砂巖層理構造對力學特性影響分析

汪俊波,孟陸波,劉天毅,陳海清

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都 610059)

引言

川藏鐵路是國家重點建設項目，其線路地質(zhì)條件極其復雜，需穿越眾多巖質(zhì)隧道，而巖石大多屬于非均質(zhì)材料，其中層狀巖由于其礦物多樣性、非均質(zhì)性以及特殊的結構形式，表現(xiàn)出明顯的各向異性，并且在軟巖隧道中，巖石具有一定的蠕變特征，為了確保隧道長期穩(wěn)定性，有必要對層狀巖石的各向異性及蠕變特征進行研究。

目前廣大學者在巖石蠕變特性試驗研究方面已有較多成果[1-7]，但對巖石各向異性蠕變特性還需要進行系統(tǒng)深入的研究。Dubey等[8]對3個不同層理角度鹽巖進行了單軸壓縮蠕變特性試驗，并對蠕變破壞模式進行了研究。王強等[9]對隧道圍巖的流變效應進行了分析。范慶忠等[10]在分級加載條件下對紅砂巖的蠕變特性進行了單軸壓縮蠕變試驗研究，觀察和分析了蠕變條件下巖石的彈性模量和泊松比的變形效應。熊良宵等[11]對綠片巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，對巖石瞬時應變、衰減蠕變持續(xù)時間和應變速率進行了分析。吳創(chuàng)周等[12]對層狀綠片巖試件進行單軸壓縮蠕變試驗，研究層狀巖石材料的各向異性蠕變規(guī)律。唐建新等[13]對層狀含水頁巖進行單軸蠕變試驗，表明層理角度和含水率對頁巖的蠕變特性均有較大影響。肖明礫等[14]對石英云母片巖進行三軸壓縮蠕變試驗，研究了石英云母片巖的三軸蠕變特性及其各向異性特性。

廣大學者對巖石的各向異性或蠕變特性進行了大量研究[15-17]，并取得了豐富成果。但是主要是采用單軸壓縮蠕變試驗，且多數(shù)只考慮了平行和垂直兩種層理情況，對層理角度考慮不太全面，在隧道工程中，巖體一般都是處于三向應力狀態(tài)，故研究三向應力作用下的多種層理角度巖石各向異性及蠕變特征對隧道工程的長期安全穩(wěn)定性有重要意義。

1 試驗方案設計

1.1 試樣制備

試驗所用的砂巖外觀為淺黃色，具有顯著的層理構造，主要由石英和長石礦物組成。根據(jù)SL264—2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》[18]，將從工程區(qū)取得的不同層理角度巖芯加工成直徑50 mm，高100 mm的圓柱體試樣，不同層理角度砂巖如圖1所示。

圖1 不同層理角度砂巖

1.2 試驗方法

試驗采用成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室的YSJ-01-00巖石三軸壓縮蠕變試驗機(圖2)。根據(jù)砂巖常規(guī)三軸試驗結果(表1)，采取常規(guī)三軸各組試樣峰值強度最低值的70%，分為至少5級，即設計三軸蠕變試驗的加載初始等級為10.1 MPa，并以10.1 MPa為等級逐級加載，注油并施加5 MPa圍壓，各級荷載保持約3 d，應變速率不變后再施加下一級荷載，加載直至試樣出現(xiàn)破壞為止。

圖2 巖石三軸壓縮蠕變試驗機

表1 砂巖常規(guī)三軸試驗結果

2 試驗結果分析

2.1 變形特征

圖3 層理角度0°試樣蠕變?nèi)^程曲線

圖3～圖7是蠕變分級全過程曲線，從圖中可以看出，蠕變分級全過程曲線為非線性階梯狀曲線，砂巖試件的應變量均隨荷載水平和時間的增加而增長，荷載增加時均有瞬時應變產(chǎn)生，壓力恒定時應變隨時間的增長而緩慢增加，表現(xiàn)出衰減蠕變階段和穩(wěn)定蠕變階段的特征，在破壞階段時，維持荷載恒定的時間較短，出現(xiàn)明顯的加速蠕變階段的特征，說明砂巖蠕變?nèi)^程包括瞬時彈性階段、衰減蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段和加速蠕變階段4個階段。

