含水率对公路隧道围岩物理力学性能影响分析

崔 欣

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

大多数岩体工程失稳主要是由于岩体结构面和节理裂隙等强度薄弱部位的时效变形积累而导致的蠕变破坏，水是其中关键因素之一。黄明[1]等对含水劣化的泥质粉砂岩进行了单轴蠕变试验研究，建立含水损伤的泥质粉砂岩非线性蠕变模型。蒋海飞[2]等对处于高围压、高水压下岩石的非线性本构模型进行研究，给出一个新的非线性黏性元件，并将其与Burgers模型串联，并推导出新模型的本构方程。王军保[3]等针对芒硝的蠕变特性，提出了一种非线性粘滞体元件，替换原Burgers模型中的黏性元件，并建立盐岩非线性本构模型。舒志乐[4]等根据软岩蠕变的非线性特性，提出了一个非线性粘滞系数的牛顿元件，该黏滞系数与应力水平、孔隙水压力及蠕变时间呈函数关系，并将该模型与西原模型串联，得到一个软岩非线性黏弹塑性蠕变模型，推导了不同恒定荷载情况下的蠕变方程。齐亚静[5]等通过在西原模型上串联一个带应变触发器的非线性黏壶，给出了改进的西原模型，推导岩石在恒应力情况下的三维蠕变本构方程，并采用该流变模型对三峡库区万州红层砂岩流变试验全过程曲线进行辨识。结果表明，改进的西原模型能够较好地描述砂岩的衰减阶段、稳定阶段及加速阶段的变形过程，比传统西原模型更为准确。

本文在总结前人研究成果的基础上，以阜新海棠山隧道为工程背景，对该隧道含水砂岩进行单轴压缩试验及单轴压缩蠕变试验，分析各力学参数随含水率的分布规律及含水岩石的蠕变特性，为类似工程提供可靠的试验依据。

1 单轴压缩试验

1.1 试验介绍

本文对浸水砂岩进行单轴压缩试验及单轴压缩蠕变试验，所有试验均在MTS815.02多功能岩石力学伺服试验系统上完成，该系统是由美国MTS公司生产的专门用于混凝土及岩石类材料力学性质测试的试验系统，根据设备技术参数可知，该系统各项性能均满足本文试验要求。试验所用砂岩试样均采自海棠山隧道施工现场，试样表面无节理裂隙等天然缺陷，呈灰白色。经现场粗加工后运至实验室，再经切割、钻孔取芯、打磨，最终制得直径50 mm，高100 mm的标准岩石力学试验试件，制备好的试样见图1。

图1 砂岩试样

首先将制备好的试件全部放入烘干箱内烘干，设置烘干箱温度为104 ℃，时间为24 h。烘干完成后，取出试件放于干燥皿中冷却至室温，称重；然后，对其中一部分试件进行浸水处理，在不同时刻取出对应编号试件，擦干表面后称重，计算对应时刻试样含水率，为避免试样因水分蒸发而造成的试验误差，称重后的试样立即进行单轴压缩试验。

1.2 试验结果分析

单轴压缩试验采用位移控制模式施加轴向荷载至试样失稳破坏，设置加载速率为0.2 mm/min，不同时刻试样含水率及试验结果见表1，不同含水率单轴压缩应力-应变曲线如图2所示。

表1 试验结果

图2 不同含水率单轴压缩应力-应变曲线

由图2可知，不同含水率单轴压缩应力-应变与经典岩石应力-应变曲线大体相似，均可划分为5个阶段，即压密阶段、弹性阶段、塑性屈服阶段、峰后阶段和残余阶段。压密阶段由于应变速率较慢，岩石受力较小，表观变形体现在岩石内部承载能力最弱部分的变化，即岩石中原有裂隙因受压后导致闭合，表现为早期的非线性变形，反映在应力-应变曲线为上凹型，该段曲线的斜率随应力的增大而逐渐增大，表明岩石内部微裂隙在刚开始时变化较快，裂隙逐渐被压密；弹性阶段是由曲线转为直线拐点处开始，应力-应变呈线性关系，其中，曲转直的拐点成为岩石的压密极限；塑性屈服阶段则紧跟弹性变形之后发生，岩石开始产生非线性变化，岩石内外部裂隙开始进入不稳定发展阶段直至破坏，微裂隙应力集中效应明显，裂隙继续扩展，在薄弱处产生破坏，导致应力重分布，如此又产生新的薄弱部位而继续破坏，岩石再次进行应力重分布，如此循环往复直至岩石完全破坏，此时的强度即为岩石单轴抗压强度；峰后阶段岩石内部裂隙快速发展，形成宏观破裂面，并沿着破裂面产生滑动，强度急剧降低，且随着含水的逐渐增大，峰后曲线逐渐趋缓；残余阶段岩石产生破坏后强度迅速降低，但并未减小至零，说明岩石破坏后具有一定的残余强度。

从曲线整体形态上可以看出当含水率较小时(如w=0%，0.68%)，曲线在达到峰值后突然下降，形似“断崖”，说明岩石在较低含水率下表现为脆性破坏，且含水率越小“断崖”越明显。随着含水率的提高，曲线在弹性变形阶段的斜率逐渐减小。当含水率较大时(如w=1.47%，2.83%，3.91%)时，曲线达到峰值后并未出现“断崖”，而是表现为具有一定延性，此时应力变化不大，应变继续发展，与实际地下工程中围岩遇水后岩质变软情况相似，说明岩石长期受水浸泡后，其强度、弹性模量降低明显，由表可知，当含水率为0%时，试样的单轴抗压强度、弹性模量分别为27.49 MPa和5.314 GPa，当含水率为3.91%时，试样单轴抗压强度、弹性模量分别为18.79 MPa和4.239 GPa，降幅分别为31.65%和23.59%，产生这种现象可能由于干燥状态下试样所承受的压力完全由岩石内部骨架承担，而含水状态下则由孔隙水承担一部分，有效应力减小。

