時應變量均小于干燥狀態，例如在第二級加載時，干燥狀態瞬時應變量為0.058×10-2，飽和狀態則僅為0.040×10-2。
隨著應力水平的增大，干燥狀態瞬時應變量先減小后呈波動形式增大，飽和狀態瞬時應變量占比呈先減小后增大趨勢，干燥狀態的瞬時應變主要集中在第一級加載瞬間，飽和狀態的瞬時應變主要分布在除第一級以外的各級加載瞬間。這是由于飽和狀態下水和軸壓的相互作用使得巖石抵抗變形能力增強，初次加載時孔隙壓密閉合減小。
2)徑向瞬時應變：初次加載瞬間，干燥狀態與飽和狀態均產生較大應變，含水飽合后巖石的瞬時應變量降低了34.4%。隨后在各等級應力水平加大的情況下，干燥狀態瞬時應變量呈先減小后增大的趨勢，飽和狀態則呈逐漸增大趨勢。分析相鄰兩級加載瞬時應變量的差值發現，飽和狀態巖石變化較為平穩。例如干燥狀態下應力水平為131MPa和145MPa的徑向瞬時應變量差值為4.84%，飽和狀態下應力水平為90MPa和100MPa的差值僅為0.22%，這說明水的存在使得巖石彈脆性特征減弱。
3)軸向蠕變應變：干燥狀態與飽和狀態下各級應力水平的蠕變應變量均明顯小于瞬時應變量。隨著應力水平的增大，干燥狀態下蠕變應變量總體呈變大趨勢，但其斜率較小。飽和狀態下蠕變應變量總體也呈增大趨勢，加載前期其相鄰兩級蠕變應變量差值變化不明顯;在臨近破壞前的90MPa和100MPa兩級加載時，其蠕變應變量在短時間內快速增大，當達到100MPa時，蠕變應變量首次超過瞬時應變量。
4)隨著應力水平的增大，干燥狀態下徑向蠕變應變量先減小后增大。在第三級(100MPa)加載過程中，徑向蠕變應變量首次超過徑向瞬時應變量。在隨后的加載過程中蠕變應變量的漲幅較飽和狀態明顯。飽和狀態下蠕變應變量雖然總體呈增大趨勢，但前期漲幅并不顯著。在臨近破壞前第二級加載過程中徑向蠕變應變量首次超過瞬時應變量，臨近破壞時蠕變應變量在短時間內快速增大。說明水對于巖石前期徑向蠕變抑制作用明顯，破壞前的很長一段時間內由于水的存在使得巖石徑向抵抗變形能力增強。
3.3穩態蠕變速率分析
對穩態蠕變階段蠕變速率選用合適的數學函數進行擬合得到圖5。由擬合結果可知試件蠕變速率與應力水平關系可用線性函數es=+AB和指數函數enABse=+表示。
軸向、徑向蠕變速率總體上均隨應力水平的提高而變大。干燥狀態下應力水平與軸向蠕變速率呈線性關系，臨近破壞時蠕變加速度未出現明顯的增大。飽和狀態下分級加載前期軸向蠕變速率變化不大，臨近破壞時函數n值迅速增大。干燥狀態和飽和狀態下應力水平越高，其與徑向蠕變速率指數函數的關系越緊密。整個加載過程前85%的時間內干燥狀態蠕變速率均大于5×10-6s-1，相同時間內飽和狀態蠕變速率均小于5×10-6s-1。臨近破壞時，二者的n值均在短時間內增大，且飽和狀態的n值大于干燥狀態。蠕變應力水平達到破壞強度時，兩種狀態下蠕變速率約為20×10-6s-1。
干燥狀態下同一應力水平軸向和徑向蠕變速率差值相對較大，而飽和狀態下前80%的時間內軸向和徑向蠕變速率差值較小。在最后一級加載時徑向蠕變速率明顯增大，臨近破壞時軸向和徑向蠕變速率差值達到最大。在多臺階開挖中，富水巖體軸向蠕變速率開始顯著增加或兩種方向蠕變速率開始出現明顯差值時，預示著破壞即將來臨。
3.4蠕變力學模型與參數辨識
通過對巖石蠕變曲線分析，首先確定巖石蠕變過程包含彈性階段和粘彈性階段，再確定蠕變力學模型中應該包含的彈性元件和粘彈性元件，最后通過直接篩選法和后排除法采用Burgers模型描述石英砂巖的蠕變特性，如圖6所示。
