具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

炭质泥岩具有吸水崩解、软化的特性，干湿循环作用更是加剧炭 质泥岩风化崩解，由此引发的边坡岩体损伤，严重影响边坡的长期稳 定。研究干湿循环作用下炭质泥岩的长期强度和蠕变损伤特性，对正 确评价损伤岩体边坡稳定性具有重要意义。以往的研究大多侧重软岩 蠕变特性的研究，而对干湿循环作用下炭质泥岩的长期强度研究不 足。为此，本文开展干湿循环作用下炭质泥岩三轴压缩蠕变试验，研 究炭质泥岩的蠕变特性，提出评价干湿循环作用下炭质泥岩长期强度 的方法，研究干湿循环作用下炭质泥岩长期强度的变化规律。

如图1-7所示，本发明提供了基于干湿循环作用下炭质泥岩边坡 稳定性分析方法，包括以下步骤：

采集经过干湿循环的炭质泥岩试样在不同轴压下的轴向应变，获 得干湿循环次数以及干湿循环次数对应的轴压数值、轴向应变数值；

基于轴压数值、干湿循环次数、轴向应变数值，获得在不同干湿 循环次数和相同轴压数值的第一条件下，炭质泥岩试样的轴向应变第 一变化规律，轴向应变第一变化规律用于表示干湿循环对于轴向应变 的第一影响；

基于轴压数值、干湿循环次数、轴向应变数值，获得在相同干湿 循环次数和不同轴压数值的第二条件下，炭质泥岩试样的轴向应变第 二变化规律，轴向应变第二变化规律用于表示轴压对于轴向应变的第 二影响；

基于轴向应变第一变化规律、轴向应变第二变化规律，采集炭质 泥岩试样的瞬时阶段应变、衰减阶段应变、定常阶段应变、加速阶段 应变，获得炭质泥岩试样的黏弹塑性蠕变，用于分析炭质泥岩边坡稳 定性。

在采集轴向应变的过程中，通过分级增量加载方式，施加不同轴 压，其中，分级增量加载方式包括，设定围压为2MPa，第一级加载 强度为14.26MPa，分级加载增量为3MPa，每级加载应力持续48h， 当轴向应变数值小于0.001/d时，进行下一级加载，直至炭质泥岩试样破坏。

在获得干湿循环次数的过程中，干湿循环次数至少包括0次、3 次、6次、9次。

在采集轴向应变数值的过程中，采集炭质泥岩试样在经过蠕变 20h后的轴向应变数值。

在获得炭质泥岩试样的黏弹塑性蠕变的过程中，根据瞬时阶段应 变，获取炭质泥岩试样分别在第一条件和第二条件下的瞬时应变；根 据衰减阶段应变，获取炭质泥岩试样在第一条件和第二条件下的衰减 阶段蠕变；根据定常阶段应变，获取炭质泥岩试样在第一条件和第二 条件下的定常阶段蠕变；根据衰减阶段应变、定常阶段应变、加速阶 段应变，获取炭质泥岩试样在第一条件和第二条件下的破坏阶段蠕 变；根据瞬时应变、衰减阶段蠕变、定常阶段蠕变、破坏阶段蠕变， 获得黏弹塑性蠕变。

根据瞬时应变、衰减阶段蠕变、定常阶段蠕变、破坏阶段蠕变， 获得黏弹塑性蠕变的黏弹性蠕变和第一黏塑性蠕变；根据第一黏塑性 蠕变的蠕变结束时间、蠕变速率开始时间、蠕变速率以及衰减阶段蠕 变的第二黏塑性蠕变，获得炭质泥岩试样的长期强度，用于分析炭质 泥岩边坡稳定性。

基于干湿循环作用下炭质泥岩边坡稳定性分析系统，包括，

数据采集模块，用于采集经过干湿循环的炭质泥岩试样在不同轴 压下的轴向应变，获得干湿循环次数以及干湿循环次数对应的轴压数 值、轴向应变数值；

第一规律分析模块，用于基于轴压数值、干湿循环次数、轴向应 变数值，获得在不同干湿循环次数和相同轴压数值的第一条件下，炭 质泥岩试样的轴向应变第一变化规律，轴向应变第一变化规律用于表 示干湿循环对于轴向应变的第一影响；

