DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.08.031

板岩各向异性蠕变特性试验研究

黄旻鹏，李江腾，张建，王聪聪，王思青

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：利用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪，对江西九江地区典型板岩进行单轴压缩蠕变试验，研究板岩内部固有各向异性对蠕变特性的影响。研究结果表明：板岩试样蠕变曲线均出现明显的瞬时弹性阶段、衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段，并未出现加速蠕变阶段，且试样在应力水平稳定的状态下突然发生破坏，表现出明显的脆性破坏特征；随着层理面倾角变化，蠕变破坏类型即剪切破坏和张拉破坏也发生变化；在初始应力水平下，层理面倾角为60°时的瞬时弹性应变最大，倾角为90°时的瞬时弹性应变最小，且随着应力水平大，瞬时弹性模量逐渐上升并趋于稳定，瞬时弹性应变则呈逐渐降低的趋势；蠕变速率随应力水平提高而逐渐增大，层理面倾角为60°的试样在高应力下出现最大蠕变速率。

关键词：板岩；蠕变；各向异性；层理面倾角

中图分类号：TU452             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)08-2210-07

Experimental study on creep characteristics of anisotropic slate

HUANG Minpeng, LI Jiangteng, ZHANG Jian, WANG Congcong, WANG Siqing

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: A set of uniaxial compression creep experiments of typical slate specimens which come from Jiangxi Jiujiang region were performed using RYL-600 microcomputer control rock shear rheometer. The effects of internal inherent anisotropy on creep mechanical properties of slate were studied according to the experimental data. The results show that all the strain-time curves of specimens exhibite obvious instantaneous elastic stage, transient creep stage and steady state creep stage while do not exhibit the accelerated creep stage, the creep failure occurs suddenly under the steady stress level, showing obvious brittle failure characteristics. With the change of the bedding plane angle, creep damage types also change, including shear failure and tensile failure. Under the initial stress level, the instantaneous elastic strain is the largest when the bedding plane angle is 60°, while it is the smallest when the angle is 90°, and with the increase of stress level, the instantaneous elastic modulus gradually increases and stabilizes, while the instantaneous elastic strain decreases gradually. Creep rate increases with the increase of stress level, creep rate of the specimen with bedding planes inclination angle of 60° is the fastest among all specimens under high stress condition.

Key words: slate; creep; anisotropy; inclination of bedding

自然界中，很多种类的岩石具有非连续性、非均质性和各向异性特征^[1]。这是由于岩石在形成过程中存在大量层理、节理以及裂隙网络，且岩石内部的矿物结晶颗粒具有不同的粒度和组合方式，造成岩石具有不同层次的结构构造，进而对岩石的力学性质、变形特征和破坏规律产生重要影响^[2]。因此，研究岩石内部固有各向异性对流变特性的影响具有十分重要的意义。目前，国内外学者对岩石蠕变特性进行了大量试验研究^[3-8]，而对各向异性的蠕变特性试验研究较少。DUBEY等^[9]对喜马拉雅地区的盐岩进行了单轴压缩蠕变特性试验，对轴向荷载与层理之间平行、垂直以及30°斜交这3种状态下试样的瞬时应变、衰减蠕变阶段持续时间和稳态蠕变速率等进行了研究。LIU等^[10]对泥质岩进行了三轴蠕变试验，研究了偏应力和结构各向异性对泥质岩蠕变特性的影响。付志亮等^[11]以非线性蠕变理论作为基础，对含油泥岩的弹性模量、泊松比、蠕变速率进行了测试和分析。熊良宵等^[12]对绿片岩进行了单轴压缩蠕变特性试验，将荷载与层理之间的关系分为垂直和平行2种，针对这2种情况下试样的瞬时应变、衰减蠕变持续时间进行了分析，同时对蠕变破坏机制进行了研究。FABRE等^[13]对含黏土成分较多的沉积岩进行了单轴压缩蠕变试验，分析了加载方式、轴向荷载与层理的夹角对沉积岩长期流变特性的影响。肖明砾等^[14]对石英云母片岩进行了三轴压缩蠕变试验，研究了丹巴水电站石英云母片岩的三轴蠕变特性及其各向异性特性。在此，本文作者利用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪，采用分级增量加载方式，对江西九江地区典型板岩进行单轴压缩蠕变试验，获取相应的蠕变试验曲线。以试验结果为依据，探讨板岩内部固有各向异性对蠕变特性的影响。

1  蠕变试验

1.1  试样制备

本试验所采用的板岩岩样取自江西九江地区某矿山钻孔矿岩岩心，外观为深灰—灰黑色，质地均匀致密，具有显著的片状构造，夹有灰色、青灰色变质细砂岩或粉砂岩。试样制备采用钻孔取心法，按β(即层理面与水平面的夹角)方向取样。如图1所示，取β为0°，30°，60°和90°，制作4个试样即试样1~4，试样是直径×高度为50mm×100mm标准圆柱体，试样高度和直径允许偏差为±3 mm，试样端面的平整度和侧面平整度控制在0.03 mm以内，试样中心线与端面的垂直度误差小于0.25°^[15]。

