石英片巖蠕變變形和長(zhǎng)期強(qiáng)度的比較研究

石英片巖蠕變變形和長(zhǎng)期強(qiáng)度的比較研究

1區(qū)域化巖石類型研究巖石滑動(dòng)一般是指巖石在一定壓力下，隨著時(shí)間的推移而減小變形的力學(xué)現(xiàn)象。目前工程巖體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是當(dāng)今巖土工程領(lǐng)域的一個(gè)十分重大的前沿問題。不同的學(xué)者對(duì)不同的巖石進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)研究。黑河引水工程是以解決西安城市供水為主,兼以農(nóng)田灌溉、防洪及水力發(fā)電的綜合性大型水利工程,水庫大壩為重力土石壩。云母石英片巖是該工程所在區(qū)域的主要巖體類型之一。對(duì)該工程所在區(qū)域巖體流變特性的研究是分析邊坡、洞室長(zhǎng)期穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。2云母石英片巖的三軸位移試驗(yàn)2.1試驗(yàn)系統(tǒng)組成室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)采用RLW-2000巖石三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī),該試驗(yàn)裝置由軸向加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)繪圖系統(tǒng)等部分組成(圖1)。其中,軸向、圍壓加載系統(tǒng)的控制部分采用全數(shù)字伺服控制器(EDC),可采用力控制或變形控制,也可在試驗(yàn)過程中進(jìn)行控制方式的平滑切換;穩(wěn)壓系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)穩(wěn)壓,變形測(cè)量裝置采用美國(guó)泰瑞泰克公司技術(shù)生產(chǎn)的位移引伸計(jì),包括軸向和徑向兩套,相對(duì)誤差在±0.5%之間。2.2軸壓分級(jí)加載巖石蠕變?cè)囼?yàn)有多種方法,最常見的有單軸、三軸和剪切蠕變?cè)囼?yàn)等,為研究處于三向應(yīng)力狀態(tài)下巖體的流變力學(xué)特性,本文采用三軸蠕變?cè)囼?yàn)方法。試樣尺寸為Φ50×100mm,圍壓恒定,軸壓采用分級(jí)加載方式,即首先按常規(guī)壓縮試驗(yàn)所獲得的瞬時(shí)破壞強(qiáng)度,將擬施加的最大載荷分成若干等級(jí),然后在同一試件上由小到大逐級(jí)施加荷載,各級(jí)荷載所持續(xù)時(shí)間根據(jù)試件的應(yīng)變速率或應(yīng)力速率變化情況予以確定。試驗(yàn)時(shí)首先迅速施加軸向荷載,使巖芯達(dá)到預(yù)定的應(yīng)力水平,并記下傳感器的初始讀數(shù),保持應(yīng)力值不變,穩(wěn)定一段時(shí)間后增加軸向荷載,進(jìn)行下一級(jí)加載,重復(fù)上述過程,直至試樣發(fā)生破壞。室內(nèi)溫度嚴(yán)格控制在25℃,實(shí)驗(yàn)過程中計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集載荷、變形和時(shí)間等數(shù)據(jù),適時(shí)顯示軸向變形-時(shí)間關(guān)系和徑向變形-時(shí)間關(guān)系曲線。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1粘彈性變形分析從圖2看出,軸向和徑向蠕變都分3個(gè)階段,瞬時(shí)蠕變,等速蠕變和加速蠕變。當(dāng)軸向力小于長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí),只有前兩個(gè)階段的蠕變,蠕變變形主要為粘彈性變形,只有當(dāng)軸向力大于長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí),才出現(xiàn)加速蠕變,蠕變變形以粘塑性變形為主。試件內(nèi)初始微裂縫的壓密、彈性骨架的彈性變形和微裂縫的穩(wěn)定擴(kuò)展產(chǎn)生粘彈性變形,試件內(nèi)微裂縫的加速擴(kuò)展,微裂縫的搭結(jié)、貫通產(chǎn)生粘塑性變形。徑向粘塑性變形蠕變比軸向蠕變先出現(xiàn)加速蠕變,圍壓為1MPa時(shí),徑向蠕變?cè)诘?級(jí)加載時(shí)出現(xiàn)加速蠕變,軸向蠕變?cè)诘?級(jí)加載時(shí)出現(xiàn)加速蠕變;圍壓為2MPa時(shí),徑向蠕變?cè)诘?級(jí)加載時(shí)出現(xiàn)加速蠕變,軸向蠕變?cè)诘?級(jí)加載時(shí)出現(xiàn)加速蠕變。可見,徑向蠕變比軸向蠕變敏感,以徑向蠕變來判斷是否發(fā)生蠕變破壞更合理,實(shí)際監(jiān)測(cè)中對(duì)徑向蠕變進(jìn)行監(jiān)測(cè),所測(cè)數(shù)據(jù)更有預(yù)警意義。圍壓為1MPa時(shí),前3級(jí)荷載時(shí)徑向蠕變變形小于軸向蠕變變形,后3級(jí)荷載時(shí)徑向蠕變變形大于軸向蠕變變形;圍壓為2MPa時(shí),前8級(jí)荷載時(shí)徑向蠕變變形小于軸向蠕變變形,只有最后1級(jí)荷載時(shí)徑向蠕變變形大于軸向蠕變變形。說明圍壓越大,對(duì)徑向變形的約束能力越強(qiáng)。兩種圍壓下,軸向蠕變變形總量均大于徑向蠕變變形總量。