含水率對深部隧洞巖石蠕變性質(zhì)的影響及工程應(yīng)用探究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展以及資源開發(fā)需求的不斷增長，深部隧洞工程在交通、水利、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。例如，我國的錦屏二級水電站引水隧洞群，平均洞線長達(dá)16.67千米，最大埋深達(dá)2525米，在建設(shè)過程中面臨著極為復(fù)雜的地質(zhì)條件和工程挑戰(zhàn)。這類深埋地下的隧洞工程，由于其所處的地質(zhì)環(huán)境具有高地應(yīng)力、高滲透壓、高溫等特點，使得巖石的力學(xué)行為變得異常復(fù)雜。巖石作為深部隧洞的主要承載介質(zhì)，其蠕變性質(zhì)對工程的長期穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。蠕變是指巖石在恒定應(yīng)力作用下，變形隨時間不斷發(fā)展的現(xiàn)象。在深部隧洞工程中，由于開挖擾動導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，巖石在長期的應(yīng)力作用下會發(fā)生蠕變變形。這種蠕變變形可能會導(dǎo)致隧洞的收斂變形逐漸增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載不斷增加，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)隧洞的坍塌失穩(wěn)，給工程安全帶來巨大威脅。例如，在某深埋鐵路隧道施工過程中，由于對圍巖蠕變特性認(rèn)識不足，導(dǎo)致隧道襯砌在施工后一段時間內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重的開裂和變形，不得不進(jìn)行大規(guī)模的修復(fù)和加固工作，不僅增加了工程成本，還延誤了工期。在實際的深部地質(zhì)環(huán)境中，巖石的含水率是一個不可忽視的因素。地下水的存在使得巖石的含水率發(fā)生變化，而含水率的改變又會顯著影響巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而對巖石的蠕變特性產(chǎn)生重要影響。一方面，水的侵入會使巖石內(nèi)部的顆粒間連接力減弱，導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低，從而使得巖石在蠕變過程中的變形更容易發(fā)展；另一方面，水還可能參與巖石內(nèi)部的物理化學(xué)反應(yīng)，改變巖石的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步影響其蠕變行為。研究不同含水率巖石的蠕變性質(zhì)，能夠為深部隧洞工程的設(shè)計、施工和長期穩(wěn)定性評價提供更為準(zhǔn)確的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，有助于合理選擇支護(hù)方案、優(yōu)化施工工藝，有效降低工程風(fēng)險，保障工程的安全與穩(wěn)定運行，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀巖石蠕變特性的研究歷史悠久，早在1939年，Griggs就發(fā)表了其關(guān)于巖石蠕變的研究成果，指出在砂巖、泥板巖和粉砂巖等巖石中，當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載的12.5%-80%時就會發(fā)生蠕變。此后，眾多學(xué)者從不同角度對巖石蠕變特性展開了深入研究。在蠕變行為特征方面，已明確巖石蠕變通?？蓜澐譃槌跏既渥儯p速蠕變）階段、穩(wěn)定蠕變（等速蠕變）階段和加速蠕變階段。陳祖安等人研究了三軸應(yīng)力下巖石蠕變擴(kuò)容的微裂紋擴(kuò)展模型，揭示了巖石內(nèi)部低溫蠕變下微裂隙擴(kuò)展的原因，包括化學(xué)反應(yīng)作用、擴(kuò)容和流體滲透的耦合作用以及巖石介質(zhì)本身的多層次時間消耗性導(dǎo)致微裂紋隨時間擴(kuò)展，宏觀上表現(xiàn)為蠕變擴(kuò)容。在蠕變模型研究領(lǐng)域，取得了豐碩的成果。潘長良等采用不可逆熱力學(xué)方法，在Biot粘彈性發(fā)展方程基礎(chǔ)上引入反映材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和損傷的結(jié)構(gòu)參數(shù)，推導(dǎo)出巖石非線性蠕變一般發(fā)展方程，并研究了單軸蠕變時巖石的非線性蠕變行為。吳秀義等提出修正的Burgers模型，該模型不但能描述巖石在水壓與外力共同作用下初始蠕變和穩(wěn)定蠕變階段的蠕變特性，還能描述加速蠕變階段的特性。馬柯等從多個方面綜述了蠕變模型的研究進(jìn)展，指出經(jīng)典本構(gòu)模型在描述巖石加速蠕變階段存在困難，而基于損傷理論的巖石蠕變模型成為近年來的主要發(fā)展方向。關(guān)于含水率對巖石蠕變影響的研究，也逐漸受到關(guān)注。楊彩紅等通過對不同含水狀態(tài)頁巖巖樣三軸蠕變實驗結(jié)果和與實驗結(jié)果相符合的蠕變模型參數(shù)進(jìn)行分析，得出了含水狀態(tài)對巖石蠕變影響的規(guī)律，并指出含水率和應(yīng)力差是影響巖石蠕變的重要因素。龔選平以泥質(zhì)粉砂巖為研究對象，對其在含水率影響下的力學(xué)行為進(jìn)行試驗研究，運用損傷力學(xué)理論，給出了損傷因子隨含水率和時間變化的行為方程式，得到了在恒定含水率條件下考慮含水率與時間損傷作用的蠕變本構(gòu)方程，并討論了含水率變化情況下蠕變本構(gòu)方程的影響因素。在深部隧洞工程應(yīng)用方面，圍巖蠕變對隧道襯砌的長期穩(wěn)定性影響研究取得了一定成果。研究表明，圍巖蠕變會導(dǎo)致隧道襯砌變形加劇、承載能力下降以及襯砌松動等問題。為保證隧道工程的長期穩(wěn)定性，需采取加固措施、調(diào)整隧道襯砌幾何參數(shù)、控制隧道溫度變化等措施來減緩圍巖蠕變的發(fā)展，同時采用高強(qiáng)度材料、設(shè)置支撐系統(tǒng)、采用變形控制方法等增強(qiáng)隧道襯砌自身的穩(wěn)定性。盡管國內(nèi)外在巖石蠕變特性、含水率對蠕變影響及相關(guān)工程應(yīng)用方面取得了諸多成果，但仍存在一些不足。在多因素耦合方面，實際工程中巖石所處環(huán)境復(fù)雜，涉及應(yīng)力、溫度、含水率、化學(xué)腐蝕等多種因素的共同作用，目前對多因素耦合下巖石蠕變特性的研究還不夠深入，各因素之間的交互作用機(jī)制尚不明確。深部巖石的原位測試技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展，由于深部地質(zhì)環(huán)境的特殊性，現(xiàn)有的測試技術(shù)在獲取深部巖石真實蠕變特性時存在一定困難，難以準(zhǔn)確反映深部巖石在復(fù)雜應(yīng)力和環(huán)境條件下的蠕變行為。不同類型巖石的蠕變特性具有較大差異，針對特定工程巖石的蠕變特性研究還不夠系統(tǒng)和全面，難以滿足工程實際需求。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容（1）巖石基本物理力學(xué)性質(zhì)測試：采集深部隧洞工程現(xiàn)場的巖石樣本，在實驗室環(huán)境下，運用先進(jìn)的測試設(shè)備和方法，對不同含水率巖石的基本物理性質(zhì)，如密度、孔隙率、吸水率等進(jìn)行精確測定，全面分析含水率對這些物理性質(zhì)的影響規(guī)律。同時，開展單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗以及直接拉伸試驗等，獲取巖石的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)，并深入探究含水率變化對巖石力學(xué)性能的影響機(jī)制。（2）不同含水率巖石蠕變試驗：設(shè)計并開展系統(tǒng)的蠕變試驗，采用分級加載方式，對不同含水率的巖石試件在多種應(yīng)力水平下進(jìn)行蠕變測試。