高地應(yīng)力作用下隧道圍巖三軸壓縮破壞機制分析

劉 賀

(中鐵十九局集團 第三工程有限公司, 遼寧 沈陽 110136)

0 引言

近年來,我國學者對處于高地應(yīng)力環(huán)境中巖體的力學特性研究成果頗豐.田洪銘等[1-2]對高地應(yīng)力環(huán)境中軟巖隧道巖石進行了蠕變試驗研究,基于巖石體積膨脹過程能量的耗散建立高地應(yīng)力巖石損傷蠕變本構(gòu)模型,同時田洪銘等還對圍壓在15～35 MPa條件下的泥質(zhì)粉砂巖進行了應(yīng)力松弛試驗,結(jié)果表明,巖石的應(yīng)力松弛主要包括衰減松弛階段和穩(wěn)定松弛階段.鄔愛清等[3]總結(jié)了近10年來深部巖石的試驗方法、復(fù)雜應(yīng)力路徑下的力學特征、高地應(yīng)力深部巖石的蠕變特征等相關(guān)問題,為今后進一步開展深部巖石力學工作指明了方向.陳景濤等[4]通過對拉西瓦花崗巖進行高圍壓下的真三軸試驗,結(jié)合幾種經(jīng)典的巖石強度準則,建立了考慮高地應(yīng)力作用的巖石強度準則.宮嘉辰等[5]基于波動方程,提出一種砂巖的縱波波速與高靜水圍壓之間關(guān)系的數(shù)學模型,通過真三軸試驗驗證了其推導(dǎo)模型的合理性.李斌[6]以鄂州花崗巖為研究對象,對其進行了不同圍壓條件下的三軸壓縮試驗,并根據(jù)試驗結(jié)果建立了考慮高圍壓條件的巖石強度準則.蔣海飛等[7-8]對砂巖進行了高圍壓高水壓三軸壓縮蠕變試驗,并基于Burgers模型建立了考慮高圍壓高水壓的砂巖蠕變模型.黃達[9]等通過對大理巖進行了不同卸荷速率及初始圍壓下的三軸卸荷試驗,并結(jié)合分形理論和能量損傷理論,分析了高圍壓卸荷條件下巖石的損傷破壞機制和能量耗散機制.丁長棟等[10]通過高圍壓高滲透壓致密砂巖三軸試驗,對其在不同圍壓下的滲流情況進行了研究.楊以榮等[11]為研究石英云母片巖的能量演化特征,對其進行了三軸卸荷試驗,從體積變形系數(shù)、能量比、能量變化率、能量應(yīng)力增量比等方面對石英云母片巖的能量演化特征進行了分析.

綜上,文章在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,通過常規(guī)三軸壓縮試驗中設(shè)置高圍壓來模擬巖石所處的高地應(yīng)力環(huán)境,分析高圍壓下砂巖的力學參數(shù)的變化特征,為工程實際提供可靠的理論依據(jù).

1 試驗介紹

1.1 試驗設(shè)備

本文隧道砂巖高圍壓三軸壓縮試驗均在MTS815.03剛性伺服試驗機上進行.該試驗系統(tǒng)是由加壓系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成,具備獨立的軸壓、圍壓、孔隙水壓和動載4套獨立閉環(huán)伺服控制功能.能夠進行巖石類材料的單軸、三軸、滲透等多種巖石力學試驗,且在加載過程中能夠任意切換加載控制模式,以滿足不同加載方式的需要.該系統(tǒng)的主要參數(shù)包括:壓力框架剛度為11.0×106kN/m,軸向輸出力范圍0～4 600 kN,圍壓范圍0～150 MPa,孔隙水壓范圍0～140 MPa.