3.2圍壓為2mpa時(shí),軸向應(yīng)力和徑向模式三因素時(shí),最巖石三軸蠕變?cè)囼?yàn)破壞形態(tài)與常規(guī)三軸試驗(yàn)一樣,為剪切破壞,破壞面與水平面的夾角約為45°。這說明當(dāng)軸向力的方向與云母石英片巖的片理垂直時(shí),軸向力使片理壓密,這時(shí),片理不是軟弱破壞面,對(duì)破壞不起控制作用。在某級(jí)荷載下如果出現(xiàn)加速蠕變,當(dāng)該級(jí)荷載作用時(shí)間足夠長(zhǎng),試件會(huì)發(fā)生蠕變破壞,因此可以把出現(xiàn)加速蠕變階段的軸向力作為長(zhǎng)期強(qiáng)度。圍壓為1MPa時(shí),徑向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度為30MPa,軸向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度為32.5MPa,徑向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度小于軸向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度,兩者比值為0.92;圍壓為2MPa時(shí),徑向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度為40MPa,軸向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度為50MPa,徑向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度小于軸向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度,兩者比值為0.80。隨著圍壓的增加,徑向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度和軸向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度均增加,徑向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度與軸向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度的比值減小。以徑向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度作為長(zhǎng)期強(qiáng)度更合理,當(dāng)軸向應(yīng)力小于徑向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí),意味著徑向蠕變變形量和軸向蠕變變形量都不大,而且兩個(gè)方向都未發(fā)生蠕變破壞;而以軸向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度作為長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí),當(dāng)軸向應(yīng)力小于軸向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí),只能保證在試驗(yàn)所做的時(shí)間內(nèi)不發(fā)生軸向蠕變破壞,而徑向蠕變變形已經(jīng)出現(xiàn)加速階段,可以預(yù)測(cè)如果該級(jí)荷載下試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng),則會(huì)發(fā)生徑向蠕變破壞和軸向蠕變破壞。這時(shí)的徑向變形量很大,表明試件內(nèi)部的微裂縫已搭結(jié)、貫通,在試件內(nèi)部已出現(xiàn)了宏觀裂縫,由于存在圍壓,越靠近試件表面,圍壓的徑向約束能力越明顯,這時(shí)在試件表面還未見宏觀裂縫,隨著荷載的繼續(xù)增加,內(nèi)部宏觀裂縫會(huì)貫通至試件表面,但由于宏觀裂縫兩邊的接觸面還存在咬合力,裂縫面未出現(xiàn)明顯的剪切滑移,當(dāng)下一級(jí)荷載稍有增加,或該級(jí)荷載下試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng),破壞了接觸面上的咬合力,試件就會(huì)產(chǎn)生明顯的剪切滑移,使徑向蠕變變形和軸向蠕變變形急劇增加,試件破壞。本文試驗(yàn)加的圍壓分別為1MPa和2MPa,圍壓的作用是限制徑向變形,限制其產(chǎn)生剪切滑移,圍壓越大,側(cè)限作用越明顯?？梢?圍壓越小,徑向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度和軸向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度越接近,當(dāng)圍壓為零時(shí),兩個(gè)值將最接近。在單軸蠕變時(shí),軸向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度可以作為長(zhǎng)期強(qiáng)度。這時(shí),只需研究軸向蠕變。4巖石向動(dòng)態(tài)變形試驗(yàn)分析(1)軸向和徑向蠕變都分瞬時(shí)蠕變,等速蠕變和加速蠕變3個(gè)階段。(2)徑向蠕變比軸向蠕變敏感,實(shí)際監(jiān)測(cè)中對(duì)徑向蠕變進(jìn)行監(jiān)測(cè),所測(cè)數(shù)據(jù)更有預(yù)警意義。(3)以徑向蠕變長(zhǎng)期強(qiáng)度作為長(zhǎng)期強(qiáng)度