第二规律分析模块，用于基于轴压数值、干湿循环次数、轴向应 变数值，获得在相同干湿循环次数和不同轴压数值的第二条件下，炭 质泥岩试样的轴向应变第二变化规律，轴向应变第二变化规律用于表 示轴压对于轴向应变的第二影响；

边坡稳定性分析模块，基于轴向应变第一变化规律、轴向应变第 二变化规律，采集炭质泥岩试样的瞬时阶段应变、衰减阶段应变、定 常阶段应变、加速阶段应变，获得炭质泥岩试样的黏弹塑性蠕变，用 于分析炭质泥岩边坡稳定性；

第一存储模块，用于存储系统产生的第一数据，第一数据至少包 括干湿循环次数、轴压数值、轴向应变数值、轴向应变第一变化规律、 轴向应变第二变化规律、瞬时阶段应变、衰减阶段应变、定常阶段应 变、加速阶段应变；

第一通信模块，用于系统进行数据交互。

系统还包括应用于炭质泥岩边坡监测设备中的第一系统，包括，

传感器模块，用于采集炭质泥岩边坡的物理情况，物理情况至少 包括受力情况、温度、湿度；

第二通信模块，用于第一系统与系统进行数据交互；

第一预警模块，用于根据系统提供的第一数据以及物理情况，获 得第一预警信号；

第一显示模块，用于显示物理情况、第一预警信号。

优选地，系统还包括应用于移动设备中的第二系统，包括，

第二显示模块，用于显示第一预警信号、第一数据；

第三通信模块，用于第二系统分别与系统、第一系统进行数据交 互。

系统还包括应用于云端服务器的第三系统，包括，

第二存储模块，用于存储物理情况、第一数据以及第三系统根据 物理情况、第一数据产生的第二数据；

第四通信模块，用于第三系统分别与系统、第一系统、第二系统 进行数据交互；

数据处理模块，用于根据物理情况、第一数据获得蠕变曲线图以 及预警信息，其中，蠕变曲线图用于表示炭质泥岩边坡的蠕变曲线， 预警信息用于表示炭质泥岩边坡发生危险情况的趋势；

第二预警模块，根据预警信息生成第二预警信号；

第一显示模块和第二显示模块还用于显示第二预警信号。

实施例1：本发明通过试验的方法进行技术验证，具体试验过程 如下：

干湿循环作用下炭质泥岩三轴压缩蠕变试验：

对完成干湿循环的试样进行三轴压缩流变试验，三轴流变试验仪 为RLW-2000，其变形测量装置；采用分级增量加载方式，设定围压 为2MPa，设计蠕变试验第一级加载为单轴抗压强度的40％，即为 14.26MPa，分级加载增量为3MPa，每级加载应力持续48h，当轴向应 变值小于0.001/d时，然后进行下一级加载，直至岩石试样破坏。

三轴压缩蠕变试验结果分析：

干湿循环作用下炭质泥岩三轴压缩流变试验结果见图3。从图3 中可知：炭质泥岩轴向应变随干湿循环次数和应力增加而增大；相同 轴压作用下，炭质泥岩应变随干湿循环次数增加而增大；干湿循环0、 3、6和9次的炭质泥岩试样在轴压为17.26MPa作用下，蠕变20h的 轴向应变分别为0.606×10^-3、0.958×10^-3、1.168×10^-3和1.340×10^-3，平均每次干湿循环轴向应变增加9.75×10^-5。

相同干湿循次数作用下，炭质泥岩应变随轴压增加而增大；干湿 循环6次的炭质泥岩1～7级加载，蠕变20h时的轴向应变分别为 1.168×10^-3、1.468×10^-3、1.786×10^-3、2.144×10^-3、2.538×10^-3、 2.978×10^-3和3.364×10^-3，平均每级加载轴向应变增加3.34×10^-4。

