岩石蠕变性质是岩石的应力—应变关系与时间因素有关的性质,是一种典型的岩石流变现象。由于受不同时期、不同形式地质构造的影响,其应力历史十分复杂。此外,受地应力,地下水等因素的影响,岩石蠕变规律复杂多变,复杂的岩石蠕变规律是岩土工程变形失稳的主要原因之一。岩石蠕变试验是研究岩石蠕变的重要手段,且一直以来被广大科研工作者所采纳,特别是水对岩石蠕变特性影响研究一直是研究的重点。孙钧[1–2]进行了大量的岩石流变试验,对岩石流变试验进行了全面的总结与展望; 刘小军等[3]对浅变质板岩进行了不同含水状态下的单轴蠕变试验,研究发现,浅变质板岩受水影响的劣化效应显著。

本文在前人的研究基础上,开展自然状态与泡水30 d的炭质板岩瞬时力学试验,得到不同泡水条件下的试件瞬时强度。基于所得瞬时强度开展自然状态与泡水30 d炭质板岩单轴压缩蠕变试验,研究了炭质板岩轴向与侧向的蠕变规律,为水对岩石蠕变规律研究提供参考。

1 试件及试验方案

1.1 试件

本文研究的炭质板岩取自云南在建的丽香铁路圆宝山隧道,岩体主要为黑灰色且具有显著的水平层理面,结构致密,主要由凝灰岩在变质作用下所形成。为了保证试验结果的离散性不致过大,所取试件均来自同一岩体。采集的试件均采用水钻法钻孔取芯(图 1)。所取试件为标准岩石试件,直径50 mm,长度100 mm,对试件进行置于自然状态(室温25 ℃的实验室)与泡水30 d处理(图 2)。本文开展自然状态与泡水30 d后炭质板岩单轴压缩试验及蠕变试验。单轴瞬时试验试件标号为DZ-1(自然状态)及DZ-2(泡水30 d); 单轴蠕变试验试件标号为LB-1(自然状态)及LB-2(泡水30 d)。

  

图1 钻芯取样

  

图2 泡水炭质板岩

1.2 试验方案

本试验在RYL-600型微机伺服三轴岩石流变试验机上完成(图3)。RYL-600型微机伺服三轴岩石流变试验机是岩石力学领域研究岩石在多种环境下力学特性的先进设备,其加载方式和加载速率可控,数据由计算机自动采集。

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由图7和图8可得以下结果。瞬时弹性应变增加值与瞬时塑性应变增量随应力水平的提高而有所降低,说明随着应力水平的提高,岩石抵抗瞬时弹性变形与瞬时塑性变形的能力逐渐增强,同时体现岩石加载过程中应变硬化特点。每级应力水平下的瞬时塑性应变远远小于瞬时弹性应变,表明在试验加载应力状态下岩石的塑性特性并不十分显著。泡水30 d试件的瞬时塑性应变比自然状态下的试件大,如试件在应力水平为70%下的轴向瞬时塑性应变,LB-1的为0.3821,LB-2的为0.7548。可见,水的存在增大了岩石的瞬时塑性变形,而对瞬时弹性变形的影响不大。此现象主要表现在轴向,分析认为,由于炭质板岩各向异性的特点,加上水的损伤劣化作用,使得水对炭质板岩轴向瞬时塑性变形的影响比侧向瞬时塑性变形的影响大。

岩石蠕变速率是指岩石蠕变试验中单位时间内的蠕变变形[4–6]。为了具体掌握炭质板岩蠕变变形及速率,结合前人[7–10]对蠕变及蠕变速率的研究基础,通过蠕变实验数据得到试件LB-1和试件LB-2在最后一级应力水平下的蠕变及蠕变率曲线如图5和图6所示。由于试件LB-1在最后一级应力水平下未破坏,因此特别增设了一级瞬时强度为95%的应力。

  

图3 RYL-600岩石三轴流变试验仪

  

图4 试件单轴压缩应力—应变曲线

 

表1 单轴蠕变试验应力加卸载方案

  

试件 应力水平/% 加载时间/h 加载速率/(N·s−1) 记录内容 卸载后静置时间/h LB-1 60、70、80、85、90 8、8、8、20、20 100 ε1,ε2 4 LB-2 60、70、80、85、90 8、8、8、20、20 100 ε1,ε2 4

2 蠕变变形及速率分析

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图5 试件LB-1最后一级应力水平下单轴蠕变及蠕变率曲线

  

图6 试件LB-2最后一级应力水平(90%)下单轴蠕变及蠕变率曲线

根据试验数据可得试件的应力—蠕变应变曲线如图9和图10所示。

3 黏弹塑性应变特性分析

根据文献[5]对两种状态下试件的试验数据整理,可以得到各试件的轴向与侧向的黏弹塑性应变实测值。绘出试件轴向与侧向的应力—瞬时应变曲线如图7和图8所示。

将试件在三轴岩石流变试验机上装样,进行应变调节,再通过计算机控制加载方式进行预压与加载,同时进行数据记录。试件为DZ-1及DZ-2通过单轴压缩试验获得的应力—应变曲线如图4所示,由此可得DZ-1和DZ-2瞬时强度分别为62.4和54.2 MPa。基于瞬时强度,设计单轴分级加卸载蠕变试验方案如表1所示。表1中: ε1、ε2分别为轴向应变与侧向应变; 对试件施加的每级应力水平大小依据试件瞬时强度百分比进行设计。

