考虑孔压影响的砂岩流变特性试验与模型【推荐论文】.doc
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1、考虑孔压影响的砂岩流变特性试验与模型研究曹亚军,王伟,郑志5(河海大学岩土工程研究所,南京 210098) 摘要:通过对砂岩在不同孔压和围压下的三轴流变试验的研究,对比分析了岩石在不同条件 下的流变变形特性。研究结果表明,在围压相同的情况下,孔隙水压力的存在降低了岩石的 强度,增加了瞬时弹性变形和蠕变变形;在孔压相同的情况下,围压对岩石的蠕变变形起控10制作用,高围压作用时的蠕变量普遍低于相同应力水平下低围压作用时的变形。在传统流变 模型和有效应力的基础上建立了一种新的非线性流变模型,并能反映孔隙岩石受到孔隙水压 力作用的影响和水在岩石蠕变过程中引起的损伤,该模型和试验结果相比较,能够很好地描
2、 述蠕变曲线中初始的衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,模型计算结果与试验结 果相吻合。15关键词:岩石力学;三轴流变;孔隙水压力;变形特性中图分类号:TU485Experical Study Of Rheological Property Of SandstoneUnder Pore Water Pressure And Its Modeling20CAO Yajun, WANG Wei, ZHENG Zhi(Research Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098) Abstrac
3、t: A experimental study is made on sandstone under different pore water pressures and confining pressures through triaxial rheological experiments.The creep properties of the sandstone under different conditions are compared and analyzed. The test results show that: in the case of same25confining pr
4、essure, pore water pressure can increase the instantaneous elastic deformation and creep deformation but reduce the strength of the sandstone; on the other hand, confining pressure has a impact on creep deformation while maintaining a constant pore water pressure, and the creep deformation under hig
5、h confining pressure is generally lower than that under low confining pressure atthe same deviatoric stress level.Based on the classical creep model and the application of the Effective30stresses,a new nonlinear viscoelasto-plastic rheological model for rock is established,which can reflectthe effec
6、t of pore water pressure on porous rock and the damage caused by water in the process of rock creep. Comparison between the results obtained from that model and the experiment shows that thismodel can well describe the initial attenuation creep phase,the stabilization creep phase and thespeedup cree
7、p phase of the creep curve,and accords well each other.35Key words: rock mechanics;triaxial rheology;pore water pressure;deformation property;0引言流变力学特性是岩石力学中一个重要的研究课题。工程实践表明,岩石工程在长期荷载 的作用下,岩体的变形随时间而增长变化,甚至导致结构发生开裂破坏等现象。文献1对目40前我国流变力学及工程应用方面的若干研究成果进行了较为系统的总结。随着各类岩石工程 建设规模的扩大和结构形式的多样化,相应的力学性质也越来越复杂。而工
