CN104655825A - 一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩体流变检测方法。本发明提出了一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法，首先，检测坝基“硬、脆、碎”岩体的蚀变特征，得出岩体流变影响量；其次，对坝基系统布置长观孔，利用钻孔声波及全景图像结合蚀变特征及卸荷试验测试坝基“硬、脆、碎”岩体的开挖松弛效应；然后，选择坝基“硬、脆、碎”岩体的代表性岩石，对其进行流变试验，并对试验前后的岩体进行矿物学特征采集；最后，根据坝基“硬、脆、碎”岩体的岩体流变影响量及开挖松弛效应及代表性岩石实验前后的岩体进行矿物学特征计算得出坝基“硬、脆、碎”岩体应力——应变与时间的关系曲线，从而确定坝基“硬、脆、碎”岩体的流变特性。适用于水利水电工程坝基研究。

Description

一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法

技术领域

本发明涉及岩体检测方法，特别涉及一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法。

背景技术

我国西部地区涌现出一大批已建、在建和筹建的高拱坝，这些高拱坝工程规模巨大，均要求建基于坚硬较完整岩体上，在高拱坝的设计过程中，拱坝建基岩体的选择至关重要，高拱坝坝基应利用坚硬较完整岩体，但坝基往往存在一些地质缺陷，如不连续软弱结构面、软弱夹层、蚀变岩带和层间挤压错动带等软弱岩带以及“硬、脆、碎”岩体等。“硬、脆、碎”岩体系指岩质坚硬、性脆、隐微裂隙发育的岩体，加载受力后易发生瞬时弹性变形，卸载释压后隐微裂隙易显现。该类岩体一般岩石单轴饱和抗压强度大于60MPa，且岩体内隐微裂隙发育，如基性岩浆岩、沉积岩中的白云岩等。坝基岩体在开挖卸荷、坝体荷载及高渗透水压的长期作用下将呈现出与时间有关的的变形特性，主要表现为松弛、蠕变、弹性后效、时效强度和流变损伤断裂等，对高拱坝的施工安全及长期运行稳定产生不利影响，需要加深勘察设计论证，并采取针对性基础处理措施。当认识不到位、处理不当时，施工、运行期工程可能出现事故或留下安全隐患。

法国马尔帕赛拱坝，坝高66.5m，右岸上部发育平行坝基的断层，大坝于1959年12月2日突然溃决，造成400余人死亡；我国安徽省梅山连拱坝，坝高88m，1962年11月6日右岸坝基突然大量渗漏水，坝体出现几十条裂缝，大坝处于危险状态，被迫放空水库进行加固；陈村重力拱坝，坝高76.3m，1977～1979年低水位运行时，发现大坝下游面105m高程处水平向大裂缝明显扩展，拱冠部位裂缝扩展1.39mm，河床10个坝段的缝深超过5m，坝体出现严重缺陷；佛子岭连拱坝，坝高75.9m，1993年11月下旬河床13个垛墙顶向下游的位移量都超过了历史最大值，被迫控制水位运行。这些拱坝出现较大变形与破坏，在很大程度上是与坝基岩体软弱岩带等在荷载长期作用下产生流变变形密切相关。

流变性质是指材料的应力—应变关系与时间因素有关的性质，材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。岩体的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。已有的流变试验结果表明，岩体的流变性质与岩体的物质组成、结构构造及其所处的地应力等地质条件密切相关。

岩石材料流变力学特性的试验研究对象目前仍以岩石为主，较少数工程进行节理岩体流变试验。成果主要集中在对软岩流变力学特性的试验研究上，主要针对岩体抗变形性进行了不同加载条件下的单、三轴压缩蠕变试验，但针对坚硬、性脆、隐微裂隙发育的“硬、脆、碎”岩体的流变性质的检测方法仍处于空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法，以达到对坝基“硬、脆、碎”岩体存在的流变现象进行有效的检测。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变应力阈值的检测方法，包括以下几个步骤：

步骤1、检测坝基“硬、脆、碎”岩体的蚀变特征，得出岩体流变影响量；

步骤2、对坝基系统布置长观孔，利用钻孔声波及全景图像结合蚀变特征及卸荷试验测试坝基“硬、脆、碎”岩体的开挖松弛效应；

步骤3、选择坝基“硬、脆、碎”岩体的代表性岩石，对其进行流变试验，并对试验后的岩石进行变形模量采集；

步骤4、根据坝基“硬、脆、碎”岩体的岩体流变影响量、开挖松弛效应及变形模量计算得出坝基“硬、脆、碎”岩体应力——应变与时间的关系曲线，从而确定坝基“硬、脆、碎”岩体的流变应力阈值。

具体的，岩体流变影响量至少包括变形模量的影响量、抗剪强度的影响量及纵波波速的影响量。

具体的，所述步骤2中，岩体的开挖松弛效应至少包括岩体的变形松弛特征及时空效应。

具体的，所述步骤3中，所述流变试验至少包括现场压缩蠕变试验、现场变形试验、现场直剪试验及声波测试。

具体的，所述岩体变形模量至少包括长期变形模量、瞬间变形模量、弹性模量、长期剪切流变强度及瞬时抗剪强度。

本发明的有益效果是，通过对“硬、脆、碎”岩体的蚀变特征、变形模量及开挖松弛效应等进行研究，从而计算获得“硬、脆、碎”岩体的流变特性，从而填补了现有技术中只有针对软岩体流变特性的检测方法的空白，对岩体的特性有了进一步的研究，揭示出坝基“硬、脆、碎”岩体的流变特征与破坏规律，进而方便更好的研究坝基岩体工程地质特性及其相应的处理方式。