由图9和图10可得以下结果。蠕变应变随应力水平的增大而增大,且轴向蠕变量比侧向蠕变量大,泡水后,试件蠕变应变显著增大。自然状态下试件的黏塑性应变总体比黏弹性应变大,泡水后试件黏弹性应变显著增大,其值大于黏塑性应变,而黏塑性应变没有显著变化。如,试件 LB-1轴向蠕变在应力水平80%时,黏弹性应变为0.1213,黏塑性应变为0.1955,而泡水30 d后的试件LB-2轴向蠕变在应力水平80%时,黏弹性应变为0.5745,黏塑性应变为0.1450。由此可见,水增大了炭质板岩蠕变量,且对其蠕变量的增大主要体现在轴向黏弹性应变,对黏塑性应变影响较小。分析认为,水在炭质板岩孔隙裂隙中流动,水对炭质板岩长期损伤劣化作用使得孔隙裂隙增大,从而造成在卸载后,炭质板岩有较大的回弹空间,宏观上体现在黏弹性应变较自然状态时更大。

  

图7 试件LB-1应力—瞬时应变关系曲线

  

图8 试件LB-2应力—瞬时应变关系曲线

由图5及图6可发现最后一级应力水平下,试件LB-1与试件LB-2先后出现减速蠕变阶段、等速蠕变阶段及加速蠕变阶段,且轴向蠕变速率较侧向蠕变速率大。泡水后的试件,轴向及侧向蠕变速率均增大,如,试件LB-1的轴向和侧向初始速率分别为0.0029和0.0018 h−1,而试件LB-2的轴向和侧向初始速率分别为0.0076和0.0026 h−1。泡水后,试件轴向减速蠕变阶段的时间较侧向减速蠕变阶段的时间长,如,试件LB-2轴向减速蠕变阶段达到2 h,而侧向减速蠕变阶段仅0.9 h。泡水后,试件减速蠕变时间延长,如,试件LB-1轴向减速蠕变阶段为0.4 h,远小于试件LB-2。结合前人[11–12]在水对岩石蠕变影响研究,分析认为,由于泡水,水贯穿于炭质板岩的孔隙裂隙。由于水的损伤劣化作用,使孔隙裂隙进一步增大,试件抵抗变形能力降低,宏观上表现为蠕变速率增大及减速蠕变时间延长,且这一现象在轴向蠕变上表现更明显。由于炭质板岩各向异性的特点,使得水对炭质板岩轴向蠕变的影响较对侧向的蠕变影响大。

  

图9 试件LB-1应力—蠕变应变关系曲线

二是健全河湖保护法规政策体系。参照《恩施州酉水河保护条例》《襄阳市汉江流域水环境保护条例》和《宜昌市黄柏河流域保护条例》模式，加快推进重点河湖立法保护工作，形成以《湖北省河湖长制工作条例》《湖北省湖泊保护条例》等河湖总体保护法律法规为骨架、单个河湖保护条例为脉络、多种保护方案、实施方案为基础的河湖保护法规政策体系。

  

图10 试件LB-2应力—蠕变应变关系曲线

4 结论

本文对炭质板岩的蠕变试验进行了分析,得到以下结论。

加强电厂智能化建设，提升电源侧的可观可控性，提升电源电网协调发展水平；进一步提升可再生能源发电预测技术水平和大规模可再生能源并网运行控制技术水平，全面建设新能源发电功率预测系统，加强新能源与传统电源、电网、负荷统筹规划，提升电力系统对新能源的整体接纳能力；通过建立有效的运营补偿机制激励电源主动参与调峰调频等辅助服务，优化电源结构。

(1) 水能显著地增大炭质板岩的蠕变量及蠕变速率,尤其以轴向蠕变更显著。同时,轴向减速蠕变阶段的时间较侧向减速蠕变阶段的时间长。炭质板岩各向异性的特点,使得水对炭质板岩轴向蠕变较侧向蠕变影响更大。

(2) 水的存在增大了岩石的瞬时塑性变形,而对瞬时弹性变形的影响不大。水的损伤劣化作用及炭质板岩各向异性的特点,使得水对炭质板岩轴向瞬时塑性变形的影响比侧向瞬时塑性变形的影响大。

(3) 水对炭质板岩损伤劣化作用使得孔隙裂隙增大,从而造成在卸载后,炭质板岩有较大的回弹空间。其宏观上体现为黏弹性应变较自然状态时更大,且主要体现在轴向黏弹性应变上。

参考文献:

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