8、程岩体大多处于 复杂的地质环境中,工程活动、地质作用和自然环境的变化直接或间接对岩石工程的长期稳基金项目:教育部博士点基金(新教师类)项目(20090094120016) 作者简介:曹亚军(1990-),男,硕士研究生,岩石力学与工程 通信联系人:王伟(1978-),男,副教授,岩石力学与工程. E-mail: wwang定性产生不同程度的影响。试验和工程研究表明,水对岩石的力学特性产生不可忽视的影响:45一方面通过物理化学和力学的作用改变岩体结构,给岩体施加静水压力和动水压力引起岩体 骨架应力变化,另一方面由于岩体的应力重分布导致岩体渗透特性的改变。因此水力耦合作 用对岩石工程流变特性的影响
9、不可忽视。目前,大多数研究集中在含水状态下的岩石流变实验研究并取得一定的成果。李柚2、 朱合华3、杨圣奇4、龚选平5等分别研究了风干饱水和不同含水率下的岩石流变试验特性,50表明岩石在含水状态下的流变比干燥状态下更加显著。而在工程实际中如引水隧洞、地下水 封洞库,岩体不仅受到围岩应力的影响,还往往受到孔隙水压力的作用,为工程的长期稳定 带来了许多不利影响。迄今为止,对岩石在水压作用下的岩石流变特性试验仅有初步的研究。 阎岩等6研究了多孔石灰岩在不同偏应力及水压作用下石灰岩的流变力学特性,试验结果显 示试件的应变总体上随偏应力及水压的增大而增加。佘成学等7通过对高孔隙水压力对岩石55蠕变特性试验
10、研究表明孔隙水压对蠕变作用明显,但不是完全作用。但学者们对饱和岩石在 不同围压和孔压作用下的流变特性研究较少。为此,本文开展了不同围压、孔压以及饱和无 孔压状态下的砂岩三轴流变试验,便于了解不同条件对岩石的蠕变变形规律和长期稳定的影 响。1试验方法及过程601.1试样岩样及仪器试验中砂岩岩样取自某水电工程坝址区段均质性较好的岩石,其结构疏松,强度低,渗 透性较好。试验试件按照水利水电工程岩石试验规程制备标准的岩样(图 1),尺寸为50mm100mm(直径高度),密度为 2.22g/cm3,孔隙率为 17.34%。试验仪器采用法国 TOP INDUSTRIE 公司和河海大学共同研制的全自动三轴流
11、变伺服65仪,仪器由加载系统、计算机控制系统、三轴压力室、数据采集装置、渗透装置等组成(图2),该设备具有应力控制、应变控制、流量控制三种加载方式。图 1 试验砂岩岩样70Fig.1 Test sandstone samples图 2 岩石全自动三轴流变伺服仪Fig. 2 The rock servo-controlled rheology testing machine751.2试样方案及过程为了考虑围压和孔压的影响,试验对砂岩进行围压分别为 2MPa、6MPa,孔压为 0MPa,0.5MPa 的三轴流变试验。试验在恒温恒湿压的条件下进行。轴向偏应力以 0.1cm3/min 的速 率进行分级
12、加载。试验方案见表 1。试验前,为使得岩样孔隙中充满水,需对岩样进行饱水 试验,并在蒸馏水中至少浸泡 24 小时使其达到完全饱和状态,并测量饱水浸泡后岩样的直80径与高度。施加孔压的流变试验步骤如下:(1)将饱和岩样用高性能橡胶套装好后,放入伺服仪的三轴压力室中,调整轴向和环 向应变片位置,设定初始值。(2)待岩样安装好后,通过油液系统给岩样施加至预定的围压值和轴压值,使岩样处 于静水流变中。并保持 24h 不变,等待变形稳定。85(3)在静水压力施加 24 h 后,然后打开进水孔,关闭出水孔,施压孔隙水压力至设定 值。再以 0.1cm3/min 的速率施加第一级轴向偏应力到设定值。一般第一、
13、二两级偏压增量 较大,随后加载的每级偏压增量较小。保持偏应力加载 48h 不变。(4)待第一级加载完成后,逐渐施加第二,第三级偏应力至设定值,每次加载保 持轴向偏应力 48 小时不变,直至最后一级应力水平下岩样发生蠕变破坏。取出破坏的岩样,90记录其破坏形式。(5)根据系统记录的试验数据,进行数据整理和处理,就可以得到不同围压和孔压下 各级应力水平对应的岩石变形与时间的关系。表 1 砂岩流变试验方案试验方案123围压/MPa226孔压/MPa00.50.5Table 1 Rheological test scheme of sandstone951001051.3试样结果及分析不同孔压和应力耦