其中瞬時彈性模量E1可由試驗結果求得，然后對蠕變試驗數據進行擬合，使用1stOpt軟件中的Levenberg-Marquarat算法結合通用全局優化算法(UniversalGlobalOptimization)對蠕變曲線進行反演，從而求得其他模型參數。限于篇幅，此處僅列出軸向參數辨識和曲線擬合結果，如表3所示。
由表3和圖7可知：干燥狀態與飽和狀態下E1、E2的變化反映了加載瞬間軸向應變量和蠕變應變量的變化規律，其特征與本文3.2節中的分析一致性較高，此處不再贅述;隨著應力水平的增大，內部微裂紋發育，巖石呈現出損傷硬化特征，其粘滯性增強，表現為粘滯系數η1降低;其中飽和狀態下η1變化較明顯，說明水的存在使得巖石損傷硬化加劇，通過對辨識結果與圖7進行對比分析，發現二者一致性較好;巖石加載穩壓后進入穩態蠕變階段，總體上干燥狀態與飽和狀態石英砂巖的η2值均隨應力水平的增大而減小，飽和狀態下巖石對于η2的變化比較敏感;隨著應力水平的提高巖石硬化特征明顯，從減速蠕變階段進入穩態蠕變階段的時間明顯縮短。通過對蠕變擬合曲線和參數辨識結果分析，結果表明：Burgers蠕變力學模型能較好地描述石英砂巖的蠕變特性。
3.5聲發射特性分析
測得巖樣取芯處歷史最大地應力為36.15MPa，干燥狀態與飽和狀態試件首級應力水平均超過此值，因此不考慮巖石Kaiser效應對聲發射結果的影響。
干燥狀態與飽和狀態下聲發射事件隨應力水平增大而上升，其中初次加載瞬間能率和振鈴計數率均變化較大，這是初次加載時巖石內部裂紋、孔隙被壓密閉合的結果。干燥狀態下巖石聲發射在各級加載瞬間的變化近似呈線性增長。飽和狀態下前五級加載瞬間聲發射事件的變化并不明顯，并且進入蠕變階段后，其變化較干燥狀態也不明顯。這是因為蠕變階段飽和狀態下巖石內部微裂紋的演化程度要小于干燥狀態，說明水的存在使得巖石損傷硬化加劇，粘滯性增強。臨近破壞時巖石內部微裂紋演化程度加劇，迅速完成大量裂紋成核及裂紋貫通演化過程，聲發射表現為能率和振鈴計數率的迅速上升。
將蠕變階段聲發射事件與穩態蠕變速率對比發現(如圖8所示)，穩壓階段聲發射事件能率和穩態蠕變速率演化趨勢基本一致。在將水列為影響因素的巖體工程中，聲發射事件的變化可以作為穩態蠕變速率的間接監測手段，從而判斷巖石破裂失穩時機。
4結論
本文通過在微機控制的高溫巖石三軸蠕變試驗機上對石英砂巖進行單軸分級加載蠕變試驗，并運用聲發射設備進行實時監測，研究含水狀態對其蠕變及聲發射特性的影響，得到的主要結論如下。
1)含水飽和狀態下蠕變失效強度降低。干燥狀態下石英砂巖蠕變失效以剪切破壞為主，飽和狀態下以劈裂破壞為主。試件破壞后主控面和弱化區分界明顯，蠕變失效特征顯著。
2)巖石軸向、徑向瞬時應變量、蠕變量均隨應力提高而增大，含水飽和后變化程度有所降低。穩態蠕變速率均隨應力水平提高而增大。隨著含水率的增大，軸向蠕變速率由線性關系過渡為指數函數關系。同一含水狀態且相同應力水平下軸向和徑向蠕變速率的差值明顯減小，臨近破壞時軸向、徑向蠕變速率均在短時間內增大。
3)Burgers蠕變力學模型能較好地表達石英砂巖蠕變特性。隨著應力水平提高，含水飽和后巖石蠕變力學參數呈規律變化，粘滯性增強，巖石損傷硬化明顯。
4)干燥狀態與飽和狀態下聲發射現象明顯，聲發射事件數量與應力水平成正比，與含水率成反比。通過與穩態蠕變速率對比分析，能夠將聲發射的細觀裂紋演化與宏觀穩態蠕變建立起對應關系。——論文作者：邵珠山1,2靳冬冬1,2陳浩哲1張媛媛1薛濤1
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