软岩蠕变试验研究
王旭东，付小敏
(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室 四川 成都 610059)
摘要：随着岩体工程规模的扩大以及使用年限的增长，岩石流变性质的研究与工程应用越来越得到重视。但由于室内流变试验持续时间长，费用高，一般很难进行。这次以工程项目为依托，做了大量的岩石压缩流变。本文试图通过这次试验对室内岩石流变试验做一些有益的探索。 关键字： 蠕变 长期强度 分级加载 蠕变模型
Rock rheological test summarization
WANG Xu-dong, FU Xiao-min
(National Laboratory of Geohazards Prevention and Geoenvironmental Protection of cheng du university of technology)
(cheng du 610059, Sichuan, China)
Abstract:with the expanse of project scale and the increase of use year,rock rheological research and project application been more and more regarded .thanks to rheological test last long time and spending is large ,so it been proceeded difficultily .this rely on project doing a lot of rock compression test .this article wants to make some useful research about rheological test via this test.
Key words: creep long-term strength step load creep model
1 前言
许多大型工程项目，其服务年限都是几十年甚至上百年，在工程设计中不仅要考虑施工期的安全，而且要确保在日后长期运营过程中的安全，因此要考虑岩石的时间效应。岩石流变还是地下工程、建筑物基础、边坡及滑坡岩石产生变形乃至失稳的重要原因之一。开展岩体(石)流变性质及其对工程稳定性的影响研究具有重要的理论意义及工程应用价值。
室内岩石流变试验由于持续时间长，费用高，一般很难进行，第一手的试验数据尤其珍贵。目前大多学者注重于非线性流变模型的建立（文献[5],[7],[8]），对试验的过程和数据处理涉及的比较少。本次实验是以工程项目为依托，利用压缩流变试验系统对岩石进行单轴压缩蠕变研究。在两种状态（天然和饱水）下对岩样进行分析，进而得出它们的长期强度等流变参数。试验时间持续15个月之久，得到了大量的珍贵数据和试验经验。本人通过对该次试验的参与，得到了一些启发如下，希望能对同行的研究者提供一些帮助或启示。
2 试验过程
2.1 试验设备
本次实验采用岩石压缩流变实验系统。该系统由试验机（A）、试验机（B）、试验机（C）三台主机和高压泵站、六通道高精度液压稳压器、荷载及位移测量系统、计算机数据采集系统构成。该试验系统功能可覆盖岩石力学试验领域的多个测试项目。
2.2 制样
在坡体不同的岩层部位选取有代表性的软岩和硬岩分别进行室内单轴压缩蠕变试验。所有试样均采取人工凿样，加工试件时，视岩样软硬程度分别加工，对极软岩石和软弱夹层难以加工成标准样的选用非标准试件，经过仔细修理制成长方体试件。试样的平行度和垂直度精度应达到1%。饱水样在试验前先浸泡，分四次加水每次加水约样高的1/4，每次浸泡约2小时左右。
2.3 试验方法
打开静态伺服液压设备、液压稳压器、测量计算机的电源并预热30分钟。按照使用的机号启动数据采集程序，该试验机配置了专用的软件，可根据工程的实际要求，对试验过程进行控制和对试验数据进行采集和修正，并适时输出试验结果。本次试验设定数据采集时间间隔为30秒。装样，将岩样中心与加力千斤顶的中心对齐，开启下降阀使上剪盒与岩样紧密结合，然后安装位移传感器，为了减少位移传感器的误差使各位移测量通道的读数有一个初值，约为量程的20%。
本试验的岩石压缩流变加载采用分级加载的方式（陈氏加载法），加荷方式如图1所示。陈氏加载法的优点在于，通过采取适当的试验技术与方法，用作图法建立真实变形过程的叠加关系，不论这种后效影响是线性的还是非线性的均可适用。分级加载取单轴抗压强度的75%作为流变加载的总强度，一般预先将总强度分为五级，然后逐级加载。各级荷载的持续时间根据岩石的蠕变增量和蠕变速率确定，当蠕变增量为零（低应力时）或蠕变速率为常数（高应力时），就施加下一级荷载，一直加到岩样破坏为止。由于试验过程比较长，温度和湿度对试验结果的影响比较大，所以室内必须保持恒温恒湿，本试验通过空调和除湿机来保持恒定的温度与湿度。
