凍融循環(huán)對(duì)新疆寒區(qū)風(fēng)電場(chǎng)地基泥巖長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)影響

李寒暝

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 831000）

1 引言

泥巖地層是我國(guó)西北地區(qū)常見地質(zhì)條件之一，且其性質(zhì)差異較大，為風(fēng)電場(chǎng)、水電大壩等工程帶來一定的威脅[1-3]。我國(guó)新疆地區(qū)一年四季、晝夜氣溫變化較大，凍融循環(huán)作用下地基土力學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生較大的變化，地基土的長(zhǎng)期力學(xué)性質(zhì)劣化[4-6]。張敏、胡澤明等[7-8]以泥巖地層為研究對(duì)象，深入研究?jī)A角對(duì)泥巖地基及滑坡穩(wěn)定的影響；張強(qiáng)星等[9]對(duì)某鹽巖儲(chǔ)氣庫中的泥巖展開室內(nèi)長(zhǎng)期單軸蠕變?cè)囼?yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果及理論知識(shí)推導(dǎo)出了泥巖長(zhǎng)期強(qiáng)度確定方法。

現(xiàn)有的針對(duì)泥巖力學(xué)性質(zhì)的研究主要是從其強(qiáng)度或蠕變行為防線剛展開的，卻未能考慮到凍融循環(huán)對(duì)泥巖的力學(xué)性質(zhì)的影響[10-11]。因此，本文通過室內(nèi)制備經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的泥巖，并對(duì)其展開三軸分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)，深入探討凍融循環(huán)對(duì)泥巖蠕變變形行為及長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響。

2 工程背景

新疆哈密煙墩第六風(fēng)電場(chǎng)工程位于新疆自治區(qū)哈密市東南約100 km,駱駝圈子?xùn)|南的戈壁灘上。本期工程擬開發(fā)利用面積約60 km2,計(jì)劃裝機(jī)規(guī)模為200 MW,設(shè)計(jì)1.5 MW風(fēng)機(jī)134 臺(tái),風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力墩基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深大于3 m。新疆哈密千萬千瓦級(jí)風(fēng)電基地東南部風(fēng)區(qū)200 萬kW項(xiàng)目分為煙墩、苦水兩個(gè)區(qū)域,共計(jì)10 個(gè)風(fēng)電場(chǎng),總裝機(jī)規(guī)模為2000 MW,按照風(fēng)電特許權(quán)項(xiàng)目進(jìn)行建設(shè)和管理。其中煙墩區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)由六個(gè)風(fēng)電場(chǎng)組成,裝機(jī)容量1200 MW,每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置一個(gè)監(jiān)控中心,第一、第二風(fēng)電場(chǎng)合建一座220 kV升壓變電所,第四、第五風(fēng)電場(chǎng)合建一座220 kV升壓變電所,第三、第六風(fēng)電場(chǎng)合建一座220 kV升壓變電所；苦水區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)由四個(gè)風(fēng)電場(chǎng)組成,裝機(jī)容量800 MW（4×200 MW）,每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置一個(gè)監(jiān)控中心,第一、第二風(fēng)電場(chǎng)合建一座220 kV升壓變電所,第三、第四風(fēng)電場(chǎng)合建一座220 kV升壓變電所。

3 試樣制備與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試樣制備

本次試驗(yàn)研究所用試樣均取自新疆哈密煙墩第六風(fēng)電場(chǎng)工程。圖1 為鉆孔并加工完成后的泥巖三軸蠕變?cè)囼?yàn)所用試樣,根據(jù)相關(guān)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[12],將試樣加工為高度為100 mm,直徑為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。經(jīng)過測(cè)定,泥巖試樣的密度在2.50 g/cm3~2.64 g/cm3之間。

圖1 泥巖試樣

3.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)主要研究目的為探討泥巖在凍融循環(huán)條件下的蠕變力學(xué)行為,因此,室內(nèi)設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)分別為0 次、10 次、20 次、30 次四種不同循環(huán)次數(shù)下的泥巖三軸蠕變?cè)囼?yàn)。首先,需要對(duì)泥巖試樣進(jìn)行凍融循環(huán)處理,具體操作流程如下：

