第四节 岩石流变力学特性
流变作为岩石重要的力学特性之一，与工程的长期稳定和安全密切相关。工程实践表明，地下隧道的破坏和失稳，在许多情况下并不是在开挖后立即发生的，隧道从开始变形到最终破坏是一个与时间有关的复杂的非线性累进过程。岩石流变是隧道产生大变形乃至失稳的重要原因之一，因此，合理地描述和揭示岩石与时间相关的力学行为，认识其时效变形规律与破坏特征具有重要的理论意义和实用价值。
一、灰质泥岩流变力学特性试验
1．试验设备
流变试验要求应力在长时间内保持恒定不变，因此对试验设备的稳压系统、应力和变形量测系统的长期稳定性与精度都有着很高的要求。
本次岩石三轴流变试验在河南省岩土力学与水工结构重点实验室的RLJW－2000微机控制岩石三轴、剪切流变伺服仪上进行，流变仪主要由轴向加载系统、围压系统、剪切系统、控制系统、计算机系统等几部分组成，如图2－2－5所示。
图2－2－5 RLJW－2000微机控制岩石三轴、剪切流变伺服仪
该流变仪轴向压力0～2000kN，围压0～50MPa。仪器测力精度±1%，变形测量精度±0．5%，连续工作时间大于1000h，能够完成岩石三轴、岩石直剪、岩石三轴蠕变、岩石三轴松弛、岩石剪切流变等多种试验，可以满足流变试验的要求。
2．试验方案
对9号（开城北）隧洞ZK13钻孔内的白垩系下统马东山组（K1m）泥岩和7号（大湾）隧洞ZK10钻孔内的白垩系下统乃家河组（K1n）泥岩进行三轴流变试验，共进行五组灰质泥岩的流变试验，试验所用岩石试样编号、几何尺寸见表2－2－4。
表2－2－4 试样的几何尺寸与物理性质指标
3．试验结果
对9号（开城北）隧洞和7号（大湾）隧洞钻孔内的白垩系泥岩进行三轴流变试验，试验共施加了6级荷载。ZK13－2－3为天然状态，在不同应力水平下泥岩轴向分别加载流变曲线以及径向分别加载流变曲线如图2－2－6、图2－2－7所示。
图2－2－6 泥岩轴向分别加载流变曲线
图2－2－7 泥岩径向分别加载流变曲线
ZK13－2－1为饱水状态，在不同应力水平下泥岩轴向分别加载流变曲线以及径向分别加载流变曲线如图2－2－8、图2－2－9所示。
ZK13－2－5试样在不同应力水平下岩石轴向分别卸荷流变曲线，如图2－2－10所示。
各级应力水平下岩石轴向与径向的瞬时应变、蠕应变以及总应变见表2－2－5。
图2－2－8 泥岩轴向分别加载流变曲线
图2－2－9 泥岩径向分别加载流变曲线
图2－2－10 ZK13－2－5灰质泥岩轴向分别卸荷流变曲线
表2－2－5 各级应力水平下岩石的轴向、径向瞬时应变、蠕应变以及总应变
续表
4．岩石流变规律分析研究
根据以上试验成果岩石蠕变具有如下规律：
（1）由各组岩石的分别加载流变曲线可知，灰质泥岩的轴向应变、径向应变均可以分为两部分：一部分是瞬时应变，即每级应力水平施加瞬间试样产生的瞬时变形；另一部分是流变应变，即在恒定应力水平作用下，试样的变形随时间而增长。在各级应力水平下，轴向流变曲线和径向流变曲线均可以划分为2个阶段：第一阶段是衰减流变阶段，第二阶段是稳定流变阶段。
（2）对比ZK13－2－3与ZK13－2－1各级应力水平下岩石轴向与径向的应变值，可以看出天然含水状态下灰质泥岩的瞬时应变量、蠕应变量以及总应变量均较小，然而水对灰质泥岩变形特性影响显著，饱水后岩石轴向瞬时应变量是天然状态下的3．1～4．7倍，轴向蠕应变量是天然状态下的4．6～6．4倍，轴向总应变量是天然状态下的3．5～5．0倍；饱水后岩石的径向瞬时应变量是天然状态下的7．3～9．2倍，径向蠕应变量是天然状态下的9．9～18．2倍，径向总应变量是天然状态下的9．6～13．6倍。因此，在分级加载条件下，与天然状态相比，灰质泥岩饱水后在上部荷载的长期作用下将产生较为显著的时效变形。
（3）由表2－2－5可以看出，ZK13－2－5在恒轴压分级卸围压条件下，由于轴向应力较小，卸荷后各级围压下岩石的瞬时应变量、蠕应变量以及总应变量均不大。从岩石蠕应变与总应变的比值可以看出，岩石卸荷后的蠕应变是总应变量的64%～71%。因此，分级卸荷条件下，虽然卸荷后各级围压下岩石的瞬时应变量、蠕应变量不大，但与瞬时应变相比，岩石的蠕应变较为显著。
