擾動作用下硬巖蠕變及剪切破壞實驗研究

摘"要：為了研究深部巖體在擾動作用下的非線條蠕變特征和蠕變擾動效應，采用巖石擾動蠕變試驗裝置，選用片麻巖為試樣，并采用了分級加載方式。在靜態軸壓、不同擾動幅值和頻率的作用下，進行了巖石壓縮擾動蠕變試驗，以獲得擾動載荷對巖石蠕變特性的影響。實驗結果顯示：試樣的剪切行為和剪切應力曲線可分為完整試樣的壓剪破裂和剪斷后試樣的剪切滑移。通過對剪切變形與剪切應力的結果分析，在軸壓達到40MPa時，觀察到巖石進入了蠕變敏感的起始階段。當軸壓超過40MPa后，巖石的蠕變應變急劇增加，曲線呈現更為陡峭的變化。這表明在特定的軸壓水平下，巖石對擾動的反應更為敏感。研究結果有助于深入認識巖石剪切蠕變力學行為。

關鍵詞：深部巖體；巖石強度；擾動荷載；壓剪破裂

1"概述

在深部工程中，圍巖的應力場和應變分布表現出顯著的時間依賴性，尤其是在進行硐室開挖之后，圍巖的形變將逐步發展。在此情境下，微小的擾動對于高壓環境下巖體的物理力學特性產生顯著影響，甚至可能引起巖體在其強度極限下的破壞和不穩定［1］。隨著深度的不斷加深，深部巖體面對高應力和強干擾的復雜情況，使深部工程的支護工作變得更加困難［2］。深部圍巖的應力狀態接近巖石強度的極限，干擾性變形成為圍巖形變的關鍵因素［3］。因此，研究巖石在干擾載荷下的蠕變力學特性對于深部工程的支護具有實際意義。眾多學者從不同視角研究了巖石的非線性蠕變性質，并提出了多種非線性蠕變特性［4，5］。

然而，大多數研究都集中在擾動蠕變過程中擾動載荷的直接影響上，而相對較少的研究集中在擾動的振幅和頻率等因素上。為此，開展了不同振幅和頻率的巖石蠕變實驗，以更好地了解擾動對巖石蠕變特性的影響，為深部工程中動力擾動引發巖體蠕變破裂的機理提供理論依據。

2"巖石擾動試驗設備及方案

2.1nbsp;直剪蠕變實驗設備

在對深部巖石進行直剪蠕變實驗研究時，采用便攜式巖石直剪儀，該裝置的法向最大壓力可達500kN，橫向最大剪切力達到300kN，通過力傳感器直接測量法向力與剪切力。該裝置結構簡單、輕便、直觀，維修方便，試驗數據數字顯示準確可靠。實驗使用的是深部完整的片麻巖試樣，實驗分析過程包括壓剪斷裂和剪切滑移兩個階段，這兩個階段都在單次直剪蠕變實驗中實現。實驗裝置如圖1所示。

2.1.1"擾動加載系統

擾動加載系統的振動電機通過杠桿安裝于直剪儀豎向液壓裝置上，使振動電機產生的振動能通過杠桿直接傳遞到壓力室中，從而對巖石樣本實施軸向擾動。此設計使實驗裝置能夠模擬巖石在不同擾動頻率條件下的蠕變行為，并提供了靈活多變的實驗環境。

2.1.2"數據監測系統

數據監測系統利用多通道數據記錄器，連接應力和位移傳感器，實現多通道應力與位移數據的同步記錄。該系統的設計顯著提升了數據的可靠性與處理便利性，使實驗數據采集及分析過程更加高效可靠。

2.2"試驗方案及過程

為確保試驗結果的一致性，選取同一塊片麻巖制備所有試樣。這些樣品被加工成100mm×100mm×100mm的立方體，平均密度為2.75g/cm3，單軸抗壓強度達到88.7MPa。選取一致性好的6個樣品，通過超聲檢測進行檢測。研究片麻巖的擾動蠕變特性時，實驗采取分級加載法，涵蓋了不同的軸向壓力、擾動幅度和頻率的單軸壓縮蠕變試驗［6］。依據片麻巖的應力——應變響應及其基礎力學性質，初始靜載壓力設為20MPa，隨后進行六級軸向加載，每級增加10MPa。擾動幅值設定為0.15kN、0.25kN、0.35kN，而擾動頻率分別設置為3.0Hz、6.0Hz、9.0Hz，在所有試驗中，保持擾動幅值和頻率對于同一試樣不變。

試驗步驟如下進行：（1）加工后的試樣被置于壓力室的中心位置，確保試樣的軸心與壓力室底面垂直。（2）配置并校準應力與位移傳感器，隨后連接至多通道數據記錄器。（3）實施軸向加載，達到設定的壓力值并保持穩定。（4）在軸向變形量連續12小時內保持在0.001mm以下時，進行下一階段的加載。監測直到樣本顯示出蠕變斷裂。整個試驗過程中，保證擾動幅度和頻率對于每個試樣保持一致。（5）進行應力與蠕變數據的收集與分析，旨在探索不同實驗條件對片麻巖蠕變性質的影響［7］。

