富水隧道砂巖單軸壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)研究

寧漢章

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

0 引言

在隧道修建過(guò)程中，水是不可避免的客觀環(huán)境因素[1]。對(duì)于富水隧道開挖后圍巖的力學(xué)特性研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題[2]。通過(guò)對(duì)于巖石在水環(huán)境下力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度、彈性模量均隨含水率增加逐漸減小，試樣含水率越高，其表面紅外輻射溫度隨時(shí)間的波動(dòng)越小[3-4]。

1 試驗(yàn)部分

試樣制備：本文巖樣為采自隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的致密砂巖，無(wú)裂隙、節(jié)理等天然缺陷，整體呈灰白色。試樣在現(xiàn)場(chǎng)粗加工后運(yùn)至室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行細(xì)加工，經(jīng)切割、鉆孔取芯、打磨，最終加工出直徑50 mm、高100 mm的滿足國(guó)際巖石力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱試件。通過(guò)X射線衍射儀對(duì)試樣檢測(cè)可知，本文所選砂巖的主要礦物成分包括：石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、方解石和蒙脫石，同時(shí)還含有微量白云石、綠泥石、赤鐵礦等物質(zhì)，巖樣粒徑為0.01～0.43 mm，干容重為28.74 kN/m3。

試驗(yàn)設(shè)備：本文為研究富水隧道砂巖的力學(xué)特性，對(duì)不同含水率砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)均在MTS815.02巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上完成。該試驗(yàn)機(jī)是由美國(guó)生產(chǎn)的專門針對(duì)巖石類材料力學(xué)特性測(cè)試的多功能全自動(dòng)伺服試驗(yàn)機(jī)，具有獨(dú)立的圍壓、軸壓和孔隙水壓加載系統(tǒng)，可對(duì)試樣的軸向變形和徑向變形進(jìn)行同步測(cè)量。

試驗(yàn)方法與試驗(yàn)方案：首先將制備好的試件全部放入烘干箱內(nèi)烘干，設(shè)置烘干箱溫度為104 ℃，時(shí)間為24 h。烘干完成后取出試件放于干燥皿中冷卻至室溫，稱重；對(duì)其中一部分試件進(jìn)行浸水處理，根據(jù)浸水試驗(yàn)方案(表1)，在不同時(shí)刻取出對(duì)應(yīng)編號(hào)試件，擦干表面后稱重，計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)刻試樣含水率；為避免試樣因水分蒸發(fā)而造成的試驗(yàn)誤差，稱重后的試樣立即進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，采用位移控制模式施加軸向荷載至試樣失穩(wěn)破壞，設(shè)置加載速率為0.2 mm/min。

為研究含水率對(duì)砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響，首先對(duì)砂巖試樣進(jìn)行吸水試驗(yàn)。不同時(shí)刻試樣含水率計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中：wt為t時(shí)刻試樣含水率；mt為t時(shí)刻試樣質(zhì)量，kg；m0為干燥試樣質(zhì)量，kg。

根據(jù)式(1)及浸水試驗(yàn)方案，計(jì)算得到不同時(shí)刻試樣含水率見表1，圖1為不同時(shí)刻試樣含水率隨時(shí)間分布曲線?？梢钥闯?，試樣含水率在初期變化明顯(0～18 h)，試樣吸水速率較快；隨著時(shí)間逐漸發(fā)展(18～36 h)，試樣吸水速率逐漸變慢，含水率變化逐漸趨緩；當(dāng)浸水時(shí)間大于36 h后，含水率逐漸趨于穩(wěn)定，試樣近似認(rèn)為達(dá)到飽和狀態(tài)。對(duì)含水率隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行擬合可知，二者滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律，擬合函數(shù)見圖1，擬合相關(guān)系數(shù)為0.9878。