岩石蠕变全过程曲线见图4。岩石应变ε由瞬时阶段应变ε₀、衰 减阶段应变ε₁、定常阶段应变ε₂和加速阶段应变ε₃组成。可下式进行 计算：

ε＝ε₀+ε₁+ε₂+ε₃ (5.1)

以干湿循环6次，轴压为32.26MPa的炭质泥岩试样蠕变曲线为 例。炭质泥岩加载时发生瞬时应变，然后进入衰减蠕变阶段，应变随 时间增大，但蠕变速率逐渐减小，衰减阶段累积的应变可由定常蠕变 阶段曲线的切线与纵坐标的交点确定，衰减阶段蠕变为ε₁＝2.46×10^-4， 经历9.33h的衰减蠕变阶段进入定常蠕变阶段，定常蠕变阶段可由加 速蠕变起点的应变减去衰减阶段的应变得到ε₂＝1.67×10^-4，蠕变 39.33h后开始出现加速蠕变阶段，加速蠕变阶段应变为ε₃＝3.21×10^-4。

同样，根据上述方法确定干湿循环作用下炭质泥岩各阶段蠕变见 表1。从表1中可知：干湿循环0、3、6、9次的炭质泥岩试样在前3 级加载作用下仅发生衰减阶段蠕变，第4加载时出现定常蠕变阶段； 干湿循环0、3次的炭质泥岩试样在第8级加载时发生蠕变破坏，而经历6、9次干湿循环的炭质泥岩试样在第7级加载时发生蠕变破坏。 这是因为炭质泥岩试样受干湿循环作用内部产生了较多微裂纹和微 孔隙，在前3级加载时部分微裂缝和微孔隙受压而闭合，由于岩石受 应力较小，岩石颗粒体在摩擦力约束下保持稳定，蠕变速率逐渐减小 进而趋于稳定；随着应力增大，微裂纹和孔隙向周边扩展，颗粒体定 常流动阻力减小，颗粒体开始定向流动，岩石出现定常蠕变阶段；当 应力进一步增大，岩石内部裂纹不断扩展形成贯通裂缝，颗粒体加速 流动，最后发生蠕变破坏。由于干湿循环过程中水岩相互作用使得岩 石损伤，随干湿循环次数增加，岩石损伤加剧，所以干湿循环6、9 次的炭质泥岩试样蠕变破坏荷载减小。

各次干湿循环作用下炭质泥岩各阶段应变中瞬时应变最大，占总 应变的77.2～87.8％，说明炭质泥岩绝大部分应变在瞬时产生。较低 应力水平时，炭质泥岩的蠕变主要集中在衰减蠕变阶段，而在破坏应 力作用下炭质泥岩蠕变主要在加速蠕变阶段产生。这是因为岩石内部 的微裂纹和微孔隙受荷载作用，在较短时间内就完成压缩变形，所以 表现出衰减阶段的应变较大；而随着荷载增大，岩石内部原有的微裂 隙扩张和新裂纹发育，岩石颗粒体定向流动速度加快，使得岩石在加 速蠕变阶段产生较大变形。

表1

瞬时应变分析：

不同干湿循环次数作用下炭质泥岩的瞬时应变。相同干湿循环次 数作用下，炭质泥岩瞬时应变随轴压增加而增大；干湿循环6次的炭 质泥岩试样，在轴压20.26MPa和29.26MPa分别比14.26MPa的瞬时 应变增大60.8％和181.5％。相同轴压作用下，炭质泥岩的瞬时应变随 干湿循环次数增加而增大；在轴压20.26MPa作用下，干湿循环3、6 和9次比干湿循环0次的瞬时应变分别增大9.91％、22.31％和35.54％。 这可能是炭质泥岩成岩过程受各种地质作用，岩石内部存在大量随机 分布的微裂纹和微孔隙，在干湿循环作用下炭质泥岩亲水矿物被溶 蚀，以及干湿循环过程水岩作用导致裂隙开展，使得岩石有效承载面积进一步减小，所以在荷载作用下产生较大的瞬时应变。