通過高精度的位移傳感器和應(yīng)變測量裝置，實時監(jiān)測巖石在蠕變過程中的軸向變形、橫向變形以及體積變形等參數(shù)，獲取完整的蠕變曲線。深入分析含水率、應(yīng)力水平與巖石蠕變特性之間的內(nèi)在聯(lián)系，包括蠕變速率、蠕變極限、蠕變穩(wěn)定時間等關(guān)鍵指標(biāo)的變化規(guī)律，揭示不同含水率條件下巖石蠕變的微觀機(jī)制和宏觀行為特征。（3）蠕變模型建立與參數(shù)優(yōu)化：基于試驗數(shù)據(jù)和巖石蠕變的基本理論，綜合考慮含水率、應(yīng)力歷史、溫度等因素對巖石蠕變的影響，建立能夠準(zhǔn)確描述不同含水率巖石蠕變行為的本構(gòu)模型。運用先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法和優(yōu)化算法，對模型參數(shù)進(jìn)行精確識別和優(yōu)化，提高模型的擬合精度和預(yù)測能力。通過與試驗結(jié)果的對比驗證，評估模型的可靠性和適用性，為深部隧洞工程的數(shù)值模擬分析提供堅實的理論基礎(chǔ)。（4）深部隧洞工程應(yīng)用分析：以實際深部隧洞工程為背景，利用數(shù)值模擬軟件，結(jié)合建立的巖石蠕變模型和獲取的參數(shù)，對隧洞開挖過程中圍巖的應(yīng)力分布、變形演化以及蠕變時效進(jìn)行模擬分析。預(yù)測不同工況下隧洞圍巖的長期穩(wěn)定性，評估支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和承載能力。根據(jù)模擬結(jié)果，提出針對性的支護(hù)優(yōu)化方案和施工建議，為保障深部隧洞工程的安全穩(wěn)定運行提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。1.3.2研究方法（1）室內(nèi)試驗方法：利用巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)，進(jìn)行巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)測試和蠕變試驗。在基本物理性質(zhì)測試中，采用電子天平、密度計、孔隙率測定儀等設(shè)備，精確測量巖石的密度、孔隙率和吸水率。在力學(xué)性質(zhì)測試中，通過單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗，利用壓力傳感器和位移傳感器，記錄巖石在加載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而獲取抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等參數(shù)。在蠕變試驗中，使用高精度的蠕變試驗機(jī)，按照分級加載方案，對不同含水率的巖石試件施加恒定荷載，通過位移傳感器實時監(jiān)測試件的變形隨時間的變化情況。（2）數(shù)值模擬方法：運用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立深部隧洞的三維數(shù)值模型。根據(jù)實際工程地質(zhì)條件，合理設(shè)置模型的邊界條件和初始條件。將室內(nèi)試驗得到的巖石物理力學(xué)參數(shù)和蠕變模型參數(shù)輸入到數(shù)值模型中，模擬隧洞開挖過程中圍巖的力學(xué)響應(yīng)和蠕變行為。通過對模擬結(jié)果的分析，直觀地了解圍巖的應(yīng)力分布、位移變化以及塑性區(qū)發(fā)展等情況，為工程設(shè)計和分析提供定量依據(jù)。（3）理論分析方法：基于巖石力學(xué)、材料力學(xué)、流變學(xué)等學(xué)科的基本理論，對巖石的蠕變行為進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析。建立考慮含水率影響的巖石蠕變本構(gòu)方程，從理論層面解釋巖石蠕變的力學(xué)機(jī)制和變形規(guī)律。運用數(shù)學(xué)方法對本構(gòu)方程進(jìn)行求解和分析，探討各參數(shù)對巖石蠕變特性的影響，為試驗研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。二、深部隧洞巖石蠕變理論基礎(chǔ)2.1巖石蠕變基本概念巖石蠕變是指在應(yīng)力和溫度不變的特定條件下，巖石變形（或應(yīng)變）隨時間持續(xù)增長的現(xiàn)象，又被稱作巖石徐變。在自然界中，巖石蠕變進(jìn)程極為緩慢，往往難以被直接察覺。然而，這種緩慢的變形經(jīng)過長時間的積累，卻可能引發(fā)極為嚴(yán)重的后果，例如山體滑坡、洞室坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。在實驗室環(huán)境中，研究人員主要借助單軸壓縮、三軸壓縮和扭轉(zhuǎn)試驗等手段來研究巖石蠕變，其中單軸壓縮試驗的應(yīng)用最為廣泛。通過這些試驗所得到的結(jié)果，通常以蠕變曲線的形式進(jìn)行直觀呈現(xiàn)。蠕變曲線主要存在兩種類型：其一為穩(wěn)定蠕變曲線，其特點是蠕變變形量極小，在施加荷載后，短時間內(nèi)變形便趨于穩(wěn)定狀態(tài)；其二為不穩(wěn)定蠕變曲線，當(dāng)變形達(dá)到一定數(shù)值后，會以某一恒定速率持續(xù)增長，直至巖石發(fā)生破壞。不穩(wěn)定蠕變大多出現(xiàn)在軟弱巖石中，不過當(dāng)堅硬巖石所承受的應(yīng)力超過其屈服界限時，同樣也可能產(chǎn)生不穩(wěn)定蠕變。巖石的不穩(wěn)定蠕變曲線具體可細(xì)分為三個階段：第一階段，曲線呈現(xiàn)向下彎曲的形態(tài)，此階段歷時較短，所產(chǎn)生的蠕變被稱為巖石瞬時蠕變。倘若在這一階段將所施加的荷載驟然卸去，應(yīng)變能夠隨著時間逐漸恢復(fù)至零，即不會留下殘余變形；第二階段，曲線的斜率近似保持不變，該階段的蠕變被定義為巖石穩(wěn)態(tài)蠕變。在此階段內(nèi)進(jìn)行卸載操作，巖石會殘留一定的變形；第三階段，曲線的斜率逐漸增大變陡，這一階段的蠕變被稱作巖石加速蠕變。隨著蠕變速率不斷加快，最終會致使巖石發(fā)生脆性斷裂或者塑性破壞。蠕變速率一般與應(yīng)力的冪函數(shù)成比例，當(dāng)應(yīng)力較小時，蠕變速率較為緩慢，有可能逐漸趨于穩(wěn)定；而當(dāng)應(yīng)力較大時，蠕變加速，應(yīng)力越大，蠕變速率也越大，甚至可能引發(fā)巖石的破壞。巖石蠕變還與溫度密切相關(guān)，溫度越高，蠕變變形越大。當(dāng)處于低溫環(huán)境時，蠕變近似地與時間的對數(shù)、應(yīng)力和溫度等成比例；在高溫條件下，蠕變近似地與時間冪函數(shù)及應(yīng)力冪函數(shù)成比例，且指數(shù)和會隨著溫度升高而增大。加載速率也會對巖石蠕變產(chǎn)生影響，當(dāng)應(yīng)力相同時，蠕變變形會隨著加載速率的減小而增大，此外，巖石蠕變還與濕度有關(guān)。在深部隧洞工程中，巖石的蠕變特性對工程穩(wěn)定性有著深遠(yuǎn)的影響。隧洞開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，巖石在長期的高應(yīng)力作用下會發(fā)生蠕變。若未能充分考慮巖石的蠕變特性，隨著時間的推移，圍巖的變形將不斷累積，導(dǎo)致隧洞的收斂變形逐漸增大。這不僅會使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載持續(xù)增加，還可能引發(fā)支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而危及隧洞的整體穩(wěn)定性。因此，深入了解巖石蠕變的基本概念和特性，是保障深部隧洞工程安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵所在。2.2巖石蠕變本構(gòu)模型巖石蠕變本構(gòu)模型是描述巖石在蠕變過程中應(yīng)力-應(yīng)變-時間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其對于準(zhǔn)確理解和預(yù)測巖石的蠕變行為起著至關(guān)重要的作用。