表1 浸水試樣含水率

圖1 含水率隨時(shí)間分布曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線分析

圖2為不同含水率砂巖單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由圖2可以看出，不同含水率砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)大體相同，均可分為五個(gè)階段：(1)裂隙壓密階段，該階段曲線呈上凹狀，巖石內(nèi)部初始裂紋不斷被壓密，隨著含水率的逐漸增大，該階段逐漸弱化；(2)線彈性變形階段，該階段曲線呈斜直線狀，巖石內(nèi)部初始缺陷被進(jìn)一步壓密，但該階段不會(huì)產(chǎn)生新裂紋，卸載后變形能夠完全恢復(fù)，且直線段斜率隨含水率逐漸減??；(3)裂隙穩(wěn)定發(fā)育階段，該階段曲線開始逐漸偏離直線，巖石內(nèi)部開始產(chǎn)生新的細(xì)微裂紋，且隨著應(yīng)力不斷增加，裂紋密度逐漸增大，巖石開始出現(xiàn)塑性變形，但巖石整體結(jié)構(gòu)還能保持穩(wěn)定；(4)裂隙不穩(wěn)定發(fā)育階段，該階段曲線在上一階段變化的基礎(chǔ)上繼續(xù)偏離直線，呈上凸?fàn)睿瑤r石內(nèi)部裂紋快速擴(kuò)展、貫通，巖石局部出現(xiàn)破壞，產(chǎn)生不可逆變形，隨著應(yīng)力繼續(xù)增大，試樣達(dá)到其峰值強(qiáng)度；(5)峰后階段，該階段曲線迅速下降，巖石承載能力迅速減小，應(yīng)變迅速增大，試樣表面產(chǎn)生宏觀斷裂面，巖石破壞，該過(guò)程中可聽見巖石破裂時(shí)發(fā)出的清脆響聲。

圖2 不同含水率砂巖應(yīng)力—應(yīng)變曲線

根據(jù)不同含水率單軸壓縮試驗(yàn)得到砂巖試樣的峰值強(qiáng)度、彈性模量，如表2所示。

表2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

2.2 峰值強(qiáng)度與彈性模量分析

本文引入強(qiáng)度折減系數(shù)λσ和彈性模量折減系數(shù)λE來(lái)對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨含水率的弱化程度進(jìn)行定量分析，表達(dá)式如下：

(2)

式(2)中：λσ、λE分別為強(qiáng)度折減系數(shù)和彈性模量折減系數(shù)；σ0為干燥狀態(tài)砂巖試樣的峰值強(qiáng)度，MPa；σw為對(duì)應(yīng)含水率狀態(tài)砂巖試樣的峰值強(qiáng)度，MPa；E0為干燥狀態(tài)砂巖試樣的彈性模量，GPa；Ew為對(duì)應(yīng)含水率狀態(tài)砂巖試樣的彈性模量，GPa。

圖3(a)為峰值強(qiáng)度隨含水率分布規(guī)律，可以看出，峰值強(qiáng)度隨含水率增大逐漸減小。其中，干燥狀態(tài)下砂巖峰值強(qiáng)度為114.82 MPa，隨著含水率的逐漸增大(0.36%～2.39%)，峰值強(qiáng)度減小了5.10～11.35 MPa，減幅為4.65%～10.97%。當(dāng)含水率小于0.82%時(shí)，峰值強(qiáng)度降幅較大，當(dāng)含水率大于0.82%時(shí)，峰值強(qiáng)度降幅逐漸減小，當(dāng)含水率接近飽和時(shí)，峰值強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。根據(jù)強(qiáng)度折減系數(shù)隨含水率分布曲線可知，隨著含水率的逐漸增大，巖石強(qiáng)度折減系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，即巖石強(qiáng)度變化率逐漸減小，巖石強(qiáng)度逐漸趨于恒定值，且強(qiáng)度折減系數(shù)與含水率之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律，擬合公式見圖3(a)，擬合相關(guān)系數(shù)為0.9824，表明二者具有較強(qiáng)的相關(guān)性，且根據(jù)擬合公式可對(duì)任意含水率下巖石峰值強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)判。