图1  试样制备示意图

Fig. 1  Sample preparation schematic

1.2  试验方法

本次试验根据层理面与水平面之间的不同夹角关系将试样分为4组。考虑到试验仪器的利用效率等因素，蠕变试验采用分级增量加载方式进行，将单轴抗压强度的30%，40%，50%，70%，80%和90%作为蠕变试验的各级荷载^[16]，每级加载速率为100 N/s，具体试验分组情况见表1。

板岩单轴压缩蠕变试验在中南大学岩土力学流变试验室RYL-600微机控制岩石剪切流变仪上完成，试验机所配控制系统采用原装德国进口DOLI全数字伺服控制器，试验得到的蠕变曲线可实时显示在屏幕上，试验1~4的轴向应变-时间曲线见图2。

1.3  试验结果

对板岩试样进行分级增量加载蠕变试验，获得了不同层理面倾角板岩在各级荷载状态下的轴向应变。

表1  蠕变试验参数

Table 1  Parameters of creep test

图2  试样1~4的轴向应变-时间曲线

Fig. 2  Axial strain-time curves of No.1-4 specimens

由图2可知：板岩试样轴向应变随应力水平等级的提高而提高，且在各级荷载状态下试样轴向应变均可分为施加荷载过程中出现的瞬时弹性应变和应力水平稳定状态下出现的蠕变应变2部分。除试样2在加载过程中被破坏以外，其他试样均在应力水平稳定的状态下突然发生破坏。试样在蠕变试验过程中出现瞬时弹性阶段、衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段，但未出现加速蠕变阶段。其原因是：试样内部的微观裂纹在试验过程中由于应力集中、疲劳等，导致其进一步扩展，当裂纹尺寸达到临界尺寸时，试样突然发生破坏，表现出明显的脆性破坏特征。

2  层理面对板岩蠕变破坏形态的影响

试样1~4的蠕变破坏形态见图3。

由图3可知：随着层理面与水平面夹角变化，板岩试样的蠕变破坏类型发生改变，可分为剪切破坏和张拉破坏两大类。

图3  试样1~4的蠕变破坏形态

Fig. 3  Creep failure modes of No.1-4 specimens

当层理面倾角为0°和30°时(如图3(a)和3(b)所示)，试样的蠕变破坏类型为裂纹斜向贯穿层理面的剪切破坏。这是由于试样内部的板岩(母岩)和砂岩(夹层)的力学性质不相同，导致两者的蠕变变形并不一致，因而在其交界面出现径向张力，试样内部形成微观裂纹。但由于沿层理面方向的拉应力分量较小，不足以产生沿层理面方向的滑动位移，随着应力水平和蠕变时间增长，微观裂纹逐渐扩展并且汇聚成为贯穿层理面的宏观剪切面，最终试样沿该剪切面滑移并出现剪切破坏。

当层理面倾角为60°时(如图3(c)所示)，试样的蠕变破坏类型为沿层理面的滑动剪切破坏，此时，试样的层理面即为剪切面，主要发生沿层理面方向的滑动破坏。

当层理面倾角为90°时(如图3(d)所示)，试样的蠕变破坏类型为平行层理面的劈裂张拉破坏。这是由于板岩与砂岩的弹性模量等力学参数差异较大，而当试样上、下端受到约束时，两者具有相同的轴向蠕变应，因此，母岩与夹层之间存在应力差，导致试样内部沿层理面产生张拉裂纹。受泊松效应的影响，张拉裂纹沿平行层理面方向扩展形成破裂面；随着应力水平增长，当试样内部的横向拉应力大于抗压极限时，破裂面逐渐张开，最终试样沿平行层理面方向发生劈裂张拉破坏。

3  瞬时弹性应变的比较

各级荷载状态下试样的瞬时弹性应变、瞬时弹性模量和蠕变速率见表2，瞬时弹性应变与试验荷载的关系见图4。在分级增量加载条件下，每级的总瞬时弹性应变为前面各级瞬时弹性应变的累加值，总瞬时弹性应变与试验荷载的关系见图5。瞬时弹性模量与试验荷载的关系见图6。