说明书附图

图1为本发明实施例中X衍射分析图谱；

图2为本发明实施例中为含裂隙试件和较完整试件围压为10MPa分级加轴压的体积应变～时间关系曲线；

图3为本发明实施例中为含裂隙试件和较完整试件围压为10MPa分级加轴压的体积应变～时间关系曲线；

图4为本发明实施例中典型的蠕变曲线；

图5为本发明实施例中E_o219-2(⊥)辉绿岩表面压缩蠕变分级变形～时间曲线；

图6为本发明实施例中E_o219-3(⊥)辉绿岩表面压缩蠕变分级变形～时间曲线；

图7为本发明实施例中E_o219-1(⊥)“硬、脆、碎”辉绿岩原位变形试验压力～变形关系曲线；

图8为本发明实施例中E_o219-3(⊥)“硬、脆、碎”辉绿岩原位变形试验压力～变形关系曲线；

图9为本发明实施例中Ⅲ₂类辉绿岩剪切流变强度计算值与瞬时抗剪强度试验值对比曲线；

图10为本发明实施例中含B1结构面岩体剪切流变强度计算值与瞬时抗剪强度试验值对比曲线；

图11为本发明实施例中围压15MPa、分级加卸轴压的流变曲线；

图12为本发明实施例中典型的三轴流变压缩条件下应力-应变曲线中的体积应变变化规律。

具体实施方式

下面结合附图及实施例具体描述本发明：

本发明针对现有技术中岩石材料流变力学特性的试验研究对象目前仍以岩石为主，较少数工程进行节理岩体流变试验，成果主要集中在对软岩流变力学特性的试验研究上，主要针对岩体抗变形性进行了不同加载条件下的单、三轴压缩蠕变试验，但针对坚硬、性脆、隐微裂隙发育的“硬、脆、碎”岩体的流变性质的检测方法仍处于空白的问题，提供一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变应力阈值的检测方法，首先，检测坝基“硬、脆、碎”岩体的蚀变特征，得出岩体流变影响量；其次，对坝基系统布置长观孔，利用钻孔声波、全景图像结合蚀变特征及卸荷试验测试坝基“硬、脆、碎”岩体的开挖松弛效应；然后，选择坝基“硬、脆、碎”岩体的代表性岩石，对其进行流变试验，并对试验后的岩石进行变形模量采集；最后，根据坝基“硬、脆、碎”岩体的岩体流变影响量、开挖松弛效应及变形模量计算得出坝基“硬、脆、碎”岩体应力——应变与时间的关系曲线，从而确定坝基“硬、脆、碎”岩体的流变应力阈值。通过对“硬、脆、碎”岩体的蚀变特征、变形模量及开挖松弛效应等进行研究，从而计算获得“硬、脆、碎”岩体的流变特性，从而填补了现有技术中只有针对软岩体流变特性的检测方法的空白，对岩体的特性有了进一步的研究，揭示岩体流变地质机理，进而方便更好的研究坝基岩体工程地质特性及其相应的处理方式。

实施例

“硬、脆、碎”岩体系指岩质坚硬、性脆、隐微裂隙发育的岩体，加载受力后易发生瞬时弹性变形，卸载释压后隐微裂隙易显现。该类岩体一般岩石单轴饱和抗压强度大于60MPa，且岩体内隐微裂隙发育，如基性岩浆岩、沉积岩中的白云岩等。坝基岩体在开挖卸荷、坝体荷载及高渗透水压的长期作用下将呈现出与时间有关的的变形特性，主要表现为松弛、蠕变、弹性后效、时效强度和流变损伤断裂等，对高拱坝的施工安全及长期运行稳定产生不利影响，需要加深勘察设计论证，并采取针对性基础处理措施。当认识不到位、处理不当时，施工、运行期工程可能出现事故或留下安全隐患。因此，对“硬、脆、碎”岩体进行有效的流变试验，找出其流变特性，至关重要。

本例中，以大岗山坝基中辉绿岩脉为例，详细描述本发明。

首先，对辉绿岩蚀变特征进行研究，具体包括：

(1)岩石磨片试验研究

辉绿岩脉是建基岩体中岩脉的主体，矿物粒度0.2mm～0.8mm，呈细粒。主要矿物为中—斜长石(更长石)和普通辉石，此外还有少量的黑云母和石英。镜下观察发现，坝基辉绿岩脉常见两种结构：一种是典型的(或狭义的)辉绿结构，即辉石呈他形粒状，充填于自形～半自形板柱状的斜长石(更长石)搭成的格架之中；另一种为广义的辉绿结构，包括嵌晶结构和间粒结构两种，表明辉绿岩脉中矿物颗粒大小的不均匀性，嵌晶结构中辉石矿物粒径较大，而间粒结构中斜长石(更长石)和辉石的颗粒均较小。

斜长石(更长石)含量在50％～60％之间，半自形柱状或长柱状，无序排列，且多数斜长石(更长石)都已发生了不同程度的碎裂。

辉石为普通辉石，含量多在35％～45％之间，他形粒状充填于斜长石(更长石)格架的间隙中，且常常是满额充填，间隙的形态决定了辉石的形态，同时，还有部分斜长石(更长石)嵌入辉石中，形成嵌晶结构。