圖3 峰值強(qiáng)度、彈性模量隨含水率分布規(guī)律

圖3(b)為彈性模量隨含水率分布規(guī)律。可以看出，彈性模量隨含水率增加逐漸減小。其中，干燥狀態(tài)下砂巖彈性模量為16.61 GPa，隨著含水率的逐漸增大(0.36%～2.39%)，彈性模量減小了0.52～1.39 GPa，減幅為3.23%～9.13%。當(dāng)含水率小于0.82%時(shí)，彈性模量降幅較大，當(dāng)含水率大于0.82%時(shí)，彈性模量降幅逐漸減小，當(dāng)含水率接近飽和時(shí)，彈性模量趨于穩(wěn)定。根據(jù)彈性模量折減系數(shù)隨含水率分布曲線可知，隨著含水率的逐漸增大，彈性模量折減系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，即彈性模量變化率逐漸減小，彈性模量逐漸趨于恒定值，且彈性模量折減系數(shù)與含水率之間滿足指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律，擬合公式見圖3(b)，擬合相關(guān)系數(shù)為0.9873，表明二者具有較強(qiáng)的相關(guān)性，且根據(jù)擬合公式可對(duì)任意含水率下巖石彈性模量進(jìn)行預(yù)判。

2.3 特征應(yīng)力隨含水率變化分析

為進(jìn)一步研究富水環(huán)境砂巖的力學(xué)特性，本文基于應(yīng)力—應(yīng)變曲線來(lái)確定各特征應(yīng)力具體值，并對(duì)各特征應(yīng)力值隨含水率分布規(guī)律進(jìn)行分析。典型應(yīng)力—應(yīng)變曲線及各特征應(yīng)力值確定方法如圖4(a)所示。

圖4 應(yīng)力—應(yīng)變曲線特征應(yīng)力示意圖及各特征應(yīng)力

(a) 應(yīng)力—應(yīng)變曲線及各特征應(yīng)力值示意圖; (b) 裂隙閉合應(yīng)力及應(yīng)力比; (c) 裂隙起裂應(yīng)力及應(yīng)力比; (d) 裂隙擴(kuò)容應(yīng)力及應(yīng)力比

圖4(a)中σcc為裂隙閉合應(yīng)力，對(duì)應(yīng)線彈性變形的起始值；σci為裂隙起裂應(yīng)力，對(duì)應(yīng)線彈性階段的結(jié)束值；σcd為裂紋擴(kuò)容應(yīng)力(或損傷應(yīng)力)，對(duì)應(yīng)裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展與不穩(wěn)定擴(kuò)展分界點(diǎn)，可通過(guò)體積應(yīng)變拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線來(lái)確定；σpk為峰值應(yīng)力(或破壞應(yīng)力)，對(duì)應(yīng)應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線峰值點(diǎn)。在巖石受壓破壞過(guò)程中，裂隙起裂應(yīng)力至關(guān)重要，本文基于LSR法來(lái)確定裂隙起裂應(yīng)力。首先，過(guò)應(yīng)力—軸向應(yīng)變曲線上擴(kuò)容應(yīng)力點(diǎn)A做水平線交應(yīng)力—徑向應(yīng)變曲線與B點(diǎn)，連接B點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)O得到割線BO，將對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)的應(yīng)力—徑向應(yīng)變曲線與割線BO相減，得到的差值即為L(zhǎng)SR值，再做LSR值隨應(yīng)力分布曲線，該曲線峰值點(diǎn)即對(duì)應(yīng)裂隙起裂應(yīng)力σci。

根據(jù)上述方法計(jì)算各特征應(yīng)力如圖4(b～d)所示，可以看出，各特征應(yīng)力隨含水率增加均逐漸減小，當(dāng)含水率達(dá)到2.39%時(shí)，砂巖試樣近似達(dá)到飽和狀態(tài)，其裂隙閉合應(yīng)力、裂隙起裂應(yīng)力及裂隙擴(kuò)容應(yīng)力分別為33.81、55.58和79.29 MPa，與干燥狀態(tài)相比分別減小了9.41%、9.34%和8.98%，各特征應(yīng)力與含水率之間均滿足負(fù)指數(shù)函數(shù)分布規(guī)律：

σ=y0+Aexp(-Bw)

