史为政， 许晓亮*， 黄天柱， 向力， 雷潇

(1. 三峡库区地质灾害教育部重点实验室， 宜昌 443002； 2. 三峡大学土木与建筑学院， 宜昌 443002； 3. 武汉市给排水工程设计有限公司， 武汉 430034 )

软岩具有明显的蠕变特性，是地球表面分布最广的岩石[1]。在地下工程中，由于地温、地应力以及含水量的差异性，其赋存环境变得愈加复杂，类似围岩大变形等工程灾害问题也愈加严峻，这对软岩区域的地下工程建设提出了更高的要求[2-4]。

对此，中外学者针对地下工程中的软岩蠕变特性展开了一系列的试验和理论研究。如Chu等[5]为了研究软岩流变性对隧道长期安全的影响，以深埋圆形衬砌为例，研究岩石的不同的流变行为并推导出5种黏弹性模型。Tang等[6]为研究红层泥岩对隧道工程的影响，采用剪切蠕变试验与深度学习相结合，并反分析得到了泥岩的蠕变参数。李祖勇等[7]基于冻结红砂岩蠕变试验并通过三种长期强度分析方法得出冻结砂岩的长期强度，可为软岩低温蠕变特性研究提供理论支持。陈子全等[8]以高地应力层状软岩隧道为研究对象并对其大变形进行分级预测研究。王空前等[9]以深埋矿井巷道页岩为例，依据地下硐室实际开挖情况设计两种应力路径下的卸荷蠕变试验，研究分析其蠕变力学特性。刘新喜等[10]研究高应力条件下泥质粉砂岩的蠕变特性，采用分级加载方式，对岩样进行三轴压缩流变试验，并建立了稳态黏塑性蠕变速率与应力的函数关系，从而确定长期强度。

可见，围绕软岩蠕变试验，在力学特性、蠕变模型及变形特征方面取得了丰富的成果。但由于软岩自身的完整性较差，地下洞室开挖过程中应力重分布长期持续影响软岩变形，如果不了解软岩的长期强度和蠕变变形特征，在开挖后就很难确定支护的时间和方式，这可能会造成开挖过程中的围岩出现失稳事故[11]。此外，地下洞室的开挖会释放临空面附近围岩的应力，从而使围岩处于卸荷状态，且大多数洞室施工采用的是分层开挖方式，因此围岩在分级卸荷状态下的蠕变特性对洞室的长期稳定性有着极为重要的影响。而目前关于软岩洞室围岩分级卸荷-流变力学特性的研究并不多见。

鉴于此，现以四川省大渡河丹巴水电站右岸平硐赋存的软岩为研究对象，结合工程实际设计试验方案，开展恒定轴向应力σ1，分级卸除围压σ3的室内三轴卸荷蠕变试验，探讨了软岩在卸荷条件下的应力-应变特征、变形破坏规律及长期强度的确定等问题，以期为软岩卸荷蠕变特性以及软岩工程的时效稳定性评价提供一定的参考。

1 试验介绍

1.1 试验岩样与仪器

试验所用软岩，取自四川甘孜藏族自治州丹巴县四川省大渡河丹巴水电站右岸平硐，其完整性较好。根据《水利水电工程岩石试验规程》[12]，将所取岩石制备成直径50 mm，高度100 mm(直径、高度偏差≤±0.3 mm，端部平整度≤±0.5 mm)的标准圆柱体岩样，如图1所示。制好的试样主体为暗灰色石块，中间有少许白色岩脉侵入，利用扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)进行对比，发现两者的岩性相差较大，如图2所示；并通过X射线能谱对试样进行观测，发现试样主体矿物成分复杂，主要成分为氧元素和硅元素，杂质中含有碳镁铝钾铁等元素。而白色岩脉的矿物成分较为单一，只含有氧元素和硅元素。为了控制试样离散型，优先选取侵入岩脉较少的试样。再利用天平、超声检测分析仪对所选试样的物理特性进行测定，最终选取物理特性相近的试样进行试验，所选试样的密度约为2.78 g/cm3，纵波波速约为1 300 m/s。本试验所采用的三轴蠕变试验仪器为RLW-2000微机控制岩石三轴蠕变试验机，其轴向变形测量范围为0～10 mm，径向变形测量范围为0～5 mm。

图1 试验岩样Fig.1 Rock samples

图2 岩样试样SEM图Fig.2 SEM figure of rock sample

1.2 岩样基本力学特性

在进行软岩的卸荷蠕变试验之前，为分析软岩的基本力学特性，进行了单轴和不同围压下的三轴压缩试验，得到的应力-应变曲线如图3所示。从图3中可以看出，不同围压下的应力-应变曲线均经历了压密、弹性、塑性和破坏4个阶段，但软岩呈现出明显的延性破坏特征。其中峰值强度前加载阶段应力-应变曲线斜率随着围压的增大而增大，同时峰值强度值也呈现同样的规律。