针对现场流变试验的辉绿岩岩脉，开展了磨片鉴定，镜下观察发现，岩石遭受了不同程度的蚀变，辉石已被大量蚀变成黏土矿物——绿泥石，在具有不同结构特征的脉岩内部，其辉石的绿泥石化蚀变程度差异较大，往往具有间粒结构的细粒辉石更易于发生蚀变，多数几乎都转化为绿泥石，而具有狭义辉绿结构和嵌晶结构的脉岩中的辉石蚀变程度相对较轻。

(2)岩石X衍射分析

分别将三轴流变试验JXZ-4、XWY-1、CJZ-2、JZ-4和JXZ-5辉绿岩试样磨细后运用DMAX-3C衍射仪进行X衍射分析，X衍射分析图谱和定量评价见图1和表1。从矿物全分析可以看出，辉绿岩试样都发生了不同程度的蚀变，蚀变产生了大量的黏土矿物，主要为绿泥石和伊利石。蚀变程度最弱的为CJZ-2试样，蚀变绿泥石含量达到21％，伊利石含量达到4％，蚀变黏土矿物的比例达到25％。蚀变最强烈的是JXZ-5试样，蚀变绿泥石含量达到52％，而伊利石也含量达到15％，蚀变黏土矿物比例达到67％，可以看出JXZ-5样品蚀变较为强烈，产生了大量的黏土矿物。辉绿岩主要由斜长石(更长石)和普通辉石组成，而蚀变的辉绿岩中主要矿物辉石及黑云母被大量蚀变为绿泥石；斜长石(更长石)部分已经在气液交代蚀变作用下而钾长石化，后期在地下水活动及其风化蚀变作用下钾长石进一步蚀变成伊利石。伊利石为富钾的硅酸盐云母类黏土矿物，主要由钾长石风化蚀变而成。

表1X衍射分析定量评价

(3)薄片鉴定裂纹分析

流变条件下岩石的细观损伤主要表现在以下三个方面：在低应力水平时，除介质挤压密实、原始裂纹的压闭等局部结构调整外，随时间增长几乎没有任何新的细观损伤产生；较高水平的持续应力作用下，岩石的结构随时间不断变化，不仅表现在蠕变变形过程中大量细观裂纹的产生和扩展，而且可以逐渐形成细观主裂纹并继续扩展；如果应力水平过高，这些细观主裂纹会在很短的时间内迅速发展为贯通性裂面，而使试样发生蠕变断裂。一般细观分布裂纹的产生主要在蠕变变形稳定发展过程中。当细观主裂纹出现以后，观察到主裂纹尖端随时间逐步前移，细观组构的时效变化以主裂纹的时效扩展为主体，并有其他部位的组构调整。细观主裂纹稳定的过程正是岩石蠕变变形稳态增长的阶段，而细观主裂纹发生失稳扩展亦对应于岩石的蠕变断裂失稳。因此岩石损伤的重要形式—主裂纹的产生于时效扩展是脆性岩石的宏观流变特性的内在机理，也就是说，岩石的流变变形是由岩石的流变损伤所造成的。岩石和岩体的各种时效损伤试验结果表明，岩体的流变损伤演化与其中各类细观裂纹的产生以及细、宏观的时效扩展存在着极其密切的联系。岩样的宏观强度主要取决于岩体材料内部矿物颗粒镶嵌组合的牢固程度及矿物之间的胶结程度。岩体破裂极易发生在结晶程度较差的矿物颗粒部位或胶结程度较差的两种矿物接触部位。因此，在恒定应力流变作用下，岩体的破坏表现更多的是岩样内部矿物颗粒与材料薄弱部位的摩擦滑移和裂纹扩展。

通过辉绿岩镜下的显微薄片可以看出早期隐微构造裂隙以轻微的半定向构造裂隙为主。镜下观察裂隙规模较小，但是较规则，延伸稳定，常切割相邻矿物呈平行分布，且被热液矿物充填，常见有细小的绿泥石细脉。后期的风化隐微裂隙相对较发育，镜下观察风化裂隙以不规则微裂隙为主，分布没有明显规律，且具有张性裂隙性质。常沿矿物结合面、解理、双晶结合面等发育，在均质性的矿物中则呈定向分布。因此，风化裂隙的主要特征表现为规模小，分布不稳定，常呈不规则分岔、树枝状或网状等特征，且在不同风化带和不同矿物中发育的程度也不同

(4)扫描电镜形貌分析

通过对岩样流变破坏断口的电镜扫描观察可知，辉绿岩是一种典型的非均质材料，岩石在漫长的地质历史过程中已经受到初始损伤，存在着不同尺度的裂隙、孔洞、节理以及位错等微缺陷。并且成分组成也不是均一材料，某些部位结晶程度较好，某些部位呈层理状，显示出明显的各向异性，还有些部位呈鳞片状。这些初始缺陷意味着岩石在恒载作用下，晶粒及解理间容易产生滑移，特别是不同成分的介质接触面上更容易滑移破裂。蚀变改造，一方面使辉绿岩产生了大量的节理及隐微裂隙，形成裂隙—隐微裂隙化岩体，岩体质量下降；另一方面蚀变产生了大量的绿泥石和伊利石黏土矿物。这两方面弱化了辉绿岩的岩体性状，不仅对“硬，脆，碎”辉绿岩体通过构造蚀变产生大量节理裂隙构造面及隐微裂隙，而且在矿物学上蚀变产生了黏土矿物，使岩体性状弱化，形成特殊意义上的“软弱岩体”。

