隧洞围岩蠕变模型的试验研究.pdf
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1、第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2023-05-16作者简介 吴祖德(1979-),男,江西崇义人,工程师,研究方向为水利工程设计.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.025隧洞围岩蠕变模型的试验研究吴祖德(崇义县水利局,江西 崇义 341300)摘 要隧洞围岩的蠕变会导致围岩强度下降、裂缝扩展、支护结构受力增大等不利后果,对其运营造成严重影响。采用岩石力学试验系统,对隧
2、洞泥质粉岩石进行应力水平下的压实蠕变试验。结果表明,随着应力水平的增加,试样的蠕变参数明显增加;相同的应力水平下,具有较高初始堆积密度的饱和泥质粉岩石具有较大的瞬时弹性模量和较低的极限蠕变模量。研究结果可为隧洞设计及施工提供参考。关键词隧洞围岩;蠕变模型;Kelvin-Volgt 模型中图分类号 TV672+.1 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)09-0121-050 引 言隧洞工程是水利、交通、能源等领域的重要基础设施,其安全性和稳定性直接关系到工程效益和社会效益。隧洞围岩作为隧洞结构的主要承载体,在地应力、水压力、温度等因素的长期作用下,会发生持续的时间依赖性变形,
3、即蠕变现象。蠕变会导致围岩强度下降、裂缝扩展、支护结构受力增大等不利后果,对隧洞工程的设计、施工和运营造成严重影响。因此,深入研究隧洞围岩的蠕变特性及其对隧洞结构安全性的影响,对于优化支护方案、控制变形损坏范围、提高运营寿命等具有重要意义。目前,许多学者开展了大量关于隧洞围岩蠕变模型的试验研究,并提出多种描述围岩蠕变行为的理论模型。徐鹏等1通过三轴循环加卸载蠕变试验,建立并验证岩石的黏弹塑性和弹塑性损伤两种蠕变模型,同时引入损伤因素,建立弹塑性损伤蠕变模型,分析了岩石的蠕变应变、速率和损伤特性。张明珠等2采用 MTS815.02 岩石试验系统,进行不同温度作用下的三轴蠕变试验,并建立了一种新型
4、岩石温度-围压耦合的时效性蠕变模型,结果表明该模型能很好地描述岩石的蠕变变形特性及加速蠕变阶段的变形特性,并验证了温度、围压和时间对岩石蠕变特性的影响。林韩祥等3通过室内三轴蠕变试验和模型辨识技术,建立非线性黏弹塑性蠕变模型,将其在常规三轴应力状态下的蠕变方程编程,并嵌入非线性拟合模块,拟合结果与试验结果吻合,揭示了滇中引水大埋深隧洞围岩的非线性蠕变力学特性。李祥春等4进行低瓦斯压力下的分级加载轴压时型煤蠕变实验发现,经验函数和 Bur-gers 模型等存在缺陷,经过优化的西原加速模型具有可靠性,并提出蠕变拐点的观点,可为预防岩石失稳破坏等工程实践提供借鉴。曹文贵等5基于岩石蠕变的阶段性特征和
5、损伤理论,构建出反映岩石非线性蠕变特征的弹塑性损伤体元件模型,并与 Kelvin 元件模型串联复合,提出简单可行的模型参数确定方法,建立了岩石蠕变全过程的新型模拟方法。在已有研究的基础上,本文采用 MTS815.02岩石力学试验系统,对某隧洞粒径为 10 15mm的泥质粉岩石进行 5 个应力水平下的压实蠕变试验,建立一种岩石压实蠕变过程中的应力-应变本构关系。121第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,20231 试验设计1.1 设
6、计步骤本次蠕变试验采用的仪器设备是 MTS815.02岩石力学试验系统。岩石样品为质量 1 700g、尺寸1015mm 泥质粉岩石,其单轴抗拉强度 57.5MPa,密度 为2 473kg/m3,含水率为天然含水率,先后对饱和含水率的泥质粉岩石以及天然含水率的泥质粉岩石开展蠕变试验。具体的蠕变试验步骤如下:第一步:将岩石样品进行饱和处理,在进行轴向加载之前,岩石样品必须进行饱和。将岩石试样装入蠕变试验模具内,采用真空泵抽真空处理 8h,然后向真空泵中加入无气水,让试样达到饱和状态。对于天然含水率的泥质粉岩石蠕变试验可以忽略此步骤。第二步:轴向压力加载,按照 25、50、100、200以及 400
7、kN 的轴压依次进行轴向加载,每级压力的加载时间为 40s,当加载到下一级压力时,不卸载原先的压力。每次施加轴向压力后保持稳定,等待岩石样品开始蠕变。每个加载级别及其保持时间见表 1。MTS815.02 岩石力学系统被设置为每隔 5s 收集岩石样品的试验数据(包括位移、载荷)。表 1 每级轴压和持续时间轴向压力/kN轴向应力/MPa持续时间/min25=1.981550=3.9630100=7.9260200=15.84120400=31.681801.2 宏观应变的计算方法根据试验得到的轴向蠕变位移 S,可以采用式(1)计算出试验样品在不同时间 t 下的堆积高度 h 和轴向应变;通过对-t
8、曲线和-的拟合,可以得到蠕变模型在进行计算时所需要的计算参数。=lnhh0()=ln 1-Sh0()(1)式中:为应变,m;h 为 t 时刻下的堆积高度,m;h0为试样初始高度,m;S 为试样轴向蠕变位移,m。2 试验结果分析饱和泥质粉岩石的质量 1.7kg,初始堆积高度 102mm,试验模具的内径127mm,采用式(2)可以计算其初始堆积密度为 1 316kg/m3。p=4mD2(2)式中:p为初始堆积密度,kg/m3;m 为饱和泥质粉岩石质量,kg;D 为模具内径,mm。饱和泥质粉岩石蠕变试样在 5 种不同轴向荷载作用下的时间-位移曲线见图 1。由图 1 可知,饱和泥质粉岩石试样在一次蠕变
9、后的变形趋于稳定。从图 1(a)可以发现,蠕变曲线在 1.98MPa 处有明显的波动,这是由于岩石颗粒在轴向压缩力作用下位置突然改变所致。图 1 中的 5 种应力水平下的变形均包括加载阶段的瞬态变形和保持阶段的蠕变变形。221吴祖德:隧洞围岩蠕变模型的试验研究第 9 期图 1 不同轴向荷载下的时间-位移曲线3 饱和泥质粉岩石的蠕变模型研究3.1 常见的蠕变模型常见的蠕变模型有 Maxwell 模型、Kelvin 模型、Kelvin-Volgt 模型(K-V 模型)以及 Burgers 模型等,模型的具体实现方式见图 2。图 2 4 种常见蠕变模型321第 29 卷第 9 期2023 年 9 月
10、水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023 在这 4 种模型中,Maxwell 模型和 Burgers 模型的蠕变大小会随着时间的增加而增加,最终蠕变大小会趋于无穷。因此,Maxwell 模型和 Bur-gers 模型是液体模型,与泥质粉岩石的实际蠕变情况不一致。所以,在对泥质粉岩石的蠕变试验结果进行分析时,不能使用 Maxwell 模型和 Bur-gers 模型。Kelvin 模型不能反映材料的瞬时弹性变形,显然与泥质粉岩石蠕变试验结果中的弹性特性不一致,所以也不能使
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