(3)

式(3)中：w為巖石試樣含水率；y0、A、B為擬合參數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)確定。各特征應(yīng)力擬合結(jié)果如圖4(b～d)所示，擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.98，擬合效果良好。參數(shù)B表示各特征應(yīng)力隨含水率的衰減速率，由特征應(yīng)力擬合參數(shù)可知，裂隙擴(kuò)容應(yīng)力、裂隙起裂應(yīng)力、裂隙閉合應(yīng)力B值分別為0.98、2.22、2.30，表明砂巖裂隙閉合階段對(duì)水的作用更為敏感。根據(jù)圖4(b～d)可知，各特征應(yīng)力比隨含水率增加整體呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)含水率接近飽和時(shí)，應(yīng)力比逐漸趨于穩(wěn)定。

實(shí)際上，水對(duì)巖石的力學(xué)性能的影響還可以理解為巖石浸水時(shí)間對(duì)其力學(xué)性能的影響。根據(jù)前文含水率隨時(shí)間的分布規(guī)律可知，含水率與巖石浸水時(shí)間一一對(duì)應(yīng)，如：浸水時(shí)間為2 h時(shí)，砂巖試樣含水率為0.36%，對(duì)應(yīng)的裂隙擴(kuò)容應(yīng)力為83.86 MPa、裂隙起裂應(yīng)力為87.82 MPa、裂隙閉合應(yīng)力為35.25 MPa，與浸水時(shí)間為0 h相比，各特征應(yīng)力減幅分別為3.45%、5.09%和4.51%。通過(guò)計(jì)算不同時(shí)刻各特征應(yīng)力與干燥狀態(tài)比值可知，在砂巖試樣浸水時(shí)間為18 h時(shí)，各特征應(yīng)力減幅分別為8.07%、8.79%和8.62%；當(dāng)浸水時(shí)間為120 h時(shí)，即試樣達(dá)到飽和狀

態(tài)，各特征應(yīng)力減幅分別為9.41%、9.34%和8.98%，18 h內(nèi)的特征應(yīng)力減幅占總減幅的85.23%、94.20%和95.95%?？梢娫趲r石最初浸水時(shí)間18 h內(nèi)，其劣化程度顯著，其原因是由于，干燥砂巖試樣內(nèi)部孔隙相對(duì)較大，水分能夠快速?gòu)脑嚇颖砻孢\(yùn)移至試樣內(nèi)部，致使含水率迅速增大，巖石試樣的力學(xué)性能顯著下降。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)富水區(qū)隧道圍巖的變形破壞問(wèn)題，通過(guò)對(duì)不同含水率砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)來(lái)分析水環(huán)境下砂巖的力學(xué)特性分布規(guī)律，具體結(jié)論如下：

(1)砂巖含水率隨時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)遞增分布，浸水時(shí)間在0～18 h內(nèi)，試樣的含水率迅速增大，變化速率較快；浸水時(shí)間在18～36 h內(nèi)，試樣含水率緩慢提升，變化速率趨緩；當(dāng)浸水時(shí)間大于36 h時(shí)，試驗(yàn)試樣含水率逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)砂巖試樣峰值強(qiáng)度、彈性模量均隨含水率增加逐漸減小，含水率由0%上升至2.39%，峰值強(qiáng)度、彈性模量分別減小了10.97%和9.13%，二者折減系數(shù)均隨含水率逐漸增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，折減系數(shù)與含水率之間滿足指數(shù)函數(shù)分布。

(3)砂巖試樣的裂隙閉合應(yīng)力、裂隙起裂應(yīng)力和裂隙擴(kuò)容應(yīng)力均隨含水率逐漸減小，并趨于穩(wěn)定；砂巖試樣在裂隙閉合階段對(duì)水更為敏感；在巖石浸水初期(0～18 h)，砂巖試樣的裂隙擴(kuò)容應(yīng)力、裂隙起裂應(yīng)力和裂隙閉合應(yīng)力的降幅占總降幅的85.23%、94.20%和95.95%，試樣受水劣化程度顯著。