其中，为了对比研究蚀变岩石矿物成分对岩石流变性质的影响，选取JZ-4、JXZ-4和JXZ-5试样在流变工况下的流变损伤效应与试样的矿物学分析进行如下对比，见表2。可见随着黏土矿物所占比例的增大，试样流变强度与常规试验强度的比值变小，流变损失的比例加大，说明蚀变所产生的大量的黏土矿物降低了辉绿岩的流变强度。由此可见，蚀变产生的黏土矿物增大了岩石的流变性能，蚀变产生的黏土矿物越多，岩石的流变性能越强。蚀变越强，岩石的流变越大。

从微观、细观到宏观的角度研究，坝基辉绿岩脉的变形和破坏不仅受自身的性状和所处环境影响，而且是内部原始细微观缺陷(微裂隙)、宏观缺陷(裂隙或结构面)的演化、发展和贯通的结果裂隙岩体的流变主要受裂隙及隐微裂隙性状(空间位置、宽度、贯通程度、有无充填物及充填物的属性)的影响、制约和控制，呈现比较明显的各向异性性态。当压应力方向与裂隙平行时，岩体的压缩蠕变变形较小，蠕变变形模量较高；当压应力方向与裂隙垂直时，岩体的压缩蠕变变形较大，蠕变变形模量较低。由于裂隙扩展受流变效应的积累作用，使得岩石承载结构产生弱化，在长时间的流变作用下，岩样的微缺陷有充足的时间进行发展、损伤，使得流变作用下的抗剪强度低于常规试验。并且加卸载流变过程中，损伤也是不断积累，使得岩石的变形模量逐步降低。图2、图3为含裂隙试件和较完整试件围压分别为10MPa和15MPa分级加轴压的体积应变～时间关系曲线。可以看出，含裂隙岩体不但强度相对于较完整岩体强度要低，而且进入体积扩容的应力水平也要低很多。

表2JZ-4、JXZ-4和JXZ-5试样分析对比

综上所述，辉绿岩遭受了多期次的蚀变作用，蚀变产生了绿泥石、伊利石等黏土矿物。花岗岩蚀变绿泥石黏土矿物的比例为5％～6％；辉绿岩蚀变黏土矿物达25％～70％，其中蚀变绿泥石含量达到21％～53％，蚀变伊利石含量为4％～17％。上述蚀变明显弱化了岩石的物理力学性质，降低了岩体的变形模量、抗剪强度和纵波波速等。其变形模量的影响量、抗剪强度的影响量及纵波波速的影响量可经多次试验计算得出。

步骤2、对坝基系统布置长观孔，利用钻孔声波、全景图像结合蚀变特征及卸荷试验测试坝基“硬、脆、碎”岩体的开挖松弛效应；坝基岩体开挖检测一般包括声波测试、全景图像测试等，通过分析岩体质量与测试成果在空间、时间上的关系，即空间效应及时间效应，找出坝基岩体开挖卸荷松弛特征。

(1)岩体声波测试成果的统计分析表明，各类岩体在各观测周期波速衰减规律性较好。在各观测周期，随着孔深的增加，波速衰减率由孔口向孔底方向逐渐减小，波速衰减较大的主要集中在0.0m～5.0m，5.0m以下波速衰减逐步减小；第1个月孔口波速衰减率一般为孔底的2.0～6.0倍，孔口与孔底的波速衰减率差2.3％～7.7％，12个月后，孔口与孔底的波速衰减率差达到10.0％以上，有随着岩体质量降低衰减率加大的趋势。随着孔深的增加，各类岩体波速平均月衰减率总体表现为下降趋势，但有一定起伏，沿深度方向波速平均月衰减率下降，波速衰减影响深度一般集中在0.0m～5.0m，部分岩类波速衰减影响深度较大。统计分析表明，各工程坝基开挖松弛均具有明显的空间效应。

(2)波速与钻孔全景图像长期检测表明：

①坝基岩体开挖松弛具有明显的空间效应，由强到弱的顺序依次为Ⅲ₂类辉绿岩、Ⅲ₁类辉绿岩、Ⅱ类花岗岩、Ⅲ₁类花岗岩、Ⅲ₂类花岗岩；辉绿岩由于隐微裂隙较发育，开挖松弛后其裂隙数量比和开度比均较大。

②坝基岩体开挖松弛的时间效应表现为随时间的延续，平均波速降低，自爆破前至一年的长观末期检测表明：0.0m～2.0m段的波速总衰减率为38.14％～55.59％；2.0m～5.0m段的波速总衰减率为18.41％～43.23％。一年左右的长观期间波速衰减未趋于收敛，松弛的时间效应明显。Ⅱ类、Ⅲ₁类花岗岩及Ⅲ₂类辉绿岩具有较强的时间效应，一年后强松弛带深度2m～5m，其中Ⅲ₂类辉绿岩可达10m；弱松弛带深度可达10m～15m。Ⅲ₂类花岗岩、Ⅲ₁类辉绿岩具有一定的时间效应，一年后强松弛带深度约2m，弱松弛带深度可达5m。辉绿岩的时间效应总体强于花岗岩。岩体原位开挖松弛变形监测表明，在“硬、脆、碎”辉绿岩近两个月的开挖过程中，岩体产生了明显的松弛位移，即变形的空间效应，松弛位移量达4.210mm；开挖结束后，大约经过7个月时间，岩体仍继续产生一定程度的松弛变形，松弛位移量为0.386mm，尤其前4个月，位移量达0.373mm，变形的时间效应明显。大岗山坝区花岗岩和辉绿岩虽然都属于坚硬岩，但在长期的构造历史演化中不仅产生了大量的宏观断裂和隐微裂隙，还蚀变产生了大量的绿泥石等软弱的黏土矿物，使其开挖卸荷过程中不仅具有松弛的空间效应，还具有明显的时间效应。最后，根据空间效应及时间效应，找出坝基岩体开挖卸荷松弛特征。