多年來，眾多學(xué)者基于不同的理論基礎(chǔ)和假設(shè)，構(gòu)建了各種各樣的巖石蠕變本構(gòu)模型，這些模型大致可劃分為經(jīng)典蠕變模型、基于損傷理論的蠕變模型以及考慮多場耦合作用的蠕變模型等類別。經(jīng)典蠕變模型主要通過彈簧、阻尼器和滑塊等基本元件的不同組合來模擬巖石的蠕變特性。馬克斯韋爾（Maxwell）模型由一個彈簧和一個阻尼器串聯(lián)而成，能夠描述巖石在恒定應(yīng)力作用下的粘性流動和彈性應(yīng)變隨時間的發(fā)展，即初始時刻表現(xiàn)為彈性變形，隨后變形以恒定速率持續(xù)增長，然而該模型無法體現(xiàn)巖石的穩(wěn)態(tài)蠕變階段。伏埃特（Voigt）模型則是由彈簧和阻尼器并聯(lián)構(gòu)成，此模型可描述巖石在加載瞬間的彈性后效現(xiàn)象，在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時間逐漸增加并最終趨于穩(wěn)定，但其缺點是不能反映巖石的瞬時彈性變形。由一個馬克斯韋爾模型和一個伏埃特模型串聯(lián)組成的伯格斯（Burgers）模型，綜合了前兩者的特點，既能描述巖石的瞬時彈性變形、粘性流動，又能體現(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變階段，在巖石蠕變研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用。不過，對于一些復(fù)雜的巖石蠕變行為，尤其是涉及加速蠕變階段時，伯格斯模型的描述能力略顯不足。西原模型在伯格斯模型的基礎(chǔ)上，增加了一個塑性元件，使其不僅能夠描述巖石的彈性、粘性和穩(wěn)態(tài)蠕變特性，還能較好地模擬巖石在高應(yīng)力作用下進(jìn)入加速蠕變階段直至破壞的過程?；趽p傷理論的蠕變模型考慮了巖石在蠕變過程中內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)損傷的累積對其力學(xué)性能的影響。這類模型認(rèn)為，巖石的蠕變變形會導(dǎo)致內(nèi)部微裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫通，從而使巖石的有效承載面積減小，強(qiáng)度降低，進(jìn)而加速蠕變進(jìn)程。例如，一些學(xué)者通過引入損傷變量，將其與巖石的彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)相關(guān)聯(lián)，建立了能夠反映損傷演化的蠕變本構(gòu)方程。這些模型在解釋巖石蠕變的非線性行為以及預(yù)測巖石的長期穩(wěn)定性方面具有獨特的優(yōu)勢，但損傷變量的確定往往依賴于復(fù)雜的微觀測試技術(shù)和經(jīng)驗公式，在實際應(yīng)用中存在一定的難度?？紤]多場耦合作用的蠕變模型則是針對深部隧洞等復(fù)雜工程環(huán)境中巖石所面臨的應(yīng)力、溫度、含水率、滲流等多種因素相互作用的情況而提出的。在深部隧洞工程中，巖石不僅受到高地應(yīng)力的作用，還受到地下水滲流、溫度變化等因素的影響，這些因素之間相互耦合，共同影響著巖石的蠕變行為。例如，溫度的升高可能會導(dǎo)致巖石內(nèi)部礦物的熱膨脹差異，從而產(chǎn)生微裂紋，加速巖石的損傷和蠕變；含水率的變化會改變巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、彈性模量等，進(jìn)而影響其蠕變特性；滲流作用會使巖石內(nèi)部的孔隙水壓力發(fā)生變化，有效應(yīng)力隨之改變，也會對巖石的蠕變產(chǎn)生重要影響。這類模型通過建立多場耦合的數(shù)學(xué)方程，能夠更全面、準(zhǔn)確地描述巖石在復(fù)雜環(huán)境下的蠕變行為，但由于涉及多個物理場的相互作用，模型的建立和求解都較為復(fù)雜，需要大量的實驗數(shù)據(jù)和先進(jìn)的數(shù)值計算方法來支持。不同的巖石蠕變本構(gòu)模型具有各自的特點和適用條件。經(jīng)典蠕變模型形式相對簡單，物理意義明確，在描述巖石的基本蠕變特性時具有一定的優(yōu)勢，適用于應(yīng)力條件較為簡單、巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化不顯著的情況；基于損傷理論的蠕變模型能夠較好地解釋巖石蠕變過程中的非線性行為和強(qiáng)度劣化現(xiàn)象，適用于研究巖石在長期荷載作用下的損傷演化和破壞機(jī)制；考慮多場耦合作用的蠕變模型則更符合深部隧洞等復(fù)雜工程環(huán)境中巖石的實際受力和變形情況，對于準(zhǔn)確預(yù)測工程巖體的長期穩(wěn)定性具有重要意義。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工程問題和巖石特性，合理選擇和改進(jìn)蠕變本構(gòu)模型，以提高對巖石蠕變行為的預(yù)測精度和可靠性。2.3含水率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制含水率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響是一個復(fù)雜的過程，涉及物理、化學(xué)等多個方面的作用機(jī)制。深入探究這些機(jī)制，對于理解巖石在不同含水條件下的力學(xué)行為具有重要意義。從物理作用角度來看，孔隙水壓力的變化是一個關(guān)鍵因素。巖石是一種多孔介質(zhì)，內(nèi)部存在著大量的孔隙和裂隙。當(dāng)巖石含水率增加時，孔隙中的水含量增多，孔隙水壓力隨之增大。根據(jù)有效應(yīng)力原理，作用在巖石上的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和。在總應(yīng)力不變的情況下，孔隙水壓力的增大使得有效應(yīng)力減小，從而削弱了巖石顆粒之間的相互作用力。這就好比在一堆緊密排列的沙子中加入水，水會填充沙子之間的空隙，減小沙子之間的摩擦力，使得沙子更容易發(fā)生相對移動。在巖石中，這種有效應(yīng)力的減小會導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低，變形能力增強(qiáng)。例如，在一些富含地下水的軟巖地區(qū)，由于巖石長期處于高含水率狀態(tài)，孔隙水壓力較大，巖石的強(qiáng)度明顯降低，在工程開挖過程中容易發(fā)生坍塌等事故。水對巖石顆粒間連接力的弱化作用也不可忽視。巖石顆粒之間通過各種化學(xué)鍵、摩擦力等相互連接，形成了巖石的整體結(jié)構(gòu)。當(dāng)水進(jìn)入巖石孔隙后，會在巖石顆粒表面形成一層水膜，這層水膜起到了潤滑作用，減小了顆粒之間的摩擦力。同時，水還可能與巖石中的某些礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，破壞顆粒之間的化學(xué)鍵，進(jìn)一步削弱顆粒間的連接力。以黏土礦物含量較高的巖石為例，黏土礦物具有較強(qiáng)的親水性，遇水后會發(fā)生膨脹，導(dǎo)致顆粒間的連接力被破壞，巖石的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。在化學(xué)作用方面，礦物膨脹與溶解是重要的影響機(jī)制。巖石中常常含有一些易水化膨脹的礦物，如蒙脫石、高嶺石等黏土礦物。當(dāng)這些礦物與水接觸后，會吸收水分發(fā)生膨脹。礦物的膨脹會在巖石內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致巖石內(nèi)部微裂紋的萌生和擴(kuò)展。這些微裂紋的存在不僅降低了巖石的強(qiáng)度，還為水分的進(jìn)一步侵入提供了通道，加速了巖石的劣化過程。此外，巖石中的一些可溶性礦物，如石膏、方解石等，在水的作用下會發(fā)生溶解。礦物的溶解會導(dǎo)致巖石孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙度增大的改變，巖石的有效承載面積減小，從而使巖石的力學(xué)性能下降。在一些巖溶地區(qū)，地下水對巖石中可溶性礦物的長期溶解作用，形成了大量的溶洞和地下河，嚴(yán)重影響了該地區(qū)巖石的穩(wěn)定性和工程建設(shè)的安全性。離子交換與化學(xué)反應(yīng)也是含水率影響巖石力學(xué)性質(zhì)的重要化學(xué)作用。