圖4 層理角度30°試樣蠕變?nèi)^程曲線

圖5 層理角度45°試樣蠕變?nèi)^程曲線

圖6 層理角度60°試樣蠕變?nèi)^程曲線

圖7 層理角度90°試樣蠕變?nèi)^程曲線

圖8和圖9分別是瞬時彈性應變-荷載關系和瞬時彈性應變疊加曲線。由圖8可以看出，曲線的整體變化趨勢是先降低，之后基本保持近水平線變化。由于試件內(nèi)部微裂紋壓密的影響，在施加第一級荷載時砂巖的瞬時彈性應變值明顯大于后面加載等級下的瞬時彈性應變值，層理角度30°、60°和90°試樣的初始瞬時彈性應變要高于其他兩組角度下的值，說明此3組試樣初期的內(nèi)部孔隙及節(jié)理微裂隙較多，在巖石剛受到荷載作用后，致使此部分孔隙和微裂隙被壓密，產(chǎn)生的瞬時彈性應變大于其他角度。由圖9可知，疊加曲線呈近似直線增加，瞬時彈性疊加應變隨著應力水平的增加而增加，呈近正比例關系增長。不同層理角度砂巖的瞬時彈性應變總量有所差異，瞬時彈性應變總量值(0°～90°)分別為：1.083%、1.365%、0.916%、1.066%、1.270%，最大值出現(xiàn)在30°，最小值出現(xiàn)在45°。荷載等級20～120 MPa的加載過程中，不同層理角度試樣的瞬時彈性應變增量沒有太大變化，如在50.92 MPa時，加載10.2 MPa過程中層理角度0°～90°瞬時彈性應變增量分別0.091%、0.107%、0.086%、0.096%、0.082%，增量值基本相同，沒有明顯變化，說明層理角度對瞬時彈性應變影響較小。

圖8 瞬時彈性應變-荷載關系曲線

圖9 瞬時彈性應變疊加曲線

圖10和圖11分別是蠕變應變-荷載關系曲線和蠕變應變疊加曲線。從圖10可以看出，曲線的總體變化趨勢是由起始的近水平線開始緩緩增加，直至某個荷載狀態(tài)時開始出現(xiàn)陡增，說明存在某個應力閥值，在低應力水平下，蠕變應變隨著荷載等級的增加，其增量變化不大，只有荷載超過這個閥值后才出現(xiàn)急劇變化，導致試樣發(fā)生了破壞。由圖11可知，蠕變應變疊加曲線隨著應力水平的增加而內(nèi)凹，相同作用時間下，荷載等級越高，蠕變應變量越大。隨著層理角度的增加，蠕變應變總量值分別為0.402%、0.315%、0.197%、0.382%、0.442%，在層理角度0°時應變最大，層理角度45°時應變最小，蠕變應變呈非線性關系，說明層理對巖石的蠕變應變有明顯的影響。

圖10 蠕變應變-荷載關系曲線

圖11 蠕變應變疊加曲線

2.2 蠕變速率特征

以層理角度90°砂巖為例繪制蠕變速率曲線，考慮到荷載級數(shù)過多可能導致圖形識別的問題，取20.37，61.12，101.86 MPa荷載條件下的蠕變速率為分析對象，如圖12所示。由圖12可以看出，隨著時間的增加，蠕變速率迅速降低，在低應力水平下蠕變速率逐漸降低至零，整個過程僅出現(xiàn)衰減蠕變階段，而隨著應力水平達到101.86 MPa時，蠕變速率降低到一定數(shù)值后趨于平緩，此過程表現(xiàn)出衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變階段，說明隨著應力的增加，剪切裂紋擴展加快，使蠕變速率增加。

因為在最后一級荷載下蠕變?nèi)A段都能充分地顯現(xiàn)，結合蠕變數(shù)據(jù)對層狀砂巖的穩(wěn)定蠕變速率進行統(tǒng)計分析可得，在最后一級荷載作用下，層理角度0°～90°砂巖的穩(wěn)定蠕變速率依次為0.033，0.254，0.109，0.296，0.260 mm/h。由圖13可以看出，隨著層理角度的增加，穩(wěn)定蠕變速率呈近“M”形變化，這是由于砂巖為層狀巖石，且順著層理方向的裂紋比較發(fā)育，并且有統(tǒng)一的方向性，因而巖石本身就具有明顯的各向異性特征，使不同層理角度的蠕變速率不同。

圖12 層理角度90°試樣應變速率與時間關系曲線

圖13 不同層理角度的穩(wěn)定蠕變速率關系曲線

2.3 強度特征

通過蠕變試驗，得到砂巖的蠕變峰值強度，取峰值強度一半時的應力應變比作為砂巖的蠕變彈性模量。巖石蠕變長期強度主要運用在長時間作用下巖石強度損失程度的評價[19-20]，根據(jù)等時曲線法得出不同層理砂巖的長期強度(表2)。從表2和圖14～圖18可以了解到長期強度值基本處于峰值強度的前一級等級，且它們比值在0.75～0.82；0°試樣和90°試樣強度幾乎一致，但二者在試驗中產(chǎn)生的變形量不同，導致二者之間的彈性模量有所差異，隨著層理角度的增加，蠕變彈性模量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，0°時取得最大值。