坝基岩体松弛时间效应特征主要表现为：

(1)坝基岩体松弛时间效应表现为平均波速降低，长观初期至长观末期这段时间内Ⅲ₁类辉绿岩一般降低200m/s～400m/s；Ⅲ₂类辉绿岩15m以上孔段一般降低400m/s～500m/s，15m以下孔段降低约400m/s。

(2)自爆破前至12个月的长观末期坝基岩体波速总衰减率在0.0m～5.0m较大，0.0m～2.0m段的波速总衰减率为38.14％～55.59％，2.0m～5.0m段的波速总衰减率为18.41％～43.23％，5.0m～20.0m段岩体波速总衰减率介于3.66％～37.77％。具体如表3所示。

(3)辉绿岩大部分孔段在一年左右的长观期间波速衰减未趋于收敛或波速衰减趋于收敛的时间较长，松弛的时间效应较强。Ⅲ₂类辉绿岩大部分孔段波速衰减未收敛，部分孔段波速衰减趋于收敛但趋于收敛的时间较长，岩体松弛时间效应较强；Ⅲ₁类辉绿岩小部分孔段波速衰减未收敛，大部分孔段波速衰减趋于收敛且趋于收敛的时间较短，岩体松弛时间效应稍强。

(4)各工程坝基开挖松弛均具有不同程度的时间效应，其中大岗山工程时间效应最突出，且辉绿岩时间效应又强于花岗岩。

表3坝基岩体松弛带深度随时间的变化情况表

注：表中“*”表示不存在该松弛带，表中字体加粗实线和字体加粗虚线分别表示强松弛带和弱松弛带深度随时间已发生变化，未划线的表示深度未发生变化；“/”表示无测试数据。

(5)根据全景图像测试成果，综合裂隙开度比和裂隙数量比随时间变化规律分析见表4，Ⅲ₁类辉绿岩全景图像具有较强的时间效应。

表4岗山坝基岩体不同观测周期的全景图像测试成果统计表

注：1.表中“/”表示无该观测时间的测试数据；2.裂隙开度比和数量比分别指相同孔段长观末期与长观初期的裂隙开度和裂隙数量之比。

步骤3、选择代表性岩体进行岩体流变力学试验。岩体的流变特性对岩体工程稳定性有重要意义。岩石蠕变试验表明，当岩体在某一较小的恒定荷载持续作用下，其变形量虽然随时间增长有所增加，但蠕变变形的速率则随时间增长而减少，最后变形趋于一个稳定的极限值，这种蠕变称为稳定蠕变。当荷载较大时，蠕变不能稳定于某一极限值，而是无限增长直到破坏，这种蠕变称为不稳定蠕变。

图4是典型的蠕变曲线，其流变过程一般划分为以下几个阶段：(1)瞬时应变阶段：该阶段是指岩体初始受力，在岩体的弹性范围内，在荷载作用于岩体的瞬间产生的弹性变形。(2)初始蠕变阶段：在这个阶段中，岩体的应变速率随时间增加而减小(即蠕变速率是收敛的)，故又称为减速蠕变阶段或初始蠕变阶段。(3)稳定蠕变阶段：在这个阶段中，单位时间的蠕变变形是恒定的，即应变速率保持不变，故又称为等速蠕变阶段。(4)破坏蠕变阶段：在这个阶段中，单位时间的蠕变变形突然增大，即应变速率始终是增大的，直至岩体破坏，故又称为加速蠕变阶段。

岩石蠕变因实验条件的不同又可分为剪切流变和压缩蠕变。坝基辉绿岩脉具有“硬、脆、碎”的特点，现场压缩蠕变试验、剪切流变试验、开挖松弛监测和物探长期监测资料表明，辉绿岩岩体具有流变特性，变形随时间的增加有增大的趋势，总变形随载荷的增大而增加，历经减速蠕变、等速蠕变阶段，同时具有瞬时变形、卸载瞬时回弹变形、残余变形等特点，残余变形占总变形的17.50％～20.83％；卸荷松弛明显，观测期9个月后尚未完全收敛，且向坝基深部扩展。坝基软弱岩带具有流变特性，现场压缩蠕变试验和剪切流变试验成果表明，蠕变变形随时间的增加有增大的趋势，总变形随载荷的增大而增加，历经减速蠕变、等速蠕变阶段，随荷载的逐级增加，岩体产生较大的不可恢复的残余变形，其变形量占的比例较大，其变形量占总变形量的87.66％。辉绿岩致密坚硬，主要成份为斜长石(更长石)和辉石，两者含量相当。岩石具辉绿结构，块状构造。一般来说，辉绿岩属于矿物成分强度高、颗粒均匀、组织致密、孔隙少的岩石，其强度较大、弹性模量较高，应为工程性状较好的岩体。但辉绿岩性质硬脆，岩体内发育闭合隐微裂隙，当围压释放时，隐微裂隙显现，岩石易碎裂，往往是工程岩体中的薄弱部分。辉绿岩岩体质量分类及其物理力学参数见表5、表6，从表中数据可以看出，随着岩体质量的下降，辉绿岩的变形模量和抗剪(断)强度都呈下降的趋势，块裂结构Ⅳ类岩体岩石的饱和抗压强度仅为块状结构Ⅱ类岩体岩石的1/4左右，纵波波速随着岩体质量的下降也呈现下降的趋势。泊松比的变大说明随着岩体质量的变差，岩体横向变形程度逐渐增大。

