岩体载荷蠕变试验方法研究

　　1 引 言

　　因试件尺寸效应及试验边界条件与工程岩体工作状态的差异，室内流变试验结果[1～8]难以有效反映工程岩体流变特性。随着稳压、测量设备的改进，一批国内重大水电站工程相继实施了岩体三轴压缩蠕变、结构面剪切蠕变、岩体载荷蠕变等原位岩体蠕变试验，研究工程岩体流变性质[9～15]。

　　岩体载荷蠕变试验较易实施、对岩体扰动小、可结合工程上普遍采用的常规承压板法岩体变形试验进行，是研究工程岩体流变性质的有效手段。但试验方法尚不完善，观已有试验成果[12～15]，存在加载方式不合理、蠕变公式错误、蠕变模型与试验曲线拟合度低等问题。针对以上问题，本文探讨了岩体载荷蠕变试验的蠕变模型及加载方式，推导了承压板载荷条件下的五参量广义 Kelvin 蠕变公式，并列举试验实例加以验证。

　　2 试验原理

　　岩体载荷蠕变试验原理可一般地表述为：通过承压板(刚性或柔性)施加恒定荷载于半无限岩体表面，测量板下岩体表面和/或深部蠕变，依据蠕变模型计算试验条件下的岩体蠕变，以蠕变计算值与试验值间差异最小为目标，反演蠕变模型并优化模型参数。

　　蠕变计算可采用数值法和解析法。只要计算模型足够精细，数值法可适用黏弹塑性体、非均质体。解析法是基于布辛涅斯克弹性问题解答，应用相应性原理求岩体蠕变，仅适用线性黏弹性体。因解析法逻辑清晰、运用简便，且一般工程问题可接受岩体为线性黏弹性的假定，故工程应用较为普遍。

　　3 蠕变模型

　　从以下方面分析蠕变模型选择：

　　(1) 线性黏弹性假定是应用相应性原理的前提条件，故经验模型不适用、且只可用线性黏弹性理论模型。顺便指出，不同于单轴压缩或直剪等简单应力状态下的蠕变试验，承压板载荷条件下的岩体蠕变经验公式没有意义——仅适用承压板载荷的特定条件，无法用于工程岩体变形计算。

　　(2) 对于工程岩体，进入稳定蠕变阶段即意味工程结构破坏，实际工程荷载总是小于蠕变门槛值，且承压板加载面积较大(一般不小于 2 000 cm2)，恒载设备难以达到使岩体进入稳定蠕变或加速蠕变所需出力水平。故基于工程意义和试验可行性两方面因素，一般情况下，试验荷载的设定，将使岩体蠕变呈衰减蠕变形态。

　　(3) 岩体在恒载下的变形一般具有瞬时弹性变形、蠕变，卸载有瞬时回弹、弹性后效、残余变形等特征。在此强调，不同于室内岩样，现场岩体包含节理、裂隙，即使恒载下的蠕变已稳定，卸载后仍有明显残余变形，有时残余变形甚至大于蠕变。除残余变形外，以上诸因素均可指向广义 Kelvin模型。实际岩体载荷蠕变试验中也较多采用了广义 Kelvin 模型。但为说明广义 Kelvin 模型的适用性而说“残余变形呈现趋于 0 的趋势”是不符合实际的;模型加入塑性元件也有问题，因为恒载蠕变速率趋于 0。