理论教育 结构面蠕变特性及影响因素

结构面蠕变特性及影响因素

时间:2023-08-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:目前,国内外众多学者对蠕变开展了大量的研究工作,但主要集中在完整岩石的蠕变特性,而对于结构面蠕变的研究基本上以完整岩石的蠕变特征及理论为基础,对结构面蠕变特性进行研究。通过对上述成果分析可知,对于完整岩石的蠕变,已经有了较多的成果,对其蠕变特征也有了较深入的了解,其蠕变特性受到岩性、围压、温度、含水状态以及应力历史等外部环境因素的影响,这些研究成果可作为研究结构面蠕变特性的基础。

结构面蠕变特性及影响因素

目前,国内外众多学者对蠕变开展了大量的研究工作,但主要集中在完整岩石的蠕变特性,而对于结构面蠕变的研究基本上以完整岩石的蠕变特征及理论为基础,对结构面蠕变特性进行研究。

Griggs(1939)[54]最先对灰岩、页岩和粉砂岩等软弱岩石进行了蠕变试验,指出砂岩和粉砂岩等中等强度岩石,仅当加载达到破坏荷载的12.5%~80%时,就发生了一定程度的蠕变;Cristescu等(1986,1998)[55,56]进行了大量的岩石蠕变试验,研究表明,蠕变过程中岩石的体积扩容明显,而岩石的体积扩容与其损伤密切相关,可以认为岩石蠕变过程中体积扩容机制与其损伤演化机制是相同的;Okubo(1991)[57]完成了大理岩、砂岩、花岗岩和灰岩等岩石的单轴压缩试验,获得了岩石加速蠕变阶段的应变-时间曲线,结果表明蠕变应变速率与时间成反比例关系;Stead和Szczepanik(1991)[58]通过盐岩蠕变过程的声发射现象,从试验的角度阐述了盐岩蠕变的机理在于岩石内部的损伤发展;Maraninit和Brignoli(1999)[59]石灰岩等进行了单轴和三轴压剪蠕变试验,研究表明,石灰岩的蠕变最主要的表现是低围压情况下的裂隙扩张,而在高围压状态下,岩石内部则发生孔隙塌陷,由此得出,石灰岩的蠕变对岩石主要影响是使其屈服应力降低;Fujii(1999)等[60]对花岗岩和砂岩进行了三轴蠕变试验,得到轴向应变、环向应变和体积应变三种蠕变曲线,指出环向应变可以作为蠕变试验和常应变速率试验中用以判断岩石损伤的一项重要指标;Gasc-Barbier等(2004)[61]对黏土质岩进行了大量不同加荷方式、不同温度下的三轴蠕变试验,结果表明,应变率和应变大小均随偏应力和温度增高而增大,蠕变率还与加载历史有关,试验10天后应变率已趋于稳定值(10-11s-1),但经过2年后其应变率仍保持该速率而没有衰减;Dubey和Gairola(2008)[62]通过对盐岩的蠕变试验,研究了盐岩结构各向异性对蠕变的影响。

在国内,李永盛(1995)[63]采用伺服刚性机对粉砂岩、大理岩、红砂岩和泥岩四种不同岩性的岩石进行了单轴压缩条件下的蠕变试验,指出在一定的常应力作用下,岩石材料一般都存在蠕变速率减小、稳定、增大三个阶段,但各阶段出现与否及其延续的时间则与所观测的岩石性质和所施加的应力水平有关;沈振中、徐志英(1997)[64]三峡大坝的花岗岩进行了单轴压缩蠕变试验研究,表明即使是强度较高的花岗岩,在长期荷载作用下仍然具有非常明显的蠕变变形;李化敏等(2004)[65]利用自行研制的UCT-1型蠕变试验装置,采用单调连续加载和分级加载方式,对南阳大理岩开展了单轴压缩蠕变试验研究,并分析了硬岩的蠕变过程和规律;徐卫亚等(2005)[66]为了解锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性,采用岩石全自动流变伺服仪对绿片岩进行了三轴压缩流变试验,基于试验结果,研究了绿片岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,讨论了流变特性对岩石应力-应变曲线的影响,探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势,分析了不同围压下流变的破裂机制,掌握了绿片岩三轴流变的基本规律;万玲等(2005)[67]利用自行研制的岩石三轴蠕变仪,对泥岩进行了系统的三轴蠕变试验,试验中考虑了轴压σ1和围压σ3对蠕变的影响,当围压σ3一定时,轴向应力σ1增加,蠕变加快,在稳态蠕变阶段的应变率增大,试件的寿命缩短,而当应力差Δσ=σ1-σ3保持不变时,围压σ3增加,蠕变则减慢,稳态蠕变阶段的应变率也减小,试件的寿命增加;梁卫国等(2006)[68]通过对不同矿物成分的钙芒硝盐岩和氯化钠盐岩分别进行了多于100天的不同应力作用下的单轴蠕变试验,得出了盐岩矿物成分和应力条件对盐岩蠕变情况的影响;熊良霄等(2010)[69]通过对锦屏二级水电站辅助交通洞的绿片岩单轴压缩蠕变特性试验,研究了轴向荷载方向与层理之间的不同关系对瞬时应变、应力应变关系、轴向应变速率、衰减蠕变持续时间和蠕变破坏机理的影响;范秋雁等(2010)[70]南宁盆地泥岩为研究对象,进行单轴压缩无侧限蠕变试验和有侧限蠕变试验来分析泥岩的蠕变特性,配合扫描电镜,分析泥岩蠕变过程中细观和微观结构的变化,指出岩石的蠕变是岩石损伤效应与硬化效应共同作用的结果;张治亮等(2011)[71]基于岩石常规三轴蠕变试验成果,研究向家坝水电站坝基挤压破碎带砂岩蠕变力学特性,分析岩石轴向和侧向蠕变规律;李男等(2012)[72]以武汉越江隧道为工程背景,分别对干燥和饱水砂岩进行了剪切蠕变试验,并从剪切蠕变应变特征和剪切蠕变物理力学特性两方面进行了对比分析,重点阐述了水对砂岩剪切蠕变特性的影响,同时对其影响机制进行了相应的分析;蒋昱州等(2012)[73]利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全过程曲线;刘小军等(2014)[74]对不同含水状态下浅变质板岩进行单轴蠕变试验,研究结果表明,饱和度越大,瞬时弹性模量、黏性模量以及黏滞系数越小,其中瞬时弹性模量与饱和度线性负相关,而黏性模量和黏滞系数与饱和度呈负指数相关;黄兴等(2016)[75]开展了砂质泥岩恒轴压、逐级卸围压三轴卸荷蠕变试验,试验结果表明,卸荷和蠕变所产生的损伤和塑性变形对后续力学行为影响非常显著;蔡燕燕等(2017)[76]为研究蠕变行为对岩石力学性质的影响,对大理岩进行了不同应力水平和时间的蠕变预处理,卸载后再进行单轴压缩破坏试验,结果表明,裂隙压密和弹性阶段的蠕变对大理岩力学性能起强化作用,裂隙稳定扩展阶段的蠕变呈现相反的变化规律,对大理岩力学性能起劣化作用。