“硬、脆、碎”岩体压缩蠕变试验研究对象为β₁₃₃微新辉绿岩脉，β₁₃₃辉绿岩脉产状N75°～80°W/NE∠68°～80°，厚1.2m～1.5m，裂隙式接触，镶嵌结构，为Ⅲ₂类岩体。

通过对PD219-2平洞镶嵌结构Ⅲ₂类辉绿岩脉(β₁₃₃)两点现场压缩蠕变试验(1m直径承压板中心孔法)和对应的现场常规变形试验(0.5m直径承压板)，其岩体压缩蠕变试验条件如表7所示。

表7岩体压缩蠕变试验成果

辉绿岩表面压缩蠕变分级变形～时间曲线，E₀219-2(⊥)如图5所示，E₀219-3(⊥)如图6所示。辉绿岩原位常规变形试验成果如表8所示。

表8辉绿岩原位常规变形试验成果

综上所述，(1)岩体在初始阶段荷载较低时变形模量略高，其余随荷载的升高，变形模量逐渐趋于稳定。(2)荷载对岩体的影响范围约为3倍承压板直径(承压板直径为1m)，绝大部分变形发生在试点表面以下1～2倍承压板直径范围内。(3)“硬、脆、碎”岩体具有明显的瞬时变形，且随荷载的增加而增大；具有明显的蠕变变形，蠕变变形随时间的增加有增大的趋势，总变形随荷载的增大而增加。E₀219-2(⊥)试点蠕变变形/总变形为17.50％；E₀219-3(⊥)试点除1MPa时，蠕变变形占总变形比例较大外，其它载荷下，蠕变变形/总变形为20.83％。(4)岩体结构状态、荷载施加方向与裂隙发育方向的关系、岩体卸荷松弛是影响岩体变形试验成果值高低的主要原因。根据压缩蠕变试验所取得的成果，选取加入压缩蠕变变形量计算的变形模量作为有限时长(5～13天)的蠕变试验变形模量，与常规变形试验相对应的变形模量作为瞬时变形模量，进行蠕变试验变形模量与瞬时变形模量比较，“硬、脆、碎”辉绿岩E_creep/E₀平均值为86.25％，蠕变试验变形模量的损失率平均为13.75％。由于试验成果的蠕变变形模量t为有限时长，数值计算的长期变形模量更能客观地反映岩体的压缩蠕变性质。比较表明：1)E₀219-2(⊥)E_∞/E₀为77.56％～93.26％，平均值为85.79％，长期变形模量的损失率平均为14.21％；2)E₀219-3(⊥)E_∞/E₀为64.70％～93.96％，平均值为84.47％，长期变形模量的损失率平均为15.53％；3)“硬、脆、碎”辉绿岩E_∞/E₀平均值为85.13％，长期变形模量的损失率平均为14.87％。因此，选取数值计算的比较成果，E_∞/E₀为85.13％，长期变形模量的损失率为14.87％(表9)。

表9长期变形模量的损失率比较

“硬、脆、碎”辉绿岩原位变形试验压力～变形关系曲线E0219-1(⊥)如图7所示，E₀219-4(⊥)如图8所示。根据等时应力～应变曲线法，曲线的拐点较为明显，在确定辉绿岩的长期承载力时减少了人为判断拐点的随意性，E₀219-2(⊥)、E₀219-3(⊥)的压缩蠕变长期承载力δ_∞见表10，“硬、脆、碎”岩体压缩蠕变长期承载力与瞬时承载力比值为70.80％。

表10E₀219-2(⊥)、E₀219-3(⊥)的压缩蠕变长期承载力

本例中“硬、脆、碎”岩体剪切流变试验研究对象为β₁微新辉绿岩脉，β₁辉绿岩脉位于PD218-1、PD218-2、PD218-4平洞，产状为N15°W/SW∠50°～60°，厚2m～9m，在PD218-1、PD218-2平洞厚度较大，主要发育3组裂隙，呈镶嵌结构，为Ⅲ₂类岩体。岩脉上界面裂隙式接触，下界面断层接触，沿下界面发育f₂断层。通过对镶嵌结构的Ⅲ₂类辉绿岩脉(β₁)开展现场剪切流变试验和对应的现场常规直剪试验。其成果见表11、表12、图9及图10。