2 单轴压缩蠕变试验

2.1 试验介绍

含水砂岩单轴压缩蠕变试验采用单试件逐级增量法进行加载，其蠕变曲线示意图见图3。根据不同含水率试样单轴压缩峰值强度对蠕变试验荷载水平进行分级，首先采用力控制模式对试样施加轴向应力至预定值，加载速率为0.2 MPa/s，根据工程实际情况，采用力控制加载方式施加轴压，加载速率为0.2 MPa/s，每一级荷载施加时间为蠕变变形进入稳定蠕变后，施加下一级荷载，如此反复循环直至试样失稳破坏。

图3 单试件逐渐增量加载法

2.2 试验结果分析

图4为不同含水率砂岩分级加载蠕变曲线，试验采用荷载控制，严格遵循变形稳定后再加载原则，试验过程中并未考虑等时加载，对后文采用陈氏加载法处理数据时应适当对加载时间较短的曲线进行延长。根据已有结论可知，岩石蠕变试验一般分为两个或三个阶段，即衰减蠕变、稳定蠕变或衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变。“两阶段”蠕变一般发生在应力水平偏低的状态下，而“三阶段”蠕变则发生在应力水平偏高的情况下。衰减蠕变阶段，蠕变速率随时间逐渐减小，至某一常量(或零)后保持不变，进入稳定蠕变阶段；随着时间的继续延长，蠕变速率开始变化，进入加速蠕变阶段，并逐渐增大直至岩石破坏。从图3砂岩单轴蠕变试验结果可知，前4种含水率状态下，试样均处于“两阶段”蠕变，当含水率达到近似饱和时，即w=3.91%，荷载水平为32 kN时，蠕变进入加速蠕变阶段，岩石发生破坏。

图4 不同含水率分级加载蠕变曲线

根据陈氏加载法对分级加载蠕变进行处理，得到分别加载蠕变曲线如图5所示，限于篇幅，文中仅给出含水率3.91%时的分别加载蠕变曲线，表给出了不同含水率下各级荷载水平所对应的瞬时蠕变值和蠕变速率，同级荷载水平下的应力有所差异，但波动均在误差允许范围内，可近似认为应力数值相同。

图5 含水率为3.91%时砂岩分别加载蠕变曲线

当含水率为0%(干燥状态)，荷载水平为5.0741 MPa时，瞬时应变为2.2170%，而当荷载水平为17.0918 MPa时，瞬时应变增大至3.9992%；当含水率为0.68%(天然含水状态)，荷载水平为5.0619 MPa时，瞬时应变为2.4353%，而荷载水平为17.0510 MPa时，瞬时应变增大至4.4343 %；当含水率为3.91%(饱和含水状态)，荷载水平为5.1019 MPa时，瞬时应变为2.9827%，而荷载水平为17.3261 MPa时，瞬时应变增大至5.4009%；可见，相同含水率情况下，瞬时应变随荷载水平单调递增。

以含水率为0.68%(天然含水状态)为例，各级荷载水平下试样进入稳定蠕变时间分别为：当荷载水平为5.0741 MPa时，约100 min，当荷载水平为8.1803 MPa时，约300 min，当荷载水平为10.3651 MPa时，约420 min，当荷载水平为13.2906 MPa时，约540 min，当荷载水平为17.0510 MPa时，约720 min；可见，荷载水平对岩石蠕变进入稳定阶段起到了关键的作用，当含水率为3.91%(饱和含水状态)，且荷载水平为17.3261 MPa，加载时间约35 h时，蠕变曲线发生突变，应变值迅速增大，由此判断此种情况下试样发生破坏。

表2 蠕变试验结果

由表2可知，在含水率为0%情况下，前三级荷载水平下稳定蠕变速率均为零，当荷载水平分别为13.3225 MPa和17.0918 MPa时，稳定蠕变速率分别为0.0030和0.0041；而在含水率为0.68%情况下，第一、二级荷载水平下的稳定蠕变速率为零，当荷载水平分别为10.3651、13.2906、17.0510 MPa时，稳定蠕变速率分别为0.0036、0.0063、0.0080；在含水率为3.91%情况下，第一级荷载水平下的稳定蠕变速率为零，其余四级荷载水平下的稳定蠕变速率分别为0.0041、0.0083、0.0147、0.0157，可见，蠕变速率逐渐由零向非零常数过渡，亦随荷载水平增大而逐渐增大。

图6为含水率为0.68%时的等时应力-应变曲线，从图中可以发现，等时应力-应变曲线由一簇折线组成，且存在一特定荷载，使该荷载左右曲线呈现不同状态，称该点为岩石的长期强度σs。当应力小于σs时，曲线几乎成直线变化，当应力大于σs时，曲线发散，由线性转变为非线性，且大幅增长，最终致使试件破坏。根据蠕变试验结果，当含水率w=0%、w=0.68%时，长期强度σs为13 MPa；当含水率w=1.47%时，长期强度σs为10 MPa；当含水率为w=2.83%、w=3.91%时，长期强度σs为8 MPa。

图6 等时应力-应变曲线

3 结论

(1)根据单轴压缩试验结果，砂岩峰值强度、弹性模量均随含水率增大而逐渐减小，泊松比随含水率单调递增，各力学参数随含水率均逐渐趋缓，砂岩破坏模式随含水率增大逐渐由脆性向延性过渡。

(2)根据单轴压缩蠕变试验结果，同一荷载水平下，随着含水率的逐渐增大，瞬时应变逐渐增大，蠕变速率逐渐增大；试样长期强度随含水率的增大逐渐下降。