衰减阶段蠕变分析：

干湿循环作用下炭质泥岩在衰减蠕变阶段的蠕变。干湿循环作用 下炭质泥岩衰减阶段蠕变总体上随干湿循环次数增加而增加；在轴压 14.26MPa、20.26MPa和29.26MPa作用下炭质泥岩试样平均每次干湿 循环其衰减阶段蠕变增加1.479×10^-5、5.451×10^-5和0.883×10^-5； 其中前3级加载(14.26、17.26、20.26MPa)衰减阶段蠕变随干湿循 环次数增加线性增大，4～7级加载(23.26、26.26、29.26、32.26 和35.26MPa)衰减阶段蠕变随干湿循环次数增加规律性降低，这可 能是干湿循环作用下炭质泥岩内部微裂纹和微孔隙沿胶结体薄弱部 位开展，且轴压越大岩石微裂纹和微孔隙开展越迅速，岩石内部微元 体受力越不均匀，使得岩石在荷载作用下蠕变增长的差异更为明显。

定常阶段蠕变分析：

干湿循环作用下炭质泥岩试样在定常蠕变阶段的蠕变。炭质泥岩 定常阶段蠕变随干湿循环次数增加而增大，且波动性增强，经历6次 干湿循环后炭质泥岩定常蠕变增加幅度变大，其原因可能为：干湿循 环作用下炭质泥岩微结构薄弱部位受水力作用而破坏，使得岩石微裂 纹和孔隙发展，在轴压作用下岩石定常阶段蠕变增大；同时随着微裂 纹和孔隙无规律开展，使得岩石蠕变波动性增大。

破坏阶段蠕变分析：

不同干湿循环次数的炭质泥岩试样破坏阶段的蠕变曲线。两组破 坏应力阶段的蠕变曲线具有相同的变化规律，均具有明显的蠕变三个 阶段(衰减蠕变阶段、定常蠕变阶段、加速蠕变阶段)，其中衰减蠕 变阶段和加速蠕变阶段经历的时间较短。随干湿循环次数增加炭质泥 岩破坏阶段历时减小，定常蠕变阶段速率增大；干湿循环9次比干湿 循环6次的总历时减小15.33h，而定常蠕变速率从3.875×10^-6增大 到1.511×10^-5，增大了3.9倍。随干湿循环次数增加破坏应力阶段 衰减蠕变减小，定常蠕变和加速蠕变增加。干湿循环9次比干湿循环 6次的衰减蠕变、定常蠕变和加速蠕变分别增加8.0×10^-5、1.2×10^-4和2.1×10^-4。

表2

干湿循环作用下炭质泥岩长期强度

岩石长期强度是岩石在长期荷载下能保持稳定的最大应力。应力 大于长期强度时岩石内部裂纹扩展、连通导致岩石发生蠕变破坏。岩 石应力小于蠕变断裂韧度时，岩石内部孔隙和裂纹被压缩闭合，岩石 经历一定时间蠕变后保持稳定；当应力大于蠕变断裂韧度时，岩石颗 粒发生塑性流动，裂纹尖端不断扩展、汇合、贯通，最终岩石发生蠕 变破坏。由此，可认为岩石蠕变断裂韧度即是岩石的长期强度。岩石 蠕变断裂韧度与岩石黏塑性蠕变有密切联系，应力小于蠕变断裂韧度 时，岩石内部孔隙压缩闭合，岩石发生黏弹性蠕变；当应力大于蠕变 断裂韧度时，裂纹尖端发生塑性破坏，裂纹扩展，岩石发生黏弹塑性 蠕变。只要岩石应变保持稳定黏塑性蠕变速率增长，岩石经历相当长 的时间就必定会发生破坏。为此，本文提出以稳态黏塑性蠕变的阈值 应力(蠕变断裂韧度)为岩石的长期强度。