（1）將泥巖試樣全部放入真空飽和設(shè)備中進(jìn)行負(fù)壓飽和,飽和時(shí)間為48 h。

（2）取出試樣并擦干后,將試樣范圍四組,利用TDS凍融試驗(yàn)機(jī)按照每組為0 次、10 次、20 次及30 次四種不同循環(huán)次數(shù)進(jìn)行凍融試驗(yàn),其中,上限溫度為20 ℃,下限溫度為-20 ℃,定義每次循環(huán)為12 h的凍融后再放入20 ℃水中浸泡12 h,以此類推。

利用大型程控液壓伺服設(shè)備（圖2）開展巖石三軸蠕變?cè)囼?yàn),該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)最大軸壓為2000 kN,最大圍壓為100 MPa,利用LVDT位移計(jì)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè),其量程為-2.5 mm~+2.5 mm,上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備精度均控制在0.5%以內(nèi)。采用陳氏加載法進(jìn)行三軸蠕變?cè)囼?yàn)?？刂茋鷫簽? MPa,軸向加載分為五級(jí),每級(jí)荷載分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa及50 MPa。在加載過程中以力控模式控制加載速率為30 kN/min （約為0.25 MPa/s）,每級(jí)蠕變穩(wěn)載時(shí)間為18 h。

圖2 三軸蠕變?cè)囼?yàn)設(shè)備

4 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

4.1 蠕變曲線分析

不同凍融循環(huán)次數(shù)下的泥巖三軸蠕變曲線見圖3,由圖3可知,對(duì)于不同凍融循環(huán)次數(shù)的泥巖,其蠕變曲線均表現(xiàn)出典型的巖石蠕變變形曲線特征。瞬態(tài)蠕變的產(chǎn)生是由于軸向荷載的突然增大導(dǎo)致的彈性變形或彈塑性變形,由于加載速度快、加載時(shí)間段,因此在蠕變曲線上近似豎向或高斜率線段。對(duì)于分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)法,巖石在每一級(jí)遞增荷載作用下均會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)蠕變,但由于巖石本身在蠕變作用下產(chǎn)生了一定程度的損傷,因此其彈性模量有所降低,因此每一級(jí)產(chǎn)生的瞬態(tài)變形逐漸增大。在減速蠕變階段,泥巖蠕變變形量持續(xù)增大,但蠕變量增大速率越來越小,直到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段,泥巖的蠕變變形逐漸增大但蠕變速率趨于平穩(wěn)。在減速蠕變以及穩(wěn)態(tài)蠕變階段,泥巖內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生較少,主要為微裂紋的生長(zhǎng)于萌芽,此時(shí)泥巖的損傷程度并不高,因此表面并沒有產(chǎn)生明顯的破壞裂紋。當(dāng)荷載增加到某一級(jí)時(shí),泥巖進(jìn)入加速蠕變階段。加速蠕變階段泥巖的軸向變形迅速增大,直至破壞。此階段持續(xù)時(shí)間較短,巖石發(fā)生破壞的速度快,進(jìn)入加速蠕變階段后很快便產(chǎn)生了宏觀裂紋,泥巖試樣完全破壞。

進(jìn)一步分析凍融循環(huán)對(duì)于泥巖蠕變力學(xué)行為的影響,由圖3 可知,對(duì)于泥巖,其凍融循環(huán)次數(shù)越多,則在同一級(jí)蠕變荷載作用下產(chǎn)生的蠕變變形則越大,以第一級(jí)荷載為例,在20 MPa應(yīng)力作用下,凍融循環(huán)次數(shù)為0 次、10 次、20 次及30 次的泥巖試樣產(chǎn)生的瞬態(tài)變形量分別為0.01%、0.02%、0.04%及0.07%,第一級(jí)蠕變結(jié)束后應(yīng)變分別為0.02%、0.04%、0.06%、0.09%。此外,相較于其他試樣,凍融循環(huán)次數(shù)為30 次的泥巖試樣在第四級(jí)荷載下即產(chǎn)生破壞,而其他試樣均在第五級(jí)荷載下產(chǎn)生破壞。分析認(rèn)為,在凍融循環(huán)過程中,凍結(jié)導(dǎo)致了泥巖內(nèi)水分結(jié)冰后,產(chǎn)生了一定的體積膨脹,而由于體積膨脹導(dǎo)致泥巖內(nèi)部產(chǎn)生的裂隙在融化過程中無法恢復(fù),泥巖內(nèi)部產(chǎn)生了大量的空隙,造成了巖石損傷及力學(xué)性能弱化。因此,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,泥巖的變形特性更加明顯。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下泥巖蠕變曲線