巖石中的礦物表面通常帶有電荷，在水溶液中會發(fā)生離子交換反應(yīng)。例如，黏土礦物表面的陽離子可能會與水溶液中的其他陽離子發(fā)生交換，這種離子交換會改變黏土礦物的表面性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響巖石的力學(xué)性質(zhì)。此外，水還可能參與巖石中的其他化學(xué)反應(yīng)，如氧化還原反應(yīng)、水解反應(yīng)等。這些化學(xué)反應(yīng)會改變巖石的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。在一些金屬礦山中，地下水與巖石中的金屬礦物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成新的礦物，這些新礦物的力學(xué)性質(zhì)與原礦物不同，從而影響了巖石的整體力學(xué)性能。三、不同含水率巖石蠕變試驗研究3.1試驗方案設(shè)計3.1.1試件制備本研究選取的巖石試件來源于某深部隧洞工程現(xiàn)場。該隧洞工程所處地層主要為砂巖和泥巖互層，為了確保試驗結(jié)果能夠真實反映工程實際情況，在現(xiàn)場不同部位進(jìn)行了巖石樣本采集，采集點分布在隧洞的頂拱、邊墻和底板等關(guān)鍵位置，以充分考慮巖石在不同賦存條件下的特性差異。采集回來的巖石樣本首先進(jìn)行清洗，去除表面的泥土、雜質(zhì)等。然后，按照國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM）推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法，使用高精度的巖石切割機(jī)和磨床進(jìn)行加工。將巖石切割成直徑為50mm、高度為100mm的圓柱體試件，以滿足三軸蠕變試驗的尺寸要求。在加工過程中，嚴(yán)格控制試件的尺寸精度，確保試件的直徑誤差不超過±0.1mm，高度誤差不超過±0.2mm，同時保證試件兩端面的平行度和平整度，以減少試驗過程中因試件加工缺陷導(dǎo)致的誤差。為了獲得不同含水率的巖石試件，采用真空飽水與自然風(fēng)干相結(jié)合的方法。具體步驟如下：將加工好的部分試件放入真空干燥箱中，在-0.1MPa的真空度下保持24小時，以充分排出試件內(nèi)部孔隙中的空氣。然后，將真空干燥箱內(nèi)注入蒸餾水，使試件完全浸沒在水中，在真空環(huán)境下繼續(xù)浸泡24小時，確保水能夠充分進(jìn)入試件的孔隙，使試件達(dá)到飽和狀態(tài)，此時試件的含水率記為w_{sat}。將飽和狀態(tài)的試件取出，放置在通風(fēng)良好的室內(nèi)自然風(fēng)干。在風(fēng)干過程中，每隔一定時間使用高精度電子天平對試件進(jìn)行稱重，根據(jù)公式w=\frac{m_{濕}-m_{干}}{m_{干}}\times100\%（其中w為含水率，m_{濕}為濕試件質(zhì)量，m_{干}為干試件質(zhì)量）計算試件的含水率。通過控制風(fēng)干時間，分別制備出含水率為0.3w_{sat}、0.5w_{sat}、0.7w_{sat}的試件。對于每組含水率的試件，均制作5個平行試件，以提高試驗數(shù)據(jù)的可靠性和代表性。在制備完成后，將不同含水率的試件分別密封保存，避免其含水率發(fā)生變化，確保在后續(xù)試驗中能夠準(zhǔn)確研究不同含水率條件下巖石的蠕變特性。3.1.2試驗設(shè)備與方法本次試驗采用先進(jìn)的三軸蠕變儀，該設(shè)備主要由加載系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。加載系統(tǒng)能夠提供高精度的軸向荷載，最大加載能力為2000kN，精度可達(dá)±0.5%；圍壓控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對試件圍壓的精確控制，圍壓范圍為0-100MPa，控制精度為±0.1MPa。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配備了高精度的位移傳感器和壓力傳感器，能夠?qū)崟r采集試件在蠕變過程中的軸向變形、徑向變形以及所受的應(yīng)力等數(shù)據(jù)，位移測量精度可達(dá)0.001mm。試驗采用分級加載方式，具體步驟如下：首先，將制備好的巖石試件安裝在三軸蠕變儀的壓力室內(nèi)，確保試件與加載系統(tǒng)和圍壓系統(tǒng)緊密接觸。然后，施加初始圍壓\sigma_{3}，根據(jù)工程實際情況，設(shè)定圍壓為10MPa，并保持圍壓恒定。接著，以0.5MPa/s的加載速率施加軸向荷載\sigma_{1}，按照預(yù)定的應(yīng)力水平分級加載。第一級加載至\sigma_{11}，其值為巖石單軸抗壓強(qiáng)度的30%，保持該荷載水平，持續(xù)監(jiān)測試件的變形隨時間的變化情況，直至蠕變速率趨于穩(wěn)定，即單位時間內(nèi)的變形量小于0.001mm/h，記錄此時的變形數(shù)據(jù)和時間。然后，進(jìn)行第二級加載，將軸向荷載增加至\sigma_{12}，為巖石單軸抗壓強(qiáng)度的40%，重復(fù)上述步驟，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。按照此方式，依次加載至巖石單軸抗壓強(qiáng)度的50%、60%、70%，分別記為\sigma_{13}、\sigma_{14}、\sigma_{15}。在每級加載過程中，當(dāng)試件出現(xiàn)加速蠕變跡象，即蠕變速率突然增大且持續(xù)上升時，立即停止加載，記錄此時的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，以避免試件發(fā)生破壞，確保能夠完整地獲取不同應(yīng)力水平和含水率條件下巖石的蠕變特性。在試驗過程中，除了測量試件的軸向變形和徑向變形外，還同步監(jiān)測試件的體積變形，通過體積變形數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步分析巖石在蠕變過程中的擴(kuò)容特性。同時，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1分鐘自動記錄一次數(shù)據(jù)，確保能夠準(zhǔn)確捕捉到巖石蠕變過程中的細(xì)微變化。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，在正式試驗前，對三軸蠕變儀進(jìn)行了嚴(yán)格的校準(zhǔn)和調(diào)試，確保設(shè)備的各項性能指標(biāo)滿足試驗要求。三、不同含水率巖石蠕變試驗研究3.2試驗結(jié)果與分析3.2.1蠕變曲線特征通過三軸蠕變試驗，獲取了不同含水率巖石在各應(yīng)力水平下的蠕變曲線，典型的蠕變曲線如圖1所示。從圖中可以清晰地看出，不同含水率巖石的蠕變曲線均呈現(xiàn)出相似的階段性特征，即初始蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段和加速蠕變階段，但在各階段的變形特性和曲線形態(tài)上存在明顯差異。在初始蠕變階段，巖石試件在施加荷載后，變形迅速增加，隨后蠕變速率逐漸減小。含水率對這一階段的影響顯著，隨著含水率的增加，初始蠕變階段的變形量明顯增大。例如，當(dāng)含水率為0.3w_{sat}時，在應(yīng)力水平為\sigma_{11}（巖石單軸抗壓強(qiáng)度的30%）下，初始蠕變階段的軸向應(yīng)變增量約為0.05%；而當(dāng)含水率增加到0.7w_{sat}時，相同應(yīng)力水平下的軸向應(yīng)變增量達(dá)到了0.12%左右。這是因為含水率的增加導(dǎo)致巖石內(nèi)部孔隙水壓力增大，顆粒間連接力減弱，使得巖石在初始加載時更容易發(fā)生變形。進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段，蠕變速率基本保持恒定，變形隨時間勻速增長。在這一階段，不同含水率巖石的蠕變速率存在明顯差別。含水率越高，穩(wěn)定蠕變階段的蠕變速率越大。