黏弹塑蠕变分析

岩石分级加载蠕变曲线见图5。从图5中可知：在低应力水平时， 岩石在应力作用下发生瞬时弹性应变ε₀，然后蠕变速率逐渐减小，经 历一段时间蠕变后，岩石蠕变速率减小至零，此阶段岩石仅发生黏弹 性变形ε_ce，岩石蠕变可表示为：

ε＝ε₀+ε_ce (5.2)

在高应力水平时，岩石首先发生弹性应变ε₀，然后蠕变速率逐渐 减小至稳定非零速率，此阶段岩石发生黏弹塑性蠕变，岩石蠕变可表 示为：

ε＝ε₀+ε_ce+ε_cp (5.3)

ε₀、ε_ce、ε_cp分别为瞬时应变、黏弹性蠕变和黏塑性蠕变。

将岩石的黏弹、黏塑性蠕变分离来研究岩石的蠕变特性，根据元 件理论可知岩石的黏弹性蠕变是与应力有关的函数，通过建立低应力 水平时岩石黏弹性蠕变与应力的函数关系，代入式(5.3)中，即可 将岩石的黏塑性蠕变分离。

黏弹性蠕变分析：

根据式(5.2)计算出炭质泥岩不同干湿循环次数作用下前4级 加载的黏弹性蠕变：岩石黏弹性蠕变随时间增加而增大，但蠕变速率 逐渐减小，最终保持稳定，其稳定值随轴压增加而增大。对于岩石的 黏弹性蠕变可用成熟的元件理论和经验模型进行描述，本文采用 Kelvin模型来拟合黏弹性蠕变，其模型方程见式(5.4)，拟合参数 见表3。

从表3中可知：不同干湿循环次数作用下炭质泥岩黏弹性蠕变模 型参数和是与应力有关的参数，通过最小二乘法拟合可得到黏 弹性蠕变模型参数的函数关系为:

参数a、b、c、d和e与干湿循环有关，其取值见表4。

表3

表4

将5～8级应力代入式(5.5)和(5.6)即可得到高应力阶段岩 石的黏弹性蠕变。可见，高、低应力阶段黏弹性蠕变变化规律相似， 都随轴压增加而增大，但蠕变速率逐渐小，最终保持稳定值。

黏塑性蠕变分析：

将黏弹性蠕变计算结果代入式(5.4)中，即可将黏塑性蠕变从 总应变中分离。干湿循环作用下炭质泥岩的黏塑性蠕变：干湿循环0、 3次的炭质泥岩试样在轴压26.26～32.26MPa时和干湿循6、9次的 炭质泥岩试样在轴压26.26～29.26MPa时，炭质泥岩黏塑性蠕变随时 间增加而增大，但增加的速率逐渐小，最终保持稳定速率增长；干湿 循0、3次的炭质泥岩试样在轴压35.26MPa时和干湿循6、9次的炭 质泥岩试样在轴压32.26MPa时，黏塑性蠕变保持短暂的稳定增长后， 出现加速增长，最后发生破坏。这是因为岩石在较大应力作用下颗粒 体塑性流动，导致颗粒结构胶结状态发生破坏，岩石内部裂纹保持稳 定扩展；当应力超过岩石断裂韧度时，裂纹之间相互贯通形成宏观裂 纹，岩石变形急剧增大，出现加速蠕变破坏。另外，干湿循环作用使 得岩石孔隙和裂隙大量增加，岩石有效受力面积减小，裂纹间相互贯 通所需的应力和时间减小。

长期强度分析：

稳态黏塑性蠕变法：

通过对炭质泥岩黏弹塑性蠕变分析发现：炭质泥岩在较低应力 时，只发生黏弹性蠕变或经历短暂的黏塑性变形后蠕变速率减小至 零，岩石始终能保持稳定；而应力超过蠕变断裂韧度时，岩石发生稳 态黏塑性蠕变增长或加速增长，随着颗粒体塑性流动，裂纹逐渐扩展、 连通形成宏观裂纹，岩石最终发生变形破坏。可见，岩石稳态黏塑性 蠕变的阈值应力即为蠕变断裂韧度。为此，可以通过建立稳态黏塑性 蠕变速率与应力的函数关系确定岩石长期强度。不同干湿循环作用下 炭质泥岩稳态蠕变阶段的黏塑性蠕变曲线。