表2 層狀砂巖應力-應變曲線分析

圖14 層理角度0°試樣等時應力-應變曲線簇

圖15 層理角度30°試樣等時應力-應變曲線簇

圖16 層理角度45°試樣等時應力-應變曲線簇

圖17 層理角度60°試樣等時應力-應變曲線簇

圖18 層理角度90°試樣等時應力-應變曲線簇

圖19為長期強度與峰值強度和層理角度之間的關系曲線。從圖19可以看出，隨著層理角度的增加，砂巖長期強度呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，在層理角度為0°～30°時，長期強度變化較小，在層理角度為30°～60°時，長期強度迅速降低并在層理角度60°達到最低，之后隨著角度的增加，長期強度開始升高，峰值強度隨層理角度的變化規(guī)律呈現(xiàn)出近似的變化特點。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為巖石微層理面存在黏結強度，當應力水平超過微層理面強度時，層理角度45°與層理角度60°砂巖的部分軟弱微層理面處于拉伸應力狀態(tài)，而其他角度砂巖軟弱微層理面并不處于這種應力狀態(tài)，所以導致層理角度45°與層理角度60°砂巖整體強度降低，顯示出強度的各向異性。

圖19 強度和層理角度關系曲線

為了對巖樣各向異性進行描述，這里引入表示巖石的各向異性度

(1)

RC=σcmax/σcmin

(2)

式中，k為巖石彈性模量的各向異性參數(shù)，E平行為應力與層理面平行時的巖石彈性模量，E垂直為應力與層理面垂直的巖石彈性模量；Rc為巖石強度的各向異性參數(shù)，σcmax和σcmin為巖石峰值強度的最大值和最小值。當k、RC趨近于1時，說明越趨于各向同性，當k越偏離1，說明各向異性越顯著。通過采用公式對試驗k、RC值計算，得到其k值為1.21，RC值為1.83，表明本批次試驗砂巖各向異性顯著。

2.4 宏觀破壞特征

圖20給出了三軸蠕變試驗后層狀砂巖的破壞形態(tài)及素描圖，層理角度為90°時，出現(xiàn)以兩個主裂紋面的共軛剪切破壞，發(fā)生斜交層理面破壞；層理角度為60°時，以斜交層理面破壞為主，試樣有小碎塊從表面崩落；層理角度為45°時，以斜交層理面破壞為主，有張性裂紋出現(xiàn)，破裂面上有許多細小粉末；層理角度為30°時，以順層剪切破壞為主，主破裂面方向與層理面方向較一致，且試樣上部有小碎塊崩落；層理角度為0°時，以斜交層理面剪切破壞為主，主要破壞面有一個，試樣有小碎塊從表面蹦落；說明層狀砂巖破壞模式以剪切破壞為主，破裂模式也具有一定的各向異性。

圖20 蠕變試驗層狀砂巖的破壞形態(tài)及素描

3 結論

通過對不同層理角度砂巖的三軸蠕變試驗結果進行分析，得出以下結論。

(1)砂巖在三軸應力狀態(tài)下蠕變?nèi)^程包括瞬時變形、衰減蠕變、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變階段。

(2)隨著層理角度的增加，峰值強度、長期強度和彈性模量先減小后增大，穩(wěn)定蠕變速率呈“M”形變化。

(3)不同角度試件在試驗加載瞬間都出現(xiàn)瞬時軸向應變，在施加第一級荷載時瞬時軸向應變值最大。低應力水平下，變形以瞬時變形為主，隨著應力水平的增加，瞬時蠕變速率也相應出現(xiàn)了升高，蠕變應變也不斷增大，導致試樣最終發(fā)生了破壞。

(4)應力與層理的夾角不同，破裂模式不同，層理角度為0°，45°，60°，90°時，巖樣主要發(fā)生斜交層理面的剪切破壞，層理角度為30°時，巖樣主要發(fā)生沿著層理面的剪切破壞。

(5)高地應力環(huán)境下隧道易發(fā)生大變形災害，并且發(fā)生大變形的隧道大多數(shù)為層狀結構。研究普遍認為，地應力與層面夾角的關系是隧道大變形的影響因素之一。通過砂巖的三軸蠕變試驗，分析了層理構造對砂巖力學特性的影響，對隧道大變形的機理研究和大變形災害的防治具有一定的參考意義。