（4）对比ZK10－4组试件与ZK13－2组试件可以看出，ZK10－4埋深在279．07～280．83m，由于岩石埋深较大，在上覆压力的作用下，岩石固结较为密实，而试样ZK13－2埋深在86．7～88．3m，埋深较小，岩石固结程度较ZK10－4组岩石弱。因此，在相同应力水平下，天然含水状态下ZK10－4组岩石试样的应变量较ZK13－2组岩石试样的应变量减小，岩石的时效变形特性减弱。
（5）试样轴向和径向的衰减流变阶段历时随偏差应力的增加而延长，即应力水平越高，岩石发生衰减流变的时间越长。以ZK13－2－3岩石轴向流变为例，如图2－2－6所示，当应力水平为3MPa时，初始的6h流变速率明显衰减，为衰减流变阶段，随后流变速率随时间增加保持不变，即进入等速流变阶段；而当应力水平达18MPa时，衰减流变阶段历时达30h左右。
（6）从表2－2－5中可以看出，岩石试样轴向与径向的瞬时应变、蠕应变以及总应变均随应力水平的增加而增大。在各级应力水平下，径向蠕应变占径向总应变的比例始终比轴向蠕应变占轴向总应变的比例大。因此，岩石的径向流变效应明显。
（7）在试验过程中，岩石的轴向流变以及径向流变均没有出现明显的起始流变强度，即在较低的应力水平下，岩石的变形亦随时间而增大。试样的轴向应变以及径向应变历时曲线在低应力水平下均呈现出衰减流变阶段，在较高应力水平下呈现出稳定流变阶段，而且每一级应力水平下均有持续一段时间的稳定流变，稳定流变速率在同级应力水平下几乎为常数，不同应力水平下的流变速率也很接近，与应力水平增量没有明显的比例关系。
二、砂质泥岩流变力学特性试验研究
对1号隧洞（北山）ZK1钻孔内的第三系始新统寺口子组（E2s）砂质泥岩进行三轴压缩流变试验。
1．试验设备
由于饱和砂质泥岩强度低，流变试验采用SR－6型三轴蠕变仪（图2－2－11）。试验设备围压采用空气压力为压力源，经过调压阀，可以保证试验期间围压的稳定。试验可以采集的数据有围压、孔压、排水量和变形量。变形测量的精度为0．01mm。轴向应力加载采用重力加载，该方法可保存轴向压力恒定，是最常用的加载方法。试验设备可通过软件系统进行控制和自动采集数据。
图2－2－11 SR－6型三轴蠕变仪
2．试验步骤
考虑工程实际环境情况，为能更真实的模拟砂质泥岩的排水条件，试验采用了排水剪。试验过程如下。
（1）排水固结。根据隧洞埋深情况，试验选择了500kPa围压，固结时间为2～3天；固结完成后根据排水量计算试样的固结变形。
（2）加载。试验采用分级加载方法进行。每级加载时间视变形速率而定，一般控制在3天内总变形量少于0．01mm就认为蠕变稳定，进入下级加载。试验中施加的应力水平值分别为0．4MPa、0．8MPa、1．2MPa、1．6MPa。
图2－2－12 砂质泥岩轴向分别加载流变曲线
（3）数据采集，加载后的30min内每30s记录一个数据，之后每1min记录一个数据。试验系统自动采集数据。
3．试验结果
流变试验共施加了4级荷载，各级荷载持续时间大于3000min，总历时16330min，不同应力水平下砂质泥岩轴向分别加载流变曲线，如图2－2－12所示。
根据试验结果，将各级应力水平下岩石轴向的瞬时应变、蠕应变以及总应变列于表2－2－6。
表2－2－6 各级应力水平下岩石的轴向瞬时应变、蠕应变以及总应变
4．岩石流变规律分析
（1）饱和砂质泥岩流变曲线反映了流变的第一阶段和流变第二阶段，即衰减流变阶段与稳定流变阶段，但在试验中未观察到流变第三阶段，即加速流变阶段。
（2）试样轴向的瞬时应变、蠕应变以及总应变均随应力水平的增加而增大。在各级应力水平下，轴向蠕应变占轴向总应变的比例均大于50%，表明岩石的流变效应明显。
（3）由于砂质泥岩成岩时间短，颗粒间泥质胶结力弱，岩石饱水后流变量大，时效变形显著，岩石的这一力学特性将对引水工程的长期稳定和安全运行产生较大影响，在工程建设中应对砂质泥岩的流变力学特性给予重点关注。