由表2、图4和图5可知：在初始应力水平下，试样3(层理面倾角为60°)的瞬时弹性应变大于试样1和2(层理面倾角分别为0°和30°)的瞬时应变增量，且试样4(层理面倾角为90°)瞬时弹性应变最小。其原因是：对试样施加轴向压应力的瞬间，除了内部微观孔洞或裂隙被压闭合外，由于砂岩(夹层)的黏聚力和弹性模量比板岩(母岩)的低，因此，当层理面与水平面夹角为60°时，夹层与母岩的交界面出现拉应力，进而沿层理面方向产生滑动剪切位移，导致其瞬时弹性应变比其他试样的大。当层理面倾角为0°和30°时，由试样的破坏形态可知，此时其并未产生沿层理面方向的滑动位移，因此，瞬时弹性应变主要来源于母岩与夹层内微裂隙的压密闭合。当层理面与水平面夹角为90°即轴向荷载平行于层理时，板岩试样沿平行层理面方向产生张拉裂纹，并形成多个相对独立的片状岩块；将这些片状岩块类比为压杆^[17]，由试验现象可知受压时其弯矩较小，因此，产生的挠度也较小，此时，试样表现出较大的瞬时弹性模量，而瞬时弹性应变则较小。

表2  各级荷载状态下的轴向应变

Table 2  Axial strain under load status levels

图4  瞬时弹性应变的比较

Fig. 4  Comparison of instantaneous elastic strains of specimens

图5  总瞬时弹性应变的比较

Fig. 5  Comparison of total instantaneous elastic strains of specimens

图6  瞬时弹性模量的比较

Fig. 6  Comparison of instantaneous elastic modulus of specimens

由于试样在低应力状态下经历长时间的蠕变变形，使初始裂纹不断闭合，因此，随着应力水平增加，其瞬时弹性应变总体上呈逐渐降低的趋势(第3级应力水平和第4级应力水平之间的应力差值为单轴抗压强度的20%，此时，瞬时弹性应变出现小幅度上升)，且层理面与水平面方向夹角不同的试样间瞬时弹性应变差异明显减小。从表2和图6可以看出：在高应力状态下，各试样瞬时弹性模量相对稳定，表明此时试样的瞬时弹性应变也逐渐趋于稳定，与表2及图4和图5所示情况一致。

4  蠕变速率影响因素分析

蠕变速率与应力关系曲线见图7。采用应力函数对其进行拟合，拟合结果见图8。

图7  蠕变速率与应力与关系曲线

Fig. 7  Relationship between creep rate and stress

图8  蠕变速率与应力拟合关系曲线

Fig. 8  Fitting curves of creep rate and stress

表2和图8(a)所示的蠕变速率和应力关系可采用应力函数进行回归，试样1和2相应的曲线的函数式分别为：

          (1)

         (2)

表2和图8(b)所示的蠕变速率和应力关系可采用应力函数进行回归。由于试样3在第2级荷载作用下和试样3在第2级荷载作用下测得的蠕变速率偏离较大，拟合时将其舍弃。因此，试样3和4相应的曲线的函数式分别为：

            (3)

            (4)

由表2和图8可知：随着应力水平提高，板岩试样的蠕变速率逐渐增大。这是因为板岩内部存在成层赋存的层理或节理等弱面，当层理面剪应力增大时，由此引发的裂纹扩展速率加快，使蠕变速率上升。由图7可知：当应力水平较大时，试件3出现了最大蠕变速率，此时试样层理面与水平面的夹角为60°，接近试样的破裂角，蠕变速率明显增大。因此，应力以及试件的层理面倾角均为蠕变速率影响因素。

5  结论

1) 板岩试样在蠕变试验过程中出现了瞬时弹性阶段、衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段，但未出现加速蠕变阶段；大多数试样在应力水平稳定状态下突然发生破坏，表现出明显的脆性破坏特征。

2) 随着层理面与水平面夹角的变化，板岩试样的蠕变破坏类型也发生改变。当层理面倾角为0°和30°时，破坏类型为裂纹斜向贯穿层理面的剪切破坏；当倾角为60°时，破坏类型为沿层理面的滑动剪切破坏；当倾角为90°时，破坏类型为平行层理面的劈裂张拉破坏。

3) 在初始应力水平下，层理面倾角为60°时的瞬时弹性应变大于0°和30°时的瞬时应变增量，而倾角为90°时瞬时弹性应变最小。随着应力水平增加，试样的瞬时弹性应变呈逐渐降低趋势，且层理面与水平面方向夹角不同的试样间瞬时弹性应变差异明显减小。

4) 应力以及试件的层理面倾角均为蠕变速率影响因素。随着应力提高，板岩试样的蠕变速率逐渐增大；当层理面倾角接近试样的破裂角时，蠕变速率明显增大。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-09-29；修回日期：2016-11-03

基金项目(Foundation item)：长江科学院开放研究基金资助项目(CKWV2016390/KY)；国家自然科学基金资助项目(51374246)；湖南省水利厅科技项目(30227)；中南大学硕士生自主探索创新项目(2016zzts453)(Project(CKWV2016390/KY) supported by the Open Research Program of Changjiang River Scientific Research Institute; Project(51374246) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(30227) supported by the Science and Technology Program of Water Resources Department of Hunan Province; Project(2016zzts453) supported by the Master Independent Explored Innovation of Central South University)

通信作者：李江腾，博士(后)，教授，从事岩土工程研究；E-mail：ljtcsu@163.com