σσ5σ4σ3σ2σ1 0 t1t2t3图1 分级荷载加载图
t4t
3 数据分析与模型建立
首先从试验仪器采集系统中导出数据，由于采得的数据很庞大，要筛选出关键的数据进行处理，进而绘出蠕变曲线图和应力应变等时曲线图，如图2，图3所示：
0.0140.0120.01应变0.0080.0060.0040.00200326496128160192224256288320时间/h2－3（饱水样）蠕变曲线图σσσσσσ1＝0.92Mpa2＝1.83Mpa3＝2.91Mpa4＝3.97Mpa5＝4.99Mpa6＝5.99Mpa
图2 蠕变曲线图
76应力（mpa）5432100y = 1.3621Ln(x) + 11.297R2 = 0.8038t=1ht=10ht=50h0.0020.0040.006应变0.0080.012－3（饱水样）应力应变等时曲线图
图3 应力应变等时曲线图
岩石流变试验的一个最重要的结果就是求出岩石的长期强度，一般的处理方法就是许多教科书上说的取应力应变等时曲线图上曲线变平时的那一点的应力作为长期强度，但是一般情况下很难出现曲线变平的时候，大多数情况如图3所示。
还有一种方法就是通过建立模型来计算长期强度。经过比较该种岩石的蠕变曲线与西原体（改进）模型的蠕变曲线相似（图2与图4比较）。西原体模型反映当应力水平较低时，开始变形较快，一段时间后逐渐趋于稳定成为稳定蠕变，当应力水平等于或超过岩石某一临界应力值后，逐渐转化为不稳定蠕变。根据文[4]的研究，西原体（改进）模型可以较好的描述图2的蠕变曲线。在不同的应力条件下，分别对应于不同的蠕变方程： ⑴ 当???s，???0E1??0E2(1?e?E2?1t)
其蠕变曲线大致如图4中的曲线1 ⑵ 当???s，0?t?tf，
???0E1??0E2(1?e?E2?1t)??0??St ?2其蠕变曲线大致如图4中曲线2的实线段。 ⑶ 当???s,t?tf，
?2t?0?0?0??S?0??s?1(t?tf)?1???(1?e)?tf?(e?1)
E1E2?2HEH其蠕变曲线大致如图4中曲线2的虚线部分。
式中E,E2,?1,?1,H分别为材料的弹性、粘性和塑性性质参数，?s为岩石的长期强度，tf为岩石由稳定蠕变发展到加速蠕变的时刻。
图4 西原体（改进）岩石蠕变曲线
由图4可以看出，曲线1由瞬时蠕变阶段和稳定蠕变阶段组成，可以描述蠕变图图2中的前5级荷载作用下的蠕变曲线；曲线2由瞬时蠕变阶段和加速蠕变阶段组成，可以描述蠕变图图2中的第6级荷载作用下的蠕变曲线。蠕变方程的未知参数比较多，手算不可能进行，所以利用数据处理软件来确定西原模型中的各个流变参数。该软件本身自带有很多种拟合函数，可以非常方便地进行曲线的拟合，而且还可以进行自定义函数的拟合。由于流变模型方程比较复杂，所以采用它的自定义函数拟合法。图5就是2－3饱水样拟合的蠕变曲线与试验数据的吻合比较图，图中的蓝色的实线是拟合后的曲线，黑色的三角形点为原始数据。从图中可看出拟合的比较好。由模型算出的长期强度与第一种方法算出的长期强度很接近。
0.0120.0110.0100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010.000creepεxiyuan model04080120160200240280320360t/h
图5 拟合曲线与试验数据的比较图
4 结语
文中详细地介绍了室内岩石压缩流变试验的试验过程与数据处理，并在分级加载方式下给出了数据的处理过程与模型的建立。在试验过程和数据处理方面做了一些探讨，仅供从事岩石流变研究的同行参考。参考文献
[1] 刘雄.岩石流变学概论[M].北京：地质出版社，1994.
[2] 周德培.流变力学原理及其在岩土工程中的应用[M].成都：西南交通大学出版社，1995.
[3] 封志军，周德培，周应华.origin软件在岩土流变试验数据整理中的应用[J].路基工程，2005，（6）.
[4] 张忠亭，罗居剑.分级加载下岩石蠕变特性研究[J].岩石力学与工程学报，2004，（23）.
[5] 邓荣贵，周德培，张倬元，付小敏.一种新的岩石流变模型[J]. 岩石力学与工程学报，2001，（20）. [6] 范庆忠，高延法.分级加载条件下岩石流变特性的试验研究[J].岩土工程学报，2005，（11）. [7] 陈沅江，潘长良，曹平等 .软岩流变的一种新力学模型[J].岩土力学，2003，4. [8] 徐平，杨挺青.岩石流变试验与本构模型辨识[J]. 岩石力学与工程学报，2001，10. ===============================================
作者简介：王旭东，男，1981年出生，现为在读硕士研究生，专业为岩土工程
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