14、合作用下应变时间关系曲线如图(3)所示。(1)轴向应变规律:从图 3(a)中可以看出,在施加的应力水平为 11.4MPa,15.2MPa,19MPa 的情况下,各级应力水平下的轴向瞬时弹性变形量分别为 3.8me,0.83 me,0.87 me, 可知瞬时弹性变形量与应力水平不呈线性关系,而随着应力水平增量的增加而增大,并且孔 压作用下的蠕变初始阶段的轴向瞬时弹性变形量明显大于无孔压作用时的变形。说明孔隙水 压力的存在对岩石的弹性变形产生了明显的影响,降低了岩石的弹性模量导致初始轴向瞬时110115变形偏大。此外,对比图 3(a)中的轴向应变时间关系曲线可知在围压(2MPa)相同应力水平分别为
15、 11.4MPa、15.2MPa 的条件下作用 48h,有孔压作用的蠕变量分别为 0.59 me,1.21 me, 为无孔压作用时蠕变量的 158%,183%。这说明孔压增加了砂岩的轴向变形,这是因为水分 子进入颗粒间的间隙而削弱了颗粒间的联结造成的,即发生软化。从而使岩石强度降低,同 时又起润滑和溶解作用,使岩石颗粒间摩擦力减小,变形性能提高。在到达相同的蠕变量时, 无孔隙水压力需要的应力显著大于有孔隙水压力时需要的应力。而在施加第三级荷载时,有 孔压作用(0.5MPa)的蠕变量只有无孔压作用时的 86%,这是因为第三级荷载只作用了 0.3h 岩石即发生破坏,较无孔压作用时间短,蠕变变形相对
16、较小。而在孔压(0.5MPa)相同的情况 下,比较图 3(b)中的轴向应变时间关系图可以看出在高围压(6MPa)的作用下蠕变破坏时间和 极限应力明显增加;而初始轴向瞬时应变量在高围压时只有低围压(2MPa)的 52%,在逐级 加载过程中的轴向瞬时应变和轴向蠕变量普遍低于相同应力水平下低围压作用时的变形量, 这说明较高围压能够抑制岩石的弹性和蠕变变形。10s=2MPa,p=0.5MPa333.6MPa8s=2MPa,p=0MPa331.7MPa30.5MPa28.6MPa26.7MPa轴向应变/10-3622.8MPa19MPa415.2MPa11.4MPas=6MPa,p=0.5MPa3200
17、 50 100 150 200 250 300 350 400时间/h(a)砂岩轴向应变-时间关系曲线时间/h00 50 100 150 200 250 300 350 40011.4MPa 19MPa15.2MPa-3-222.8MPa 26.7MPa28.6MPa30.5MPa33.6MPa环向变形/10-4s=6MPa,p=0.5MPa331.7MPas=2MPa,p=0MPa3-8-6s=2MPa,p=0.5MPa3120-10(b)砂岩环向应变时间关系曲线图 3 不同孔压应力耦合作用下砂岩应变-时间关系曲线Fig.3 Strain-time relation curves under
18、 different pore water pressure coupled stresses of sandstone125130135140145(2)环向应变规律:由砂岩的环向变形曲线可知(图 3b)。在围压(2MPa)相同的情况下,环向瞬时变形和轴向变形有相似的规律,即有孔压(0.5MPa)作用时各级荷载作用下的瞬 时变形普遍大于无孔压作用时的瞬时变形,在蠕变破坏阶段的瞬时弹性变形均达到最大。在 相同的应力水平下,环向蠕变变形大于轴向变形,同时在相同的蠕变历时下较无孔压作用时 的蠕变量大,说明孔隙水压力对环向应变的作用明显;在较低应力水平时,从蠕变曲线上可 以看出岩石的蠕变只表现出衰减
19、和稳态蠕变状态,在最后一级应力水平时,出现蠕变加速阶 段直至岩石发生破坏。而当孔压(0.5MPa)相同时,高围压(6MPa)作用下,在低应力水平下环 向蠕变变形不是很明显,且低于轴向蠕变变形。而在高应力水平(33.6MPa)下即使有围压的 限制其环向变形量和轴向蠕变量相差较小。低围压(2MPa)作用时围压对环向变形的限制较 小,以应力水平为 15.2MPa 为例,其蠕变量达到 3.15 me,从图 3(b)中可以明显看出,远远 大于相同应力水平下高围压时的变形量,这主要说明了在孔压相同的情况下,围压对岩石的 蠕变变形起控制作用,高围压时环向变形较小,低围压时环向变形较大。2流变模型研究由砂岩的
20、三轴流变试验曲线可以看出在有孔压的作用下,岩样在低应力水平时表现出明 显的衰减和稳态蠕变现象;在应力水平较高时还会出现加速流变现象。国内的许多学者8-10 在传统的蠕变模型基础上建立了新的非线性蠕变模型来反映前述不同阶段的岩体蠕变破坏 过程。概括起来,非线性模型大致可以分成两类:一类基于黏弹塑性理论基础,另一类基于 损伤理论基础。文11对现有的参数非线性理论流变力学模型及其建立的方法进行系统的总 结并指出了一些模型建立方法中存在的问题。这些模型的建立一定程度上丰富了岩体流变理 论基础,但是大多难以描述孔隙介质受孔压影响的流变行为。本文基于孔隙岩体的变形机制, 考虑孔隙水压力的作用,在传统的西原
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