图3 单三轴压缩应力-应变曲线图Fig.3 Uniaxial and triaxial compression stress-strain curves

根据单轴压缩试验结果可知软岩在单轴应力状态下的抗压强度为18.85 MPa，弹性模量为3.22 GPa。根据不同围压下的三轴压缩试验，拟合出峰值强度与围压关系函数，如图4所示，并结合摩尔库伦强度准则[13]确定出软岩的黏聚力c=5.43 MPa，内摩擦角φ=35.62°。

图4 峰值强度与围压变化关系拟合图Fig.4 Fitting diagram of the relationship between peak strength and confining pressure

1.3 卸荷蠕变试验方案

为研究软岩在不同初始应力条件下的蠕变特性，采用恒定轴压σ1、分级卸除围压σ3的方式开展软岩分级卸荷-蠕变试验，应力路径如图5所示。

图5 分级卸荷-蠕变应力路径图Fig.5 Graded unloading-creep stress path figure

其中轴压σ1分别取5 MPa围压下岩石的三轴压缩峰值强度σc(37.5 MPa)的80%、70%、60%和50%，试验方案如表1所示。具体试验步骤为：①以0.05 MPa/s的加载速率逐步施加σ1=σ3至5 MPa；②保持围压恒定，继续以0.05 MPa/s的加载速率加载轴压至预定应力值(80%σc、70%σc、60%σc和50%σc)；③保持轴压恒定，以0.05 MPa/s的卸载速率分级卸载围压，每级卸载量为0.5 MPa，待试样的蠕变变形趋于稳定，再进行下一级卸载，直至试样发生蠕变破坏。

表1 试验方案Table 1 Test scheme

2 试验结果分析

2.1 轴向及侧向变形规律

图6为初始围压5 MPa，不同轴向应力下软岩分级卸围压下的轴向与侧向蠕变曲线，图6中应变曲线上方的数字表示围压值的大小。由图6可知，随着时间的推移，围压卸除总量的不断增加，各试件的轴向和侧向应变逐渐增大，各级增大幅度均不相同。当围压卸荷到一定水平后，软岩蠕变阶段同时表现出了衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段，随后软岩发生破坏。根据分级卸荷-蠕变试验结果，得到每一级卸荷时软岩的瞬时应变和蠕变应变，如表2所示。瞬时应变和蠕变应变分别为每一级围压卸载过程中和荷载稳定后软岩产生的应变，如图7所示。

图6 不同轴压下分级卸荷-蠕变曲线Fig.6 Graded unloading-creep curves under different coaxial pressures

图7 瞬时/蠕变应变示意图Fig.7 Schematic diagram of instantaneous/creep strain

由表2可知，软岩试样在每一级卸荷-蠕变过程中，蠕变曲线出现了明显的瞬时应变和蠕变应变过程。可以看出，两者在各级围压下表现各有不同。此外，随着轴向压力的减小，各试样发生蠕变破坏的围压卸荷次数随之增加，达到蠕变破坏所需要的总卸荷量也随之增加。轴压为80%σc、70%σc、60%σc和50%σc时，软岩发生蠕变破坏时的围压分别为3、2.5、1.5、0.5 MPa。分级卸荷-蠕变刚开始时，试样在三个方向都处于均衡受力状态，内部裂隙还未发育。随着围压的分级卸荷，软岩侧向约束减小使内部微裂隙发育，并逐渐贯通形成竖向或者斜向的侧向裂隙，导致侧向应变逐渐增大。当初始轴压水平较高时，卸荷前软岩所受偏应力较大，导致软岩的初始裂隙更为发育，卸荷过程中微裂隙贯通发育更快。因此，初始轴压水平越高，软岩在相同卸围压条件下越容易破坏。

2.2 加速蠕变特性

从2.1节软岩分级卸荷-蠕变曲线可以看出，在较高围压以及较低偏应力水平下，岩样变形趋于稳定，主要表现为岩石的衰减蠕变和稳态蠕变。在破坏围压下，试样的应变发生非线性增大，进入非线性加速蠕变阶段，最终迅速致使试样发生破坏，这一阶段历时一般较短，会产生较大的蠕变变形。因此，为了详细分析软岩在加速蠕变阶段的特点，以L44试样为例，做出了破坏围压下软岩轴向、侧向蠕变及蠕变速率的变化曲线，如图8所示。

