中厚层炭质板岩蠕变特性：实验成果分享

2023-09-21 理论教育版权反馈

【摘要】：具体试验方案见表2.3。表2.4为炭质板岩三轴蠕变试验的蠕变指标，分析可知:①随着荷载水平提高，轴向瞬时应变与蠕变应变增大，且蠕变应变占总变形量比例逐渐增大。图2.15三轴压缩蠕变试验曲线图2.16泡水5 d时三轴压缩蠕变试验曲线图2.17泡水15 d时三轴压缩蠕变试验曲线图2.18泡水25 d时三轴压缩蠕变试验曲线表2.5不同泡水时间炭质板岩三轴蠕变特性指标轴向与侧向蠕变①相同泡水时间，轴向与侧向初始瞬间应变均随

1)三轴蠕变试验方案

(1)试验仪器

岩石三轴蠕变试验在RLW-2000型微机控制岩石三轴蠕变试验机上进行(图2.8)，试验机主要由主机(轴向加载框架)、压力室、轴向力加载装置、围压加载装置、充液油源、气泵、计算机测控系统等部分组成。试验机的最大轴向试验力为2 000 kN，最大围压为80 MPa，试验力测量精度在±1%以内，位移测量精度在±0.5%以内，围压测量精度在±2%以内。试验机稳压效果良好，连续工作时间最长达1 000 h，试验力、围压长时稳定度在±2%以内，框架刚度为5 000 kN/mm。

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图2.7　围压25 MPa不同泡水时间的三轴压缩应力-应变曲线

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图2.8　RLW-2000岩石三轴蠕变试验机

(2)试验方案与方法

为研究炭质板岩的流变特性以及水对炭质板岩流变特性的影响，采用分级加载法，分别对不同泡水时间下的炭质板岩进行三轴蠕变试验。试验采用固定围压，以轴向压力分级加载方式进行，加载应力水平按瞬时抗压强度综合考虑。试验过程采用应力控制，保持轴向压力稳定误差为0.5%，侧向压力稳定为0.5 MPa，采样点为1个/min。具体试验方案见表2.3。试验数据处理采用陈氏加载处理法。

表2.3　三轴蠕变试验方案

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2)干燥状态下的蠕变特性

(1)轴向与侧向蠕变规律

干燥状态炭质板岩在恒围压分级加载下的轴向应变与侧向应变曲线如图2.9所示。轴向变形和侧向变形规律既有相同之处，也有各自不同的特点:

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图2.9　干燥状态分级加载时轴向应变与侧向应变曲线

①每级荷载作用下，轴向和侧向都有瞬时应变与蠕变应变产生，轴向变形比侧向变形大，为侧向变形的2～3倍。

②随着加载应力水平的提高，轴向变形和侧向变形均依次出现衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变。

③轴向与侧向蠕变明显存在有蠕变起始应力阈值σk。当加载应力水平小于σk时，蠕变很快衰减趋于零，只出现衰减蠕变。当加载应力水平大于σk时，才产生蠕变速率为常量的稳定蠕变。当前围压下，轴向蠕变应力阀值σk=90 MPa，约为同围压下瞬时抗压强度的42.3%，侧向蠕变应力阈值σ′k=50 MPa，小于轴向蠕变应力阀值σ′k，且有σ′k=0.55σk。

表2.4为炭质板岩三轴蠕变试验的蠕变指标，分析可知:

①随着荷载水平提高，轴向瞬时应变与蠕变应变增大，且蠕变应变占总变形量比例逐渐增大。破坏应力水平达130 MPa时，加速破坏前，蠕变应变占总变形量的比例达到49.59%。

②随着荷载水平提高，侧向瞬时应变增大，侧向蠕变应变呈现出增大—减小—增大的复杂趋势，反映了岩石内部微裂纹扩展形成宏观主裂纹的非线性过程。

③轴向瞬时应变、蠕变应变量值均比侧向应变、蠕变应变量大。侧向蠕变应变占侧向总变形的比例较大，侧向的蠕变发展要较轴向的快。如应力水平为50 MPa时，轴向和侧向的蠕变量分别占各自总变形量的0.74%和12.99%;应力水平为90 MPa时，轴向和侧向蠕变量分别占各自总变形量的23.32%和35.28%。

表2.4　三轴蠕变试验数据统计

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由图2.10、图2.11轴向蠕变加速曲线与侧向蠕变加速曲线可见，当加载水平达到130 MPa时，轴向变形出现衰减蠕变、稳态蠕变及幂指数型的加速蠕变三阶段。侧向加速蠕变比轴向加速蠕变发生略早，侧向加载约5.18 h，轴向加载约5.34 h出现破坏。且侧向变形加速蠕变时应变呈线性急剧增长，试样破坏时侧向的反应要比轴向更为剧烈和明显。

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图2.10　炭质板岩轴向蠕变曲线

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图2.11　炭质板岩侧向蠕变曲线

(2)加载应力水平对侧向-轴向变形特性的影响

加载应力水平对岩石流变形特性有着重要影响，不同应力水平下侧向应变与轴向应变关系呈现不同的特征。图2.12为破坏应力水平90 MPa时侧向应变与轴向应变的关系曲线，可见，当加载应力水平小于屈服应力时，侧向变形与轴向变形近似成正线性关系且同步增加，即ε3=aε1+b。文献[55]认为应力水平越大，a值也越大。图2.13为破坏应力水平130 MPa时侧向应变与轴向应变关系曲线，可见，侧向变形增加的速率高于轴向变形，且两者成幂指数关系ε3=a exp(bε1)。由此可见，随着应力水平由低向高转变，岩石侧向应变与轴向应变之间的关系也由同步线性增加而向非线性增加转变。

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图2.12　90 MPa时侧向-轴向应变关系

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图2.13　130 MPa时侧向-轴向应变关系

(3)蠕变速率规律

图2.14(a)为加载90 MPa时轴向和侧向蠕变速率与时间的关系曲线。图2.14(b)为加载至130 MPa蠕变破坏时轴向和侧向蠕变速率与时间的关系曲线。

由图2.14(a)可知，蠕变速率随着应力水平的变化而变化，轴向蠕变速率大于侧向蠕变速率。破坏应力水平前，轴向和侧向蠕变速率均只表现为初期和稳态蠕变速率2个阶段。初期蠕变速率大，90 MPa时轴向初期蠕变速率为1.6 mε/h，随着时间增长，很快衰减至某一常量且基本保持不变。

由图2.14(b)可见，加载至130 MPa时，6 h内岩石轴向与侧向蠕变速率的变化经历了初期蠕变速率、稳态蠕变速率以及加速蠕变速率3个阶段。随着加载应力水平提高，蠕变速率亦增大，岩样破裂时，蠕变速率急剧增大，导致岩样迅速破裂并伴有显著的扩容与体积膨胀。

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图2.14　不同荷载水平蠕变速率

3)不同泡水时间下的蠕变特性

分别对泡水5 d、15 d、25 d试件进行25 MPa围压下的三轴蠕变试验，蠕变试验曲线如图2.15—图2.18所示。

由图可见，泡水5 d、15 d时随着加载应力水平的提高，轴向与侧向蠕变均只出现衰减蠕变、稳定蠕变两阶段。泡水25 d，当加载水平达到100 MPa时，轴向与侧向在经历衰减蠕变与稳定蠕变后，很快出现加速蠕变，最终导致岩石破坏。不同泡水时间的四级荷载下试样应力值及蠕变特性指标列于表2.5。