第四節　巖石流變力學特性

流變作為巖石重要的力學特性之一，與工程的長期穩定和安全密切相關。工程實踐表明，地下隧道的破壞和失穩，在許多情況下并不是在開挖后立即發生的，隧道從開始變形到最終破壞是一個與時間有關的復雜的非線性累進過程。巖石流變是隧道產生大變形乃至失穩的重要原因之一，因此，合理地描述和揭示巖石與時間相關的力學行為，認識其時效變形規律與破壞特征具有重要的理論意義和實用價值。

一、灰質泥巖流變力學特性試驗

1．試驗設備

流變試驗要求應力在長時間內保持恒定不變，因此對試驗設備的穩壓系統、應力和變形量測系統的長期穩定性與精度都有著很高的要求。

本次巖石三軸流變試驗在河南省巖土力學與水工結構重點實驗室的RLJW－2000微機控制巖石三軸、剪切流變伺服儀上進行，流變儀主要由軸向加載系統、圍壓系統、剪切系統、控制系統、計算機系統等幾部分組成，如圖2－2－5所示。

該流變儀軸向壓力0～2000kN，圍壓0～50MPa。儀器測力精度±1%，變形測量精度±0．5%，連續工作時間大于1000h，能夠完成巖石三軸、巖石直剪、巖石三軸蠕變、巖石三軸松弛、巖石剪切流變等多種試驗，可以滿足流變試驗的要求。

2．試驗方案

對9號（開城北）隧洞ZK13鉆孔內的白堊系下統馬東山組（K1m）泥巖和7號（大灣）隧洞ZK10鉆孔內的白堊系下統乃家河組（K1n）泥巖進行三軸流變試驗，共進行五組灰質泥巖的流變試驗，試驗所用巖石試樣編號、幾何尺寸見表2－2－4。

3．試驗結果

對9號（開城北）隧洞和7號（大灣）隧洞鉆孔內的白堊系泥巖進行三軸流變試驗，試驗共施加了6級荷載。ZK13－2－3為天然狀態，在不同應力水平下泥巖軸向分別加載流變曲線以及徑向分別加載流變曲線如圖2－2－6、圖2－2－7所示。

ZK13－2－1為飽水狀態，在不同應力水平下泥巖軸向分別加載流變曲線以及徑向分別加載流變曲線如圖2－2－8、圖2－2－9所示。

ZK13－2－5試樣在不同應力水平下巖石軸向分別卸荷流變曲線，如圖2－2－10所示。

各級應力水平下巖石軸向與徑向的瞬時應變、蠕應變以及總應變見表2－2－5。

4．巖石流變規律分析研究

根據以上試驗成果巖石蠕變具有如下規律：

（1）由各組巖石的分別加載流變曲線可知，灰質泥巖的軸向應變、徑向應變均可以分為兩部分：一部分是瞬時應變，即每級應力水平施加瞬間試樣產生的瞬時變形；另一部分是流變應變，即在恒定應力水平作用下，試樣的變形隨時間而增長。在各級應力水平下，軸向流變曲線和徑向流變曲線均可以劃分為2個階段：第一階段是衰減流變階段，第二階段是穩定流變階段。

（2）對比ZK13－2－3與ZK13－2－1各級應力水平下巖石軸向與徑向的應變值，可以看出天然含水狀態下灰質泥巖的瞬時應變量、蠕應變量以及總應變量均較小，然而水對灰質泥巖變形特性影響顯著，飽水后巖石軸向瞬時應變量是天然狀態下的3．1～4．7倍，軸向蠕應變量是天然狀態下的4．6～6．4倍，軸向總應變量是天然狀態下的3．5～5．0倍；飽水后巖石的徑向瞬時應變量是天然狀態下的7．3～9．2倍，徑向蠕應變量是天然狀態下的9．9～18．2倍，徑向總應變量是天然狀態下的9．6～13．6倍。因此，在分級加載條件下，與天然狀態相比，灰質泥巖飽水后在上部荷載的長期作用下將產生較為顯著的時效變形。

（3）由表2－2－5可以看出，ZK13－2－5在恒軸壓分級卸圍壓條件下，由于軸向應力較小，卸荷后各級圍壓下巖石的瞬時應變量、蠕應變量以及總應變量均不大。從巖石蠕應變與總應變的比值可以看出，巖石卸荷后的蠕應變是總應變量的64%～71%。因此，分級卸荷條件下，雖然卸荷后各級圍壓下巖石的瞬時應變量、蠕應變量不大，但與瞬時應變相比，巖石的蠕應變較為顯著。