表11辉绿岩剪切流变强度试验值与瞬时抗剪强度试验值比较

注：流变试验抗剪强度的摩擦系数为f_creep，黏聚力为c_creep。

表12辉绿岩剪切流变强度计算值与瞬时抗剪强度试验值比较

分析表明，“硬、脆、碎”Ⅲ₂类辉绿岩和B₁类结构面剪切流变具有以下特征：

(1)岩体具有瞬时变形，且与正应力和剪应力的水平密切相关，正应力水平越高，岩体瞬时剪切量越大，在正应力恒定的情况下，瞬时变形量随剪应力的增大而增加，且当剪应力增加至某一临界值时，岩体流变到达稳态流变阶段，低于此临界值岩体能保持长期稳定，高于此临界值岩体将从稳态流变阶段过渡到非稳定流变阶段直至最后发生破坏，此临界值即为岩体的长期剪切流变强度。

(2)流变速率分析：当正应力恒定，剪应力较小时，岩体减速流变阶段历时较短，应变速率很快就能达到恒定值；当剪应力较大时，岩体到达稳态流变速率的历时较长。可见，剪应力越大，岩体衰减流变阶段的应变速率衰减的就越慢，岩体应变速率趋于稳态的时间就越长；正应力水平越高，衰减流变阶段的应变速率下降越快，岩体应变速率趋于稳态的时间越短。

(3)加速流变特征分析：辉绿岩试件处于较低应力水平时，其流变特性并不显著，主要表现为衰减流变与稳态流变，而在高应力水平时，辉绿岩除了呈现衰减流变和稳态流变外，还表现出加速流变特性。

(4)分析衰减流变阶段和稳态流变阶段的应变速率与时间关系曲线可知，剪应力越大，衰减流变阶段的应变速率衰减越慢，应变速率趋于稳态的时间越长；正应力水平越高，衰减流变阶段的应变速率下降越快，应变速率趋于稳态的时间越短。

(5)当流变进入加速阶段之后，流变应变率由渐变增长转为突变增长，跳跃幅度不断增大。这个阶段试件内部的细小裂隙不断扩展，出现失稳趋势，一段时间后，裂隙失稳扩展急剧发展，不断释放能量导致应变率发生突变，试件破坏。

(6)比较剪切流变试验与直剪试验成果，剪切流变强度试验值有所降低，Ⅲ₂类辉绿岩摩擦系数f′_creep/f′为75.63％，黏聚力c′_creep/c′为53.76％；含B1结构面岩体摩擦系数f′_creep/f′为94.29％，黏聚力c′_creep/c′为60.00％。比较剪切流变强度计算值与直剪试验成果，剪切流变强度亦有所降低，其中，Ⅲ₂类辉绿岩摩擦系数f′_∞/f′为57.14％，黏聚力c′_∞/c′为55.91％；含B1结构面岩体摩擦系数f′_∞/f′为71.43％，黏聚力c′_∞/c′为66.67％。可见，Ⅲ₂类辉绿岩的衰减较含B1结构面岩体更明显，黏聚力的衰减较摩擦系数更突出。

由于剪切流变试验的抗剪强度中t为有限时长，因此计算的长期抗剪强度值更能够客观地反映剪切流变强度性质。因此，选取剪切流变计算值与瞬时剪切试验值的比较，长期抗剪强度与瞬时抗剪强度比值及损失率见表12辉绿岩剪切流变强度计算值与瞬时抗剪强度试验值比较。

(7)根据等时应力～应变曲线法确定辉绿岩的长期剪切流变强度，长期剪切流变强度/破坏强度为0.793～0.948。本例中根据镶嵌结构的“硬、脆、碎”Ⅲ₂类辉绿岩脉(β₁)取样开展的室内三轴流变试验，其成果见表13、表14、图11及图12。

1)围压恒定分级加轴压的三轴流变试验表明：①恒定围压下，岩体蠕变变形随偏应力的增大而增加；②辉绿岩在低应力水平下，基本不产生蠕变，只有当应力水平达到一定量值时才有蠕变发生，说明存在蠕变门槛值，其中较完整岩块进入加速流变的应力阀值约为100MPa，裂隙试件进入加速流变的应力阀值约为60MPa；③辉绿岩脆性十分明显，流变过程中会由于局部破裂而导致不连续变形，特别是在低围压下极易发生；④在破裂应力水平下，岩体的横向变形速率明显高于轴向，这是形成岩石扩容的主要原因；⑤含裂隙试件横向变形从加载初期就表现出了等速蠕变，主要是由于岩样本身就存在明显的纵向倾斜裂隙所致，在较小的轴向应力下就可以导致纵向裂隙张开，导致横向变形变大。

2)围压恒定分级加卸轴压的三轴流变试验表明：辉绿岩的蠕变过程中包含有不可恢复的变形，卸载后残余应变随应力水平的增加逐步增大，这反映了岩石加卸载流变过程中裂隙不断扩展、损伤逐步累加的过程。当达到特定应力水平时，残余应变量明显增大，这个转折点可作为评价岩石长期强度的参考点。

3)通过等时应力-应变曲线法、非稳定蠕变判别法、流变体积应变法和加卸载流变的残余应变法分别确定出辉绿岩的流变长期强度，其中较完整岩块的流变长期强度基本一致；而含裂隙岩块的结果相差较大。流变体积应变法综合考虑了轴向变形和横向变形的影响，因此采用流变体积应变法能更好反映岩体的流变强度特性，较完整岩块的流变长期强度与破坏强度的比值为0.69～0.79，含裂隙岩块的流变长期强度与破坏强度的比值为0.33～0.77。