3"試驗結果與分析

3.1"不同擾動幅值對剪切蠕變結果的研究

研究了軸壓分別為20MPa、40MPa和60MPa時擾動幅度和頻率對巖石蠕變形態的影響。圖2顯示出了當擾動頻率為6Hz時在不同擾動幅度下的蠕變實驗曲線，包括蠕變速率的變化。從圖中可以看出，隨著軸向壓力的增加，巖石的蠕變變形也隨之增加，呈現出加速蠕變現象。特別是當軸向壓力為40MPa、擾動幅度為11.2MPa、加載時間為21.34h時，巖石達到極限蠕變變形。在實驗中觀察到，在巖石達到加速蠕變階段并發生破裂之前，軸壓起著至關重要的作用。在恒定軸壓下，擾動會顯著增加蠕變變形量，并在擾動期間導致蠕變曲線呈現波動性。隨著擾動幅度的增加，巖石的蠕變量呈現階梯式增加，并且增大了突增值。在相同的軸壓和擾動頻率下，增加擾動幅度會導致蠕變變形量增加。另外，隨著軸壓的增加，巖石對擾動的敏感度也增加。在40MPa的軸向壓力下，原狀巖石樣品僅經歷衰變和穩定蠕變。然而，一旦施加擾動載荷，蠕變變形急劇增加，并進入加速蠕變階段，最終導致蠕變斷裂。因此，40MPa可以作為巖石擾動敏感性的分界點。

3.2"不同擾動頻率對剪切蠕變結果的研究

圖3為干擾幅值為8MPa時，片麻巖試件在不同軸向壓力和干擾頻率下的蠕變曲線。結果表明，在相同的同軸壓力和擾動幅度下，巖石的蠕變變形隨著擾動頻率的增加而顯著增加。與原狀相比，巖石蠕變由衰減穩態階段變為加速蠕變階段。這一變化有時足以觸發蠕變失敗。擾動狀態下的蠕變變形量與無擾動狀態相比有顯著增加，極限蠕變變形量在受擾動條件下大大超過無擾動條件，增幅有時可達2～3倍。將圖2與圖3的數據對比發現，擾動幅度對片麻巖蠕變變形的影響超過了擾動頻率的影響。因此，在特定條件下，增加擾動幅度可能引發更顯著的巖石蠕變變形。

3.3"各因素對剪切破壞結果的研究

圖2與圖3展示了在不同軸壓、擾動幅度及頻率條件下片麻巖試樣的蠕變速度曲線。未受擾動時，蠕變速度隨時間延長而逐步降低，開始階段下降最為迅速，最后穩定在一定值附近，微小波動。軸壓增加時，瞬時蠕變速度整體上升，經過初始急劇降低后，在20分鐘之后開始緩慢降低并達到穩定狀態，同時輕微波動。這種波動可能源于片麻巖內部細小裂紋在應力作用下逐步壓緊的過程。雖然這對整體趨勢影響不大，但會在試樣中引起瞬時應變，逐漸趨于穩定。擾動期間，巖石蠕變速度波動較大，隨著擾動次數的增加，同一巖樣蠕變速度變化加快。擾動強度的變化對蠕變速度的波動幅度和頻率有顯著影響；擾動頻率與幅度提高時，蠕變速度曲線波動更為顯著。特別是，擾動幅度對蠕變速度的影響比擾動頻率更加突出，為理解片麻巖在各種擾動條件下的蠕變行為提供了關鍵作用。

直剪試驗系統的剪切能力上限為500kN，導致隨試樣剪切面積增加，能施加的最大法向應力相應降低［8］。圖4展現的試樣剪切應力與剪切位移關系曲線呈現兩個顯著階段：壓剪斷裂和剪斷后滑移。在壓剪斷裂階段，曲線表現出初始壓密和彈性變形特征，期間出現折點，這可能指示試樣在早期顯示出較高的強度和剛度。進入剪切滑移階段，在較高的法向應力作用下，曲線從剪切峰向滑移峰快速或緩慢下降，下降速率隨法向應力的增大而減小。在較低的法向應力條件下，曲線先從剪切峰值下降到接近于零的水平，然后上升到滑移峰值，表明當法向應力降低時，試件受剪程度增加。

通過對片麻巖直剪試驗的剪切變形與剪切應力曲線以及破壞模式的分析，反映了從壓剪斷裂到剪切滑移階段的完整直剪試驗流程。試樣前后面的類片狀破裂通常在剪斷面顯現之前形成；當試樣達到第一個峰值，即壓剪斷裂點時，剪斷面首次出現，隨后試樣的裂紋模式趨于穩定；進而進入剪切滑移階段。

4"結論

（1）擾動幅度與頻率是影響片麻巖蠕變性質的關鍵因素。這些參數的增加導致巖石的蠕變變形急劇增加。在應力與時間條件不變時，擾動幅度對巖石蠕變的破壞作用比擾動頻率更為明顯。

（2）片麻巖的蠕變敏感性隨軸壓的升高而增加，尤其當軸壓達到40MPa時，標志著進入蠕變敏感的起始區域。軸壓超過40MPa后，巖石的蠕變應變急劇增加，曲線出現更加明顯的陡峭變化，說明在一定的軸壓水平下，巖石對擾動的反應更為敏感，這種敏感性在高軸壓條件下尤其突出。

（3）通過對剪切變形與剪切應力的結果分析，發現該過程可以明顯分為兩個階段：一階段對應于試樣的壓剪斷裂，另一階段對應于剪斷后的剪切滑移。這樣的分階段描述有助于深入理解試驗過程中巖石經歷的不同破裂階段，進而深化對巖石蠕變行為的認識。

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基金資助：大學生創新創業訓練計劃省級項目：動態擾動誘致巖石剪切蠕變失穩破裂機理（項目編號：S2022"10147025）

作者簡介：律天昊（2002—"），男，滿族，遼寧阜新人，本科在讀，研究方向：土木工程。