（4）對比ZK10－4組試件與ZK13－2組試件可以看出，ZK10－4埋深在279．07～280．83m，由于巖石埋深較大，在上覆壓力的作用下，巖石固結較為密實，而試樣ZK13－2埋深在86．7～88．3m，埋深較小，巖石固結程度較ZK10－4組巖石弱。因此，在相同應力水平下，天然含水狀態下ZK10－4組巖石試樣的應變量較ZK13－2組巖石試樣的應變量減小，巖石的時效變形特性減弱。

（5）試樣軸向和徑向的衰減流變階段歷時隨偏差應力的增加而延長，即應力水平越高，巖石發生衰減流變的時間越長。以ZK13－2－3巖石軸向流變為例，如圖2－2－6所示，當應力水平為3MPa時，初始的6h流變速率明顯衰減，為衰減流變階段，隨后流變速率隨時間增加保持不變，即進入等速流變階段；而當應力水平達18MPa時，衰減流變階段歷時達30h左右。

（6）從表2－2－5中可以看出，巖石試樣軸向與徑向的瞬時應變、蠕應變以及總應變均隨應力水平的增加而增大。在各級應力水平下，徑向蠕應變占徑向總應變的比例始終比軸向蠕應變占軸向總應變的比例大。因此，巖石的徑向流變效應明顯。

（7）在試驗過程中，巖石的軸向流變以及徑向流變均沒有出現明顯的起始流變強度，即在較低的應力水平下，巖石的變形亦隨時間而增大。試樣的軸向應變以及徑向應變歷時曲線在低應力水平下均呈現出衰減流變階段，在較高應力水平下呈現出穩定流變階段，而且每一級應力水平下均有持續一段時間的穩定流變，穩定流變速率在同級應力水平下幾乎為常數，不同應力水平下的流變速率也很接近，與應力水平增量沒有明顯的比例關系。

二、砂質泥巖流變力學特性試驗研究

對1號隧洞（北山）ZK1鉆孔內的第三系始新統寺口子組（E2s）砂質泥巖進行三軸壓縮流變試驗。

1．試驗設備

由于飽和砂質泥巖強度低，流變試驗采用SR－6型三軸蠕變儀（圖2－2－11）。試驗設備圍壓采用空氣壓力為壓力源，經過調壓閥，可以保證試驗期間圍壓的穩定。試驗可以采集的數據有圍壓、孔壓、排水量和變形量。變形測量的精度為0．01mm。軸向應力加載采用重力加載，該方法可保存軸向壓力恒定，是最常用的加載方法。試驗設備可通過軟件系統進行控制和自動采集數據。

2．試驗步驟

考慮工程實際環境情況，為能更真實的模擬砂質泥巖的排水條件，試驗采用了排水剪。試驗過程如下。

（1）排水固結。根據隧洞埋深情況，試驗選擇了500kPa圍壓，固結時間為2～3天；固結完成后根據排水量計算試樣的固結變形。

（2）加載。試驗采用分級加載方法進行。每級加載時間視變形速率而定，一般控制在3天內總變形量少于0．01mm就認為蠕變穩定，進入下級加載。試驗中施加的應力水平值分別為0．4MPa、0．8MPa、1．2MPa、1．6MPa。

（3）數據采集，加載后的30min內每30s記錄一個數據，之后每1min記錄一個數據。試驗系統自動采集數據。

3．試驗結果

流變試驗共施加了4級荷載，各級荷載持續時間大于3000min，總歷時16330min，不同應力水平下砂質泥巖軸向分別加載流變曲線，如圖2－2－12所示。

根據試驗結果，將各級應力水平下巖石軸向的瞬時應變、蠕應變以及總應變列于表2－2－6。

4．巖石流變規律分析

（1）飽和砂質泥巖流變曲線反映了流變的第一階段和流變第二階段，即衰減流變階段與穩定流變階段，但在試驗中未觀察到流變第三階段，即加速流變階段。

（2）試樣軸向的瞬時應變、蠕應變以及總應變均隨應力水平的增加而增大。在各級應力水平下，軸向蠕應變占軸向總應變的比例均大于50%，表明巖石的流變效應明顯。

（3）由于砂質泥巖成巖時間短，顆粒間泥質膠結力弱，巖石飽水后流變量大，時效變形顯著，巖石的這一力學特性將對引水工程的長期穩定和安全運行產生較大影響，在工程建設中應對砂質泥巖的流變力學特性給予重點關注。