表13围压15MPa、分级加卸轴压的蠕变应变增量

表14各种方法确定的三轴流变长期强度

(4)通过对流变破坏的轴压、围压关系统计，求得辉绿岩岩石的长期粘聚力c_∞为21.67MPa，长期内摩擦角φ_∞为48.06°；常规试验求得的粘聚力c为30.93MPa，内摩擦角为49°。c_∞与c的比值为70.06％，φ_∞与φ的比值为98.08％，岩样的粘聚力长期指标相对于瞬时指标降低了29.94％，摩擦角的长期指标相对于瞬时指标降低了1.92％。

综上所述，开展大尺寸原位流变力学试验，包括现场压缩蠕变试验(1m直径承压板中心孔法)和对应的现场变形试验(0.5m直径承压板)及配套声波测试。通过现场压缩蠕变试验获得压力—变形—深度—时间关系曲线，获得瞬时变形、蠕变变形、总变形、卸载瞬时回弹变形、残余变形等变形参数，进而获得长期变形模量；通过现场变形试验得到压力～变形关系曲线，最终采用等时应力～应变曲线法获得瞬时变形模量、弹性模量等力学参数。试验成果表明：Ⅲ₂类辉绿岩岩体的长期变形模量损失率为14.87％；压缩蠕变长期承载力损失率为29.20％。开展现场剪切流变试验和对应的现场直剪试验及配套声波测试，通过现场剪切流变试验获得剪应力～剪切位移～时间等相互关系曲线，进而获得长期剪切流变强度。通过现场直剪试验获得剪应力～剪切位移关系曲线，进而获得岩体瞬时抗剪(断)强度。试验成果表明：长期剪切流变强度有所降低，Ⅲ₂类辉绿岩岩体摩擦系数流变损失率为42.86％，黏聚力流变损失率为44.09％。

步骤4，流变性质是指材料的应力—应变关系与时间因素有关的性质，材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。岩体的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。蠕变是当应力不变时，变形随时间增加而增长的现象。松弛是当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象。弹性后效是加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。由于“硬、脆、碎”岩体的岩体流变特性受蚀变特征开挖松弛效应等影响。所以，只要根据坝基“硬、脆、碎”岩体的岩体流变影响量、变形模量及开挖松弛效应计算得出坝基“硬、脆、碎”岩体应力——应变与时间的关系曲线，从而确定坝基“硬、脆、碎”岩体的流变特性。其中，应力水平对岩体流变的影响主要表现在应力阀值，包括流变应力阀值和加速流变应力阀值两方面：

1)流变应力阀值

以恒定围压20MPa、分级加轴压流变试验结果为例可以看出，岩体进入流变阶段和加速流变阶段分别存在一个应力阀值。在偏应力较低时，没有流变，当偏应力大于100MPa时，开始有流变现象，说明辉绿岩的流变存在一个门槛值，约为100MPa。当应力值达到或超过这个应力值时，岩体进入流变阶段。而应力偏低，岩体则没有流变现象。

2)加速流变应力阀值

岩体流变整体规律是：在恒定围压下，岩体蠕变变形随着轴向偏应力的增大而增大。岩体进入加速蠕变阶段存在一个应力阀值，约为140MPa，达到或超过这个应力阀值，岩体进入加速蠕变阶段直至达到破坏。在破坏阶段，横向变形的变化更加明显，更能体现岩体的加速蠕变破坏和扩容的产生。

不同岩类进入加速蠕变的应力阀值不同，对于岩体质量差的岩体，较小的应力即可进入到加速流变阶段，使岩体进入加速流变的应力阀值降低。岩体质量越差，其应力阀值越小。

Claims (6)

1.一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1、检测坝基“硬、脆、碎”岩体的蚀变特征，得出岩体流变影响量；

步骤2、对坝基系统布置长观孔，利用钻孔声波及全景图像结合蚀变特征及卸荷试验测试坝基“硬、脆、碎”岩体的开挖松弛效应；

步骤3、选择坝基“硬、脆、碎”岩体的代表性岩石，对其进行流变试验，并对试验前后的岩体进行矿物学特征采集；

步骤4、根据坝基“硬、脆、碎”岩体的岩体流变影响量及开挖松弛效应及代表性岩石实验前后的岩体进行矿物学特征计算得出坝基“硬、脆、碎”岩体应力——应变与时间的关系曲线，从而确定坝基“硬、脆、碎”岩体的流变特性。

2.根据权利要求1所述的一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法，其特征在于，所述步骤1中，检测坝基“硬、脆、碎”岩体的蚀变特征，至少包括检测建造特征、构造改造特征及浅表生改造特征。

3.根据权利要求2所述的一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法，其特征在于，岩体流变影响量至少包括变形模量的影响量、抗剪强度的影响量及纵波波速的影响量。

4.根据权利要求1所述的一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法，其特征在于，所述步骤2中，岩体的开挖松弛效应至少包括岩体的变形松弛特征、坝基卸荷松弛时空效应、岩体开挖过程中的卸荷松弛特征及开挖后的卸荷松弛特征。

5.根据权利要求1所述的一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法，其特征在于，所述步骤3中，所述流变试验至少包括现场压缩蠕变试验、现场变形试验、现场直剪试验及声波测试。

6.根据权利要求5所述的一种坝基“硬、脆、碎”岩体流变特性的检测方法，其特征在于，所述岩体变形模量至少包括长期变形模量、瞬间变形模量、弹性模量、长期剪切流变强度及瞬时抗剪强度。