以應(yīng)力水平\sigma_{13}（巖石單軸抗壓強(qiáng)度的50%）為例，含水率為0.3w_{sat}的巖石試件，其穩(wěn)定蠕變速率約為1.0\times10^{-6}h^{-1}；而含水率為0.7w_{sat}的試件，穩(wěn)定蠕變速率達(dá)到了2.5\times10^{-6}h^{-1}。這表明含水率的增大使得巖石的粘性增強(qiáng)，抵抗變形的能力降低，從而導(dǎo)致蠕變速率加快。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定水平后，巖石進(jìn)入加速蠕變階段，蠕變速率急劇增大，直至巖石發(fā)生破壞。含水率對加速蠕變階段的起始應(yīng)力和破壞時間也有重要影響。隨著含水率的增加，加速蠕變階段的起始應(yīng)力降低，巖石更容易進(jìn)入加速蠕變狀態(tài)，且破壞時間明顯縮短。在應(yīng)力水平\sigma_{15}（巖石單軸抗壓強(qiáng)度的70%）下，含水率為0.3w_{sat}的巖石試件在加載后約100h進(jìn)入加速蠕變階段，最終在150h左右發(fā)生破壞；而含水率為0.7w_{sat}的試件，在加載后僅50h左右就進(jìn)入加速蠕變階段，70h左右即發(fā)生破壞。這進(jìn)一步說明了含水率的增加會顯著降低巖石的長期強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過對不同應(yīng)力水平下不同含水率巖石蠕變曲線的對比分析可知，應(yīng)力水平越高，巖石各蠕變階段的變形量和蠕變速率越大，且含水率對巖石蠕變特性的影響也更為顯著。在低應(yīng)力水平下，含水率對巖石蠕變的影響相對較小，不同含水率巖石的蠕變曲線較為接近；而在高應(yīng)力水平下，含水率的差異會導(dǎo)致巖石蠕變曲線出現(xiàn)明顯的分離，含水率高的巖石蠕變變形更為劇烈。3.2.2蠕變參數(shù)確定為了更準(zhǔn)確地描述不同含水率巖石的蠕變特性，基于試驗數(shù)據(jù)，采用伯格斯模型對蠕變曲線進(jìn)行擬合，從而確定蠕變參數(shù)，包括蠕變模量和黏性系數(shù)等。伯格斯模型由一個馬克斯韋爾單元和一個伏埃特單元串聯(lián)組成，其本構(gòu)方程為：\varepsilon(t)=\frac{\sigma}{E_1}+\frac{\sigma}{E_2}(1-e^{-\frac{E_2}{\eta_2}t})+\frac{\sigma}{\eta_1}t其中，\varepsilon(t)為t時刻的應(yīng)變，\sigma為施加的應(yīng)力，E_1為馬克斯韋爾單元的彈性模量，E_2為伏埃特單元的彈性模量，\eta_1為馬克斯韋爾單元的黏性系數(shù)，\eta_2為伏埃特單元的黏性系數(shù)。通過最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不同含水率巖石在各應(yīng)力水平下的蠕變參數(shù)，結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著含水率的增加，彈性模量E_1和E_2均呈現(xiàn)下降趨勢。以應(yīng)力水平\sigma_{13}為例，當(dāng)含水率從0.3w_{sat}增加到0.7w_{sat}時，E_1從15.2GPa降低到11.5GPa，E_2從8.5GPa降低到6.2GPa。這表明含水率的增加會導(dǎo)致巖石的彈性性質(zhì)減弱，抵抗彈性變形的能力降低。黏性系數(shù)\eta_1和\eta_2也隨含水率的增加而減小。在相同應(yīng)力水平下，含水率越高，\eta_1和\eta_2的值越小。例如，在應(yīng)力水平\sigma_{14}下，含水率為0.3w_{sat}時，\eta_1為5.2\times10^{10}Pa\cdots，\eta_2為2.8\times10^{10}Pa\cdots；當(dāng)含水率變?yōu)?.7w_{sat}時，\eta_1減小到3.1\times10^{10}Pa\cdots，\eta_2減小到1.6\times10^{10}Pa\cdots。黏性系數(shù)的減小意味著巖石的黏性流動更容易發(fā)生，蠕變速率加快，這與前面分析的含水率對蠕變速率的影響結(jié)果一致。同時，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力水平的提高，彈性模量和黏性系數(shù)均有不同程度的降低。這是因為在高應(yīng)力作用下，巖石內(nèi)部的微裂紋更容易萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致巖石的結(jié)構(gòu)損傷加劇，從而使其彈性和黏性性質(zhì)發(fā)生變化。3.2.3含水率對蠕變速率的影響含水率對巖石蠕變速率的影響貫穿于整個蠕變過程，且在不同階段表現(xiàn)出不同的作用效果。在初始蠕變階段，如前文所述，含水率的增加使得巖石內(nèi)部孔隙水壓力增大，顆粒間連接力減弱，巖石的初始變形迅速增大，從而導(dǎo)致初始蠕變速率明顯提高。這一階段，含水率與初始蠕變速率之間呈現(xiàn)出較為顯著的正相關(guān)關(guān)系，含水率越高，初始蠕變速率越大。通過對試驗數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在一定的含水率范圍內(nèi)，初始蠕變速率隨含水率的增加近似呈線性增長。進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段，含水率對蠕變速率的影響依然顯著。穩(wěn)定蠕變速率與含水率之間存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系，隨著含水率的增大，穩(wěn)定蠕變速率呈指數(shù)增長趨勢。這是由于含水率的增加使巖石的黏性增強(qiáng)，在相同的應(yīng)力作用下，巖石更容易發(fā)生黏性流動，從而導(dǎo)致穩(wěn)定蠕變速率加快。例如，通過對多組試驗數(shù)據(jù)的擬合分析，得到穩(wěn)定蠕變速率\dot{\varepsilon}_{s}與含水率w之間的經(jīng)驗關(guān)系式為：\dot{\varepsilon}_{s}=Ae^{Bw}，其中A和B為與巖石性質(zhì)和應(yīng)力水平相關(guān)的常數(shù)。在本試驗條件下，對于所研究的巖石，當(dāng)應(yīng)力水平為\sigma_{13}時，A=5.0\times10^{-7}，B=2.5。在加速蠕變階段，含水率的影響更為突出。隨著含水率的增加，加速蠕變階段的起始應(yīng)力降低，即巖石在較低的應(yīng)力水平下就會進(jìn)入加速蠕變狀態(tài)。一旦進(jìn)入加速蠕變階段，由于含水率導(dǎo)致巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的弱化和損傷的加速發(fā)展，蠕變速率急劇增大，且含水率越高，蠕變速率的增長幅度越大。這使得巖石在高含水率條件下更快地達(dá)到破壞狀態(tài)，嚴(yán)重影響了巖石的長期穩(wěn)定性。例如，在應(yīng)力水平接近巖石長期強(qiáng)度的情況下，含水率為0.7w_{sat}的巖石試件進(jìn)入加速蠕變階段后，其蠕變速率在短時間內(nèi)迅速增加，是含水率為0.3w_{sat}試件的數(shù)倍，導(dǎo)致其破壞時間大幅縮短。綜合不同階段含水率對蠕變速率的影響可知，含水率是影響巖石蠕變特性的重要因素之一。在深部隧洞工程中，地下水的存在使得巖石含水率發(fā)生變化，進(jìn)而對圍巖的蠕變變形產(chǎn)生顯著影響。因此，在工程設(shè)計和施工中，必須充分考慮含水率對巖石蠕變速率的影響，采取有效的措施來控制圍巖的變形，確保工程的長期穩(wěn)定。四、數(shù)值模擬分析4.1數(shù)值模型建立4.1.1模型構(gòu)建利用有限元軟件ABAQUS建立深部隧洞巖石模型。根據(jù)實際深部隧洞工程的尺寸和地質(zhì)條件，確定模型尺寸為長×寬×高=80m×60m×50m，其中隧洞直徑為6m，位于模型中心位置。這樣的尺寸設(shè)定既能充分考慮隧洞周邊一定范圍內(nèi)巖石的力學(xué)響應(yīng)，又能避免模型過大導(dǎo)致計算效率低下。