4.2 蠕變速率曲線分析

圖4 為泥巖蠕變速率曲線,由于試樣較多且試樣的蠕變速率曲線形態(tài)基本一致,受文章篇幅限制,本文僅給出為進(jìn)行凍融循環(huán)的試樣的蠕變速率曲線。由圖4 可知,在未發(fā)生破壞的前幾級(jí)荷載作用下,泥巖的蠕變速率曲線呈“L”形,這是由于在加載過程中,巖石產(chǎn)生的瞬態(tài)變形較大,因此蠕變速率要高出2~3 個(gè)數(shù)量級(jí),而隨著蠕變過程的逐漸進(jìn)行,巖石蠕變速率逐漸降低,此特征對(duì)應(yīng)為減速蠕變階段。在穩(wěn)態(tài)蠕變階段,巖石的蠕變速率基本不變,但低荷載下巖石未進(jìn)入加速蠕變階段,因此蠕變速率曲線呈“L”形。而在最后一級(jí)荷載作用下,由于泥巖此時(shí)進(jìn)入了加速蠕變階段,因此在蠕變速率曲線末端出現(xiàn)高蠕變速率數(shù)據(jù)點(diǎn),因此最后一級(jí)蠕變速率曲線呈“U”形。

4.3 長(zhǎng)期強(qiáng)度確定

對(duì)于邊坡工程,巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度是保證工程穩(wěn)定的重要指標(biāo)。巖石在承受長(zhǎng)期荷載期間,隨著變形的增加,材料本身的力學(xué)性能被不斷弱化,其強(qiáng)度也隨之降低,從而造成承載能力降低的情況,因此很多工程失穩(wěn)都是因?yàn)殚L(zhǎng)期強(qiáng)度較大造成的。等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線法由于其簡(jiǎn)捷、直觀的優(yōu)勢(shì),因此在確定巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度中得到了廣泛的應(yīng)用。以試驗(yàn)加載全過程巖石試樣的蠕變曲線為對(duì)象,根據(jù)文獻(xiàn)中的方法,取適當(dāng)時(shí)刻的軸向、橫向等時(shí)應(yīng)力及應(yīng)變關(guān)系。經(jīng)過確定,不同凍融循環(huán)次數(shù)下泥巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度分別為35.30 MPa、32.17 MPa、29.78 MPa及25.32 MPa。由此可見,凍融循環(huán)次數(shù)越多,泥巖長(zhǎng)期強(qiáng)度越低。

5 結(jié)論

基于室內(nèi)三軸分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn),對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下炭質(zhì)灰?guī)r的蠕變力學(xué)行為及長(zhǎng)期強(qiáng)度特性研究。研究主要結(jié)果如下：

（1）不同凍融循環(huán)次數(shù)下泥巖的蠕變曲線均具有典型的巖石蠕變曲線特征,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,泥巖的變形能力不斷增強(qiáng),同級(jí)荷載作用下軸向變形更明顯。

（2）在低應(yīng)力作用下泥巖的蠕變曲線呈“L”形,進(jìn)入加速蠕變后該級(jí)蠕變速率曲線呈“U”形。

（3）凍融循環(huán)次數(shù)越多,泥巖長(zhǎng)期強(qiáng)度越低,不同凍融循環(huán)次數(shù)下泥巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度分別為35.30 MPa、32.17 MPa、29.78 MPa及25.32 MPa。由此可見,凍融循環(huán)對(duì)泥巖的力學(xué)性質(zhì)具有明顯的劣化效應(yīng)。