通过图8可以看出，软岩试样在破坏围压水平下均经历了衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和非线性加速蠕变阶段三个岩石蠕变的经典阶段。对于经历时间而言，其中稳定蠕变阶段的时间最大，要远远大于衰减蠕变阶段和非线性加速蠕变阶段。软岩蠕变经历衰减、稳态和加速三个阶段时，软岩蠕变速率的变化呈现出明显的U形特征。蠕变速率的变化情况与软岩蠕变的三个阶段相对应：衰减蠕变阶段，蠕变速率随着时间的增加而逐渐减小至某一常量；稳态蠕变阶段，蠕变速率随着时间的增加基本保持为一常量；非线性加速蠕变阶段，蠕变速率随着时间的增加而迅速增大，直至软岩发生破坏。

2.3 破坏特征

图9～图12为不同初始轴压水平下4组软岩试样分级卸荷-蠕变宏观破坏特征图，其中图9(a)～图12(a)展示了标准圆柱体试样(50 mm×100 mm)不同角度的破坏形态，图9(b)～图12(b)展示了圆柱体试样表面裂隙的分布情况。在恒轴压卸围压方案下，当逐级卸除围压时，偏应力逐渐增大，岩样内部形成剪切破坏面。并且在围压减小过程中，剪切面上的正应力不断减小，摩擦力也随之减小，导致岩样剪切破坏面不断扩大与形成，进而使得试样主要以压剪破坏为主。

图9 L42破坏特征图Fig.9 Figures of failure characteristics of L42

值得注意的是，在初始轴压较高的情况下，试样端部出现了竖向拉剪裂隙，这是由于在较高轴压作用下，试样端部作为接触面发生竖向变形较大，竖向变形引起横向张拉应力，使试样端部在拉应力作用下发生局部破坏，并且初始轴压越高，拉剪裂隙发育越完全。而初始轴压越小，拉剪裂隙发育越不明显，试样呈现压剪性破坏特征越显著。此外，在初始轴压较大的情况下剪切面上的正应力较大，从而增加摩擦力，摩擦力阻碍了剪切面的形成，从而使岩样能够承受更大的偏应力。

图10 L45破坏特征图Fig.10 Figures of failure characteristics of L45

图11 L34破坏特征图Fig.11 Figures of failure characteristics of L34

r为试样半径;L=2πr为周长;H为试样高度图12 L44破坏特征图Fig.12 Figures of failure characteristics of L44

3 软岩卸荷蠕变长期强度分析

通常将岩石在发生蠕变变形过程中，由稳态蠕变转为非稳态蠕变时的临界应力值称为岩石的长期强度，只有当应力水平高于临界值时，岩石才会发生蠕变破坏[14]。长期强度指标对实际工程的指导意义极其重要，目前对于岩石的长期强度分析的方法主要有等时应力-应变曲线法、非稳定蠕变判别法、体积扩容法,其中最常用的是等时应力-应变曲线法。等时应力-应变曲线法是指在一组不同应力水平下的蠕变曲线中，相等时间所对应的蠕变应变与应力的关系曲线，每条曲线由直线向曲线变化的转折点所组成的直线对应的应力值为岩石的长期强度[15]。根据此方法得到了不同轴向应力水平条件下软岩卸荷-蠕变试验的等时应力-应变曲线，如图13所示。

根据不同轴向应力水平等时应力-应变曲线，获得软岩的长期强度如表3所示。根据表3中软岩长期强度和蠕变破坏强度的比值(强度比)[16]进行分析，发现长期强度都处于破坏强度的90%以上，并且初始轴压越高的试样，强度比越大，即蠕变破坏时的围压越接近长期强度围压，这说明在相同围压卸荷条件下，初始轴压越大软岩越早进入屈服阶段。因此，在地下洞室布置中应考虑开挖方向与最大主应力的空间关系，尽量避免开挖方向与最大主应力方向垂直，并合理设计开挖方量以控制应力释放，避免围岩因卸荷量过多而破坏，造成工程安全事故。

4 结论

(1) 软岩在恒轴压逐级卸围压过程中，轴向与侧向均发生了一定程度的变形，破坏围压下蠕变曲线均经历3个经典阶段：衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变，其中稳态蠕变历时最长，衰减蠕变和加速蠕变历时较短。破坏围压下蠕变速率与蠕变曲线的3个阶段相对应，蠕变速率随时间的增大呈现为减小-稳定-逐渐增大的U形特点，直至软岩发生破坏。

(2) 分级卸荷条件下，初始轴压越大，软岩发生蠕变破坏所需的围压总卸荷量越少；软岩均呈现出剪切破坏特点，且初始轴压对软岩的蠕变破坏有明显的影响，较高初始轴压下，除主要的压剪破坏面外，试样端部出现了少量的竖向拉剪裂隙，而初始轴压下越小，软岩呈现出压剪破坏特点越显著。

(3) 采用等时应力-应变曲线法获得软岩蠕变长期强度，发现4组试样强度比均在90%以上，同时初始轴向压力越高，强度比越大，试样越早进入屈服阶段。