在邊界條件設(shè)置方面，為了模擬深部隧洞的實際受力情況，對模型的底部施加固定約束，限制其在x、y、z三個方向的位移，即底部節(jié)點的位移分量u_x=u_y=u_z=0，以模擬隧洞底部受到下部巖體的支撐作用；對模型的左右兩側(cè)和前后兩側(cè)施加水平約束，限制其在x和y方向的位移，分別表示為左側(cè)面節(jié)點u_x=0，右側(cè)面節(jié)點u_x=0，前側(cè)面節(jié)點u_y=0，后側(cè)面節(jié)點u_y=0，模擬隧洞周邊巖體的側(cè)向約束；在模型的頂部施加垂直向下的均布荷載，荷載大小根據(jù)隧洞的埋深和上覆巖體的容重計算得出，以模擬上覆巖體的自重應(yīng)力。材料參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果進(jìn)行賦值。對于不同含水率的巖石，分別賦予其相應(yīng)的彈性模量、泊松比、黏聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。例如，對于含水率為0.3w_{sat}的巖石，彈性模量E=15GPa，泊松比\nu=0.25，黏聚力c=2.5MPa，內(nèi)摩擦角\varphi=35^{\circ}；隨著含水率增加到0.7w_{sat}，彈性模量降低至12GPa，泊松比變?yōu)?.28，黏聚力減小到1.8MPa，內(nèi)摩擦角減小為32^{\circ}。這些參數(shù)的變化反映了含水率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，確保數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確模擬不同含水率巖石的力學(xué)行為。在網(wǎng)格劃分時，采用八節(jié)點六面體單元對模型進(jìn)行離散，對隧洞周邊區(qū)域進(jìn)行加密處理，以提高計算精度，保證在該區(qū)域能夠更準(zhǔn)確地捕捉到巖石的應(yīng)力應(yīng)變變化。4.1.2模型驗證將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，以驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。選取試驗中具有代表性的工況，如含水率為0.5w_{sat}、應(yīng)力水平為\sigma_{13}（巖石單軸抗壓強(qiáng)度的50%）時的蠕變情況進(jìn)行對比分析。在蠕變變形方面，數(shù)值模擬得到的巖石軸向應(yīng)變隨時間的變化曲線與試驗結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，兩者的變化趨勢基本一致。在初始階段，試驗和模擬的應(yīng)變都迅速增加，隨后進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段，應(yīng)變增長速率逐漸趨于穩(wěn)定。數(shù)值模擬得到的穩(wěn)定蠕變速率為1.5\times10^{-6}h^{-1}，與試驗測得的1.6\times10^{-6}h^{-1}較為接近，相對誤差在6%以內(nèi)，表明數(shù)值模型能夠較好地模擬巖石在穩(wěn)定蠕變階段的變形特性。在應(yīng)力分布方面，通過數(shù)值模擬得到隧洞周邊巖石的應(yīng)力分布云圖，并與試驗中通過應(yīng)變片測量和理論計算得到的應(yīng)力分布進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，在隧洞周邊的關(guān)鍵部位，如拱頂、拱底和邊墻等位置，數(shù)值模擬的應(yīng)力值與試驗結(jié)果基本相符。例如，在拱頂處，試驗測得的垂直應(yīng)力為5.2MPa，數(shù)值模擬結(jié)果為5.0MPa，誤差在4%左右，說明數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地反映隧洞周邊巖石的應(yīng)力分布情況。通過對變形和應(yīng)力等多方面的對比驗證，表明所建立的數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬不同含水率巖石在深部隧洞環(huán)境下的力學(xué)行為，為后續(xù)的工程應(yīng)用分析提供了可靠的工具。四、數(shù)值模擬分析4.2模擬結(jié)果分析4.2.1應(yīng)力應(yīng)變分布通過數(shù)值模擬，得到了不同含水率下深部隧洞圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖，如圖3和圖4所示。從圖中可以清晰地觀察到，在隧洞開挖后，圍巖的應(yīng)力應(yīng)變分布呈現(xiàn)出明顯的非均勻性，且含水率對其有著顯著的影響。在應(yīng)力分布方面，當(dāng)含水率較低時，如含水率為0.3w_{sat}，隧洞周邊圍巖的最大主應(yīng)力主要集中在拱頂和拱底部位，其值分別達(dá)到了7.5MPa和8.0MPa左右。這是由于隧洞開挖后，拱頂和拱底處的圍巖失去了原有的支撐，在自重和上覆巖體壓力的作用下，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。隨著含水率的增加，如含水率提高到0.7w_{sat}，最大主應(yīng)力的值有所降低，拱頂處約為6.0MPa，拱底處約為6.5MPa，但應(yīng)力集中區(qū)域有所擴(kuò)大，向邊墻部位延伸。這是因為含水率的增加導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低，使得圍巖在相同的荷載作用下更容易發(fā)生變形和應(yīng)力重分布，從而使應(yīng)力集中區(qū)域擴(kuò)展。在最小主應(yīng)力分布上，不同含水率下的差異也較為明顯。含水率較低時，最小主應(yīng)力主要分布在邊墻部位，其值約為1.5MPa；而當(dāng)含水率增加后，最小主應(yīng)力的值減小，在邊墻部位約為1.0MPa，且分布范圍更加均勻。這表明含水率的增大使得巖石的抗剪強(qiáng)度降低，邊墻部位更容易受到剪切破壞，從而導(dǎo)致最小主應(yīng)力的分布發(fā)生變化。從應(yīng)變分布來看，隨著含水率的增加，圍巖的應(yīng)變值明顯增大。在含水率為0.3w_{sat}時，隧洞周邊圍巖的最大軸向應(yīng)變約為0.003，主要集中在拱頂和邊墻的局部區(qū)域；當(dāng)含水率達(dá)到0.7w_{sat}時，最大軸向應(yīng)變增大到0.005左右，且應(yīng)變集中區(qū)域擴(kuò)展到整個拱頂、邊墻和拱底部位。這充分說明含水率的提高會顯著增加巖石的變形能力，使得圍巖在隧洞開挖后的變形更加劇烈，對隧洞的穩(wěn)定性產(chǎn)生更大的威脅。通過對不同含水率下隧洞圍巖應(yīng)力應(yīng)變分布的分析可知，含水率的變化會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力應(yīng)變的重新分布和數(shù)值變化，在深部隧洞工程設(shè)計和施工中，必須充分考慮含水率對圍巖力學(xué)行為的影響，合理選擇支護(hù)措施，以確保隧洞的穩(wěn)定。4.2.2蠕變變形發(fā)展數(shù)值模擬結(jié)果還清晰地展示了巖石蠕變變形隨時間的發(fā)展過程，不同含水率巖石的蠕變變形曲線如圖5所示。從圖中可以看出，在隧洞開挖后的初始階段，圍巖的蠕變變形迅速增加，隨后逐漸進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段。含水率對蠕變變形發(fā)展趨勢有著重要的影響。在相同的時間內(nèi)，含水率越高，巖石的蠕變變形量越大。例如，在開挖后的100天，含水率為0.3w_{sat}的巖石，其軸向蠕變變形量約為0.002m；而含水率為0.7w_{sat}的巖石，軸向蠕變變形量達(dá)到了0.0035m左右，明顯大于低含水率巖石的變形量。這是因為含水率的增加使巖石的黏性增強(qiáng)，抵抗變形的能力降低，從而導(dǎo)致蠕變變形更容易發(fā)展。在蠕變變形的發(fā)展過程中，還可以觀察到不同含水率巖石的蠕變速率也存在差異。含水率較高的巖石，其蠕變速率在整個蠕變過程中始終較大。在穩(wěn)定蠕變階段，含水率為0.3w_{sat}的巖石，蠕變速率約為1.0\times10^{-6}m/d；而含水率為0.7w_{sat}的巖石，蠕變速率達(dá)到了2.0\times10^{-6}m/d左右。這表明含水率的增大不僅使巖石的蠕變變形量增加，還會加快蠕變變形的發(fā)展速度，縮短巖石達(dá)到破壞的時間。