通过对上述成果分析可知,对于完整岩石的蠕变,已经有了较多的成果,对其蠕变特征也有了较深入的了解,其蠕变特性受到岩性、围压、温度、含水状态以及应力历史等外部环境因素的影响,这些研究成果可作为研究结构面蠕变特性的基础。而对于结构面的蠕变特征,其机理更为复杂,相对而言,这方面试验研究较少,但在其蠕变特征方面也取得了一些研究成果。(www.daowen.com)

Curran等(1980)[77]在砂岩、石灰岩、大理岩以及页岩等岩石试件中用金刚石切开一定角度的人工节理,采用直剪和三轴蠕变试验研究了节理面的蠕变特性;郭志(1994)[78]论述了岩体软弱夹层充填物的蠕变变形特性,根据蠕变过程曲线分析了初始蠕变与等速蠕变之间的关系;李鹏等(2008,2009)[79,80]通过开展不同含水量条件下砂岩软弱结构面剪切蠕变试验,发现随着含水量的增加,其蠕变量也随之增加,并且蠕变速率加快,其原因为水的存在对软弱结构面充填物起到润滑、软化、泥化作用,除减小作用在试样骨架上的有效应力外,还表现为水在蠕变过程中对软弱夹层黏土颗粒走向排列即片理化有显著促进作用,从而导致蠕变量增加;现场剪切蠕变试验是了解岩体剪切蠕变特性的最重要手段,张强勇等(2011)[81]针对大岗山水电站坝区“硬、脆、碎”辉绿岩脉进行了现场剪切蠕变试验,分析了岩体的剪切蠕变变形规律和剪切蠕变速率特性,结果表明,其变化规律与完整岩石的特征基本相似;李志敬等(2009)[82]针对锦屏二级水电站地下洞室富含节理的实际情况,利用双轴蠕变仪对大理岩硬性结构面进行剪切蠕变试验,分析了不同粗糙度情况下岩样剪切位移与时间的变化规律;何志磊等(2014)[83]针对锦屏二级水电站地下洞室群围岩中含软弱夹层的大理岩进行了剪切蠕变试验,结果表明,在应力水平较低时,蠕变变形主要由瞬时弹性变形和黏弹性变形组成,当应力水平较高时,蠕变变形主要由瞬时弹性变形、黏弹性变形和黏塑性变形组成;沈明荣等[84]通过对规则齿形水泥砂浆结构面以及绿片岩结构面的蠕变特性进行了试验研究,试验结果表明,结构面的剪切蠕变和加载持续时间与应力水平有关;丁秀丽等(2006)[85]通过数值模拟的方式对均质岩体、不同分布产状和数量的结构面试件进行单轴、三轴压缩蠕变试验的计算机仿真,结果表明,结构面产状不仅明显改变了岩体的蠕变强度、蠕变曲线形态,而且控制着岩体的破坏模式及破坏条件;唐红梅等(2009)[86]选取西原模型研究结构面的蠕变损伤特性,剪应力越大,其初始剪切模量越大,随时间降低越快,达到稳定蠕变阶段时降低量也相应越大,而剪应力越大,结构面损伤量随时间增长越快,在达到稳定蠕变阶段时,损伤量也越大。

综上所述,目前岩石及结构面蠕变性质的研究主要集中在完整岩石的蠕变特征及机理方面,裂隙扩展、孔隙塌陷、位错等宏观和微观现象是解释其蠕变变形机理及特性的主要方式。结构面具有蠕变的一般特征,可以借鉴完整岩石的一些试验成果对其研究,但是在某些情况下也会表现出较强的特殊性,就目前的研究成果而言,针对结构面蠕变特征的试验目前还相对较少。在这些研究中,针对软弱夹层的蠕变性质开展的试验研究相对较多,而作为岩体中普遍存在的硬性或脆性结构面,其特殊的变形特性及机理还未得到充分的了解,并且在这些研究成果中,其描述的特征基本上与完整岩石所得到的结论相似,而结构面具有贯通的节理面,并且表面形态是各不相同的,现有的研究成果中并没有体现结构面蠕变的特殊性。

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