稳态黏塑性蠕变与时间具有良好的线性关系，稳态黏塑性蠕变可 表示为：

t₂为稳态黏塑性蠕变结束时间，t₁为黏塑性蠕变稳态速率开始时 间，ε′_ce为衰减蠕变阶段的黏塑性蠕变，为稳态黏塑性蠕变速率。 稳态黏塑性蠕变速率与应力的函数。稳态黏塑性蠕变随轴压增大呈指 数增大，可表示为：

将黏塑性蠕变的阈值应力代入式(5.8)得到干湿循环0、3、6 和9次的炭质泥岩长期强度分别为26.47MPa，23.13MPa，20.52MPa 和18.95MPa。

等时曲线法：

等时曲线法是将不同加载应力作用下相同时间的应变绘制成等 时线，将等时曲线簇的拐点作为岩石的长期强度。不同干湿循环次数 作用下炭质泥岩蠕变等时曲线簇：随干湿循环次数增加，炭质泥岩的 等时曲线簇逐渐变稀疏；同一干湿循环次数下，随轴压增大，炭质泥 岩等时曲线簇由密变疏，并逐渐偏向应变轴，但等时曲线簇没有明显 的拐点。根据等时曲线的曲线变化规律主观判断干湿循环0、3、6和 9次的炭质泥岩长期强度分别为32.26MPa、29.26MPa、26.26MPa和 26.26MPa。

过渡蠕变法：

过渡蠕变法认为稳态蠕变速率为零的最大荷载应力即是岩石的 长期强度。利用ε_ce＝A[B-exp(Ct)]和ε_cp＝Dt拟合岩石蠕变黏弹性蠕变 和黏塑性蠕变。不同干湿循环作用下炭质泥岩各级加载下的蠕变曲 线，对应的拟合函数见表5。从表5中可知：过渡蠕变法只能确定岩 石长期强度的大致范围，干湿循环0、3、6和9次的炭质泥岩长期强 度区间范围分别为26.26～29.26MPa，23.26～26.26MPa，20.26～ 23.26MPa和17.26～20.26MPa。

表5

上述三种方法求得干湿循环作用下炭质泥岩的长期强度汇总见 表6。对比三种求解岩石长期强度的方法可知：等时曲线法的拐点并 不明确，通过主观估计确定岩石长期强度势必会引起较大误差；过渡 蠕变法确定岩石长期强度只能确定大致区间范围，并不能准确确定岩 石长期强度的具体数值；而本文提出的稳态黏塑蠕变速率法，通过建 立稳态黏塑性蠕变速率与应力的函数关系能准确确定岩石的长期强 度，且在过渡蠕变法确定岩石长期强度区间范围内，说明该方法确定 岩石长期强度是合理的。由此可见，稳态黏塑性蠕变速率可作为确定 岩石长期强度的一种方法。

表6

利用稳态黏塑性蠕变速率法确定干湿循环作用下炭质泥岩长期 强度见图7。从图7中可知：炭质泥岩长期强度随干湿循环次数增加 而减小，但减小的速率逐渐减小。因为干湿循环作用下炭质泥岩矿物 溶蚀，裂纹扩张使得岩石结构损伤劣化，随着干湿循环进行，岩石表 面可溶性矿物逐渐被溶蚀，水与可溶性物质接触难度增大，同时，随 着裂纹扩展，裂纹尖端能量逐渐释放，裂纹扩张动能和势能降低，炭 质泥岩劣化损伤速率减小。通过最小二乘法拟合得到干湿循环次数与 长期强度的关系为：

σ_∞＝-3.021ln(1+n)+26.78 (5.9)

由式(5.9)推算出：炭质泥岩经历5113次干湿循环后，长期强 度下降至0MPa，此时岩石失去承载力。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此， 一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行 进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅 用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式， 用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不 局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域 的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明 揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行 修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而 这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实 施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因 此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。