隨著時間的不斷推移，當(dāng)蠕變變形達(dá)到一定程度后，巖石可能會進(jìn)入加速蠕變階段，最終導(dǎo)致破壞。含水率的增加會使巖石更早地進(jìn)入加速蠕變階段。在模擬過程中，含水率為0.7w_{sat}的巖石，在開挖后的約300天進(jìn)入加速蠕變階段；而含水率為0.3w_{sat}的巖石，在450天左右才進(jìn)入加速蠕變階段。這進(jìn)一步說明了含水率對巖石長期穩(wěn)定性的不利影響，在深部隧洞工程的長期運營中，必須密切關(guān)注圍巖含水率的變化，及時采取有效的措施來控制蠕變變形的發(fā)展，保障工程的安全。4.2.3與試驗結(jié)果對比為了進(jìn)一步驗證研究成果的可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)蠕變試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。對比內(nèi)容包括不同含水率巖石在各應(yīng)力水平下的蠕變變形量、蠕變速率以及蠕變曲線的形態(tài)等方面。在蠕變變形量方面，以應(yīng)力水平為\sigma_{13}（巖石單軸抗壓強(qiáng)度的50%）為例，試驗測得含水率為0.5w_{sat}的巖石在加載100小時后的蠕變變形量為0.0025m，而數(shù)值模擬結(jié)果為0.0023m，兩者相對誤差在8%以內(nèi)，基本吻合。這表明數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測巖石在該應(yīng)力水平和含水率條件下的蠕變變形量。在蠕變速率上，試驗得到的穩(wěn)定蠕變速率與數(shù)值模擬結(jié)果也具有較好的一致性。在相同的應(yīng)力和含水率條件下，試驗測得的穩(wěn)定蠕變速率為1.2\times10^{-6}h^{-1}，數(shù)值模擬結(jié)果為1.3\times10^{-6}h^{-1}，誤差在8.3%左右，說明數(shù)值模型能夠合理地反映巖石的蠕變速率變化規(guī)律。從蠕變曲線的形態(tài)來看，試驗曲線和模擬曲線在初始蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段和加速蠕變階段的變化趨勢基本相同。都表現(xiàn)為初始階段變形迅速增加，隨后進(jìn)入穩(wěn)定增長階段，最后在高應(yīng)力和長時間作用下進(jìn)入加速蠕變階段。這進(jìn)一步驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，表明所建立的數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地模擬不同含水率巖石的蠕變行為。盡管模擬結(jié)果與試驗結(jié)果總體上較為吻合，但仍存在一定的差異。造成這些差異的原因主要有以下幾個方面：一方面，室內(nèi)試驗的巖石試件尺寸相對較小，與實際工程中的巖體存在一定的尺度效應(yīng)，實際巖體中可能存在更多的節(jié)理、裂隙等缺陷，這些缺陷會影響巖石的力學(xué)性能和蠕變行為，而在數(shù)值模擬中難以完全準(zhǔn)確地考慮這些復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)；另一方面，試驗過程中存在一定的測量誤差，以及巖石材料本身的非均質(zhì)性和各向異性，也會導(dǎo)致試驗結(jié)果與模擬結(jié)果之間產(chǎn)生偏差。通過對比分析可知，雖然存在一定的差異，但數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果在整體趨勢和關(guān)鍵指標(biāo)上具有較好的一致性，這充分驗證了本研究中建立的數(shù)值模型和采用的分析方法的可靠性，為深部隧洞工程的設(shè)計和分析提供了有力的支持。在實際工程應(yīng)用中，可以結(jié)合試驗結(jié)果和數(shù)值模擬，更加準(zhǔn)確地預(yù)測圍巖的力學(xué)行為和長期穩(wěn)定性，為工程決策提供科學(xué)依據(jù)。五、工程應(yīng)用案例分析5.1案例選取與工程概況本研究選取某深埋引水隧洞工程作為案例，該工程位于西南地區(qū)的高山峽谷地帶，是一項重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施項目。隧洞全長15km，主要目的是將山區(qū)豐富的水資源引入到下游的干旱地區(qū)，以滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉和居民生活用水的需求。隧洞穿越的地層主要為砂巖、頁巖以及兩者的互層。其中，砂巖質(zhì)地較為堅硬，但頁巖層具有明顯的遇水軟化特性。在隧洞沿線，存在多條斷層和節(jié)理裂隙帶，這些地質(zhì)構(gòu)造的存在使得巖體的完整性受到嚴(yán)重破壞，增加了工程施工和運營的難度與風(fēng)險。根據(jù)前期的地質(zhì)勘察資料，該區(qū)域的地下水位較高，且?guī)r石的含水率變化范圍較大，從干燥狀態(tài)到接近飽和狀態(tài)均有分布。在不同的地質(zhì)條件下，巖石的力學(xué)性質(zhì)和蠕變特性存在顯著差異。隧洞設(shè)計為圓形斷面，直徑為8m，采用鉆爆法施工。在施工過程中，根據(jù)圍巖的具體情況，采取了不同的支護(hù)措施。對于圍巖條件較好的地段，采用錨噴支護(hù)，即通過在洞壁上鉆孔安裝錨桿，并噴射混凝土，形成聯(lián)合支護(hù)體系，以增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性；而對于圍巖破碎、穩(wěn)定性較差的地段，則采用鋼支撐與錨噴支護(hù)相結(jié)合的方式，鋼支撐能夠提供即時的支撐力，有效控制圍巖的變形，與錨噴支護(hù)共同作用，確保施工安全和隧洞的長期穩(wěn)定。施工過程中，還對圍巖的變形和應(yīng)力進(jìn)行了實時監(jiān)測，以便及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方法。5.2基于蠕變性質(zhì)的工程問題分析5.2.1圍巖穩(wěn)定性分析基于前面章節(jié)對不同含水率巖石蠕變性質(zhì)的研究成果，深入分析該引水隧洞工程圍巖的穩(wěn)定性。在隧洞開挖后，圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，巖石的蠕變特性使得圍巖變形隨時間不斷發(fā)展，這對隧洞的穩(wěn)定性產(chǎn)生了重要影響。由于該隧洞穿越的地層包含頁巖和砂巖，且頁巖遇水軟化特性顯著，地下水的存在導(dǎo)致巖石含水率變化，進(jìn)一步加劇了圍巖穩(wěn)定性問題。在含水率較高的區(qū)域，如頁巖層中，巖石的彈性模量和強(qiáng)度明顯降低，蠕變速率增大。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，含水率為0.7w_{sat}的頁巖，其彈性模量比干燥狀態(tài)下降低了約30%，穩(wěn)定蠕變速率則增大了2-3倍。這使得在相同的應(yīng)力作用下，高含水率頁巖圍巖更容易發(fā)生較大的蠕變變形，從而導(dǎo)致隧洞周邊圍巖的位移增大，塑性區(qū)范圍擴(kuò)展。通過數(shù)值模擬分析，對比不同含水率條件下圍巖的位移和塑性區(qū)分布情況。當(dāng)圍巖含水率較低時，如砂巖段，隧洞周邊圍巖的最大位移約為5cm，塑性區(qū)主要集中在拱頂和拱底的局部區(qū)域，范圍較小；而在含水率較高的頁巖段，最大位移可達(dá)到12cm以上，塑性區(qū)范圍明顯擴(kuò)大，向邊墻部位延伸，甚至可能出現(xiàn)塑性區(qū)貫通的情況，嚴(yán)重威脅隧洞的穩(wěn)定性。巖石的蠕變特性還會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力的重新分布。隨著蠕變變形的發(fā)展，圍巖內(nèi)部的應(yīng)力逐漸調(diào)整，原本應(yīng)力集中的區(qū)域可能發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)移。在高含水率的頁巖圍巖中，由于其蠕變變形較大，會對周邊的砂巖圍巖產(chǎn)生附加應(yīng)力，使得砂巖圍巖的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，增加了砂巖圍巖發(fā)生破壞的風(fēng)險。綜合考慮巖石的蠕變性質(zhì)和含水率的影響，對該隧洞工程圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評估。結(jié)果表明，在含水率較高的頁巖段以及斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域，圍巖的穩(wěn)定性較差，需要采取有效的支護(hù)措施來控制圍巖變形，防止隧洞坍塌。在實際工程中，應(yīng)加強(qiáng)對這些區(qū)域的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)圍巖變形異常情況，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整支護(hù)方案，確保隧洞的長期穩(wěn)定。5.2.2支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化結(jié)合巖石的蠕變特性，對該深埋引水隧洞工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。在考慮巖石蠕變的情況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅要滿足隧洞開挖初期的穩(wěn)定性要求，還要能夠適應(yīng)圍巖隨時間的變形發(fā)展，確保在隧洞運營期內(nèi)的長期穩(wěn)定性。對于支護(hù)時機(jī)的確定，基于圍巖蠕變變形的發(fā)展規(guī)律，采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。根據(jù)圍巖蠕變理論，當(dāng)圍巖的蠕變變形速率開始逐漸減小，趨近于一個穩(wěn)定值時，是施作二次襯砌的合理時機(jī)。通過數(shù)值模擬不同支護(hù)時機(jī)下圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果表明，在圍巖蠕變變形速率降低到一定程度（如初始蠕變速率的30%-50%）時進(jìn)行二次襯砌施工，既能充分利用圍巖的自承載能力，又能有效控制圍巖的后期變形，使支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載處于合理范圍內(nèi)。在該引水隧洞工程中，對于圍巖條件較好的砂巖段，可在開挖后3-5天，當(dāng)圍巖蠕變變形速率滿足上述條件時進(jìn)行二次襯砌；而對于圍巖條件較差、含水率較高的頁巖段，由于其蠕變變形發(fā)展較快，應(yīng)適當(dāng)提前支護(hù)時機(jī)，在開挖后1-3天內(nèi)進(jìn)行二次襯砌。在支護(hù)強(qiáng)度方面，考慮巖石的蠕變特性和含水率對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，合理確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)。對于高含水率的頁巖段，由于巖石強(qiáng)度降低，需要增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力。采用增加錨桿長度和密度、提高噴射混凝土強(qiáng)度等級以及增設(shè)鋼支撐等措施，來增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)強(qiáng)度。根據(jù)數(shù)值模擬分析，在頁巖段將錨桿長度從2.5m增加到3.5m，錨桿間距從1.2m減小到0.8m，噴射混凝土強(qiáng)度等級從C20提高到C25，并在每榀鋼支撐之間增設(shè)臨時支撐，可有效減小圍巖的位移和塑性區(qū)范圍，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在砂巖段，根據(jù)其蠕變特性和力學(xué)性質(zhì)，可適當(dāng)降低支護(hù)強(qiáng)度，但仍需保證支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠滿足長期穩(wěn)定性要求。還應(yīng)考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用。支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠與圍巖緊密結(jié)合，共同承擔(dān)荷載，抑制圍巖的蠕變變形。采用柔性支護(hù)與剛性支護(hù)相結(jié)合的方式，在初期支護(hù)中，利用噴射混凝土和錨桿提供一定的柔性支護(hù)，允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，釋放部分應(yīng)力；在二次襯砌中，采用剛性的混凝土襯砌，提供足夠的承載能力，限制圍巖的后期變形。通過合理設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，使支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成一個協(xié)同工作的體系，提高隧洞的整體穩(wěn)定性。在實際工程中，還應(yīng)加強(qiáng)對支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和損壞情況，以便采取相應(yīng)的加固措施，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性。5.3工程應(yīng)用效果評估在該深埋引水隧洞工程中，基于巖石蠕變性質(zhì)采取的工程措施取得了顯著成效。通過對隧洞圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評估工程應(yīng)用效果。在圍巖變形控制方面，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地抑制了圍巖的蠕變變形。在含水率較高的頁巖段，采用加強(qiáng)支護(hù)措施后，隧洞周邊圍巖的最大位移從原來未采取針對性措施時預(yù)計的15cm以上，降低到了實際監(jiān)測的8cm左右，位移控制效果明顯。塑性區(qū)范圍也得到了有效控制，原本可能出現(xiàn)的塑性區(qū)貫通現(xiàn)象得到避免，塑性區(qū)主要集中在拱頂和邊墻的局部區(qū)域，范圍大幅縮小，保障了隧洞的穩(wěn)定性。從支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況來看，監(jiān)測結(jié)果表明支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載處于合理范圍內(nèi)。在砂巖段，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布較為均勻，錨桿和噴射混凝土的應(yīng)力值均在設(shè)計允許范圍內(nèi)，能夠正常發(fā)揮支護(hù)作用。在頁巖段，雖然由于巖石蠕變和含水率的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載相對較大，但通過增加錨桿長度和密度、提高噴射混凝土強(qiáng)度等級等措施，支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性得到了保障。鋼支撐的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，其最大應(yīng)力值未超過鋼材的屈服強(qiáng)度，且隨著時間的推移，應(yīng)力變化較為穩(wěn)定，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠有效地抵抗圍巖的變形壓力，保證了隧洞在運營期間的安全。與未考慮巖石蠕變性質(zhì)和含水率影響的傳統(tǒng)設(shè)計方案相比，本研究基于蠕變性質(zhì)提出的工程措施在控制圍巖變形和保障支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面具有明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)方案在面對高含水率頁巖段的圍巖