1.2 試樣制備及試驗方法

本文試驗砂巖取自遼寧某在建隧道項目現(xiàn)場,經(jīng)XRD檢測可知,試樣的主要成分包括石英、長石、云母等.試樣的干密度范圍2.31～2.82 g/cm3,孔隙率范圍0.58%～0.74%,顆粒粒徑約為0.02～0.7 mm.為盡可能地保證試驗誤差在允許范圍內(nèi),試樣用砂巖試樣均取自同一完整巖塊.現(xiàn)場對巖塊進行粗加工后運至室內(nèi)實驗室,經(jīng)鉆孔、切割、打磨后,最終制得直徑50 mm、高100 mm的標準圓柱試樣.試樣尺寸誤差嚴格按照《水力水電巖石試驗規(guī)程》執(zhí)行,上下斷面誤差應(yīng)在±0.005 mm范圍內(nèi).制備好的部分試驗試樣見圖1.

圖1 砂巖試樣

試驗方法:首先將軸壓和圍壓以相同的加載速率(0.1 MPa/min)同時加載至預(yù)定值,待圍壓達到預(yù)定值后,保持不變,軸向應(yīng)力施加方法改為位移控制模式,加載速率為0.02 mm/min,繼續(xù)施加軸向荷載至試樣失穩(wěn)破壞,提取試驗數(shù)據(jù),取出破壞試樣拍照記錄,最后清理試驗臺進行下一組試驗.根據(jù)隧道實際埋深情況,本文擬設(shè)置圍壓分別為30、40、50、60 MPa,以此來揭示高圍壓作用下隧道圍壓的力學特性.

2 試驗結(jié)果分析

圖2為圍壓30 MPa和60 MPa下砂巖三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線.從圖中可以明顯看出:不同圍壓下砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律大體相同;隨著圍壓的增大,試樣的峰值強度、峰值應(yīng)變及彈性模量均呈逐漸遞增趨勢,峰后曲線逐漸由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化過渡,試樣逐漸由塑性轉(zhuǎn)變?yōu)閹r性.以圍壓30 MPa應(yīng)力-應(yīng)變曲線為例,砂巖三軸壓縮破壞大體可分為6個階段:微裂隙壓密階段、彈性階段、裂隙穩(wěn)定擴展階段、裂隙不穩(wěn)定擴展階段、峰后階段和殘余階段.以圍壓5 MPa為例,不同階段劃分情況見圖2(a).

(a) 圍壓30 MPa

(b) 圍壓60 MPa圖2 砂巖三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

微裂隙壓密階段I (OA):在加載初期,試樣內(nèi)部原始微裂隙、微缺陷逐漸被壓密閉合,試樣內(nèi)部孔隙逐漸減少,致使應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈上凹型變化,該階段內(nèi)徑向變形幾乎為零.

彈性階段II (AB):該階段內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為明顯的線性關(guān)系,即二者之間滿足虎克定律,該階內(nèi)無新增裂隙產(chǎn)生.

裂隙穩(wěn)定擴展階段III (BC):當軸向荷載達到試樣的起裂應(yīng)力時,試樣開始進入裂紋穩(wěn)定擴展階段,該階段內(nèi),新生裂隙與閉合裂隙保持平衡,應(yīng)力-應(yīng)變繼續(xù)保持線性關(guān)系.

裂隙不穩(wěn)定擴展階段IV (CD):當軸向荷載達到試樣的擴容應(yīng)力時,試樣開始進入裂紋穩(wěn)不定擴展階段,該階段內(nèi),新生裂隙增長速率開始大于閉合裂隙,應(yīng)力-應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性的上凸型,試樣內(nèi)部開始逐漸連接貫通,且該階段內(nèi)徑向應(yīng)變開始快速增大.

峰后階段V (DE):當軸向荷載達到峰值強度后,應(yīng)力-應(yīng)變曲線迅速跌落,試樣瞬間失穩(wěn)破壞,由于高圍壓作用,試樣具有較高的殘余強度.

殘余階段VI (EF):當軸向荷載隨軸向應(yīng)變的增長近似保持不變時,試樣進入殘余階段,在高圍壓作用下,破壞試樣仍具有一定承載能力.

為更加直觀地對比分析不同圍壓下砂巖的應(yīng)力應(yīng)變-曲線之間差別,將不同圍壓下的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線同時繪于圖3中.從圖中可以看出,隨著圍壓的逐漸增大,試樣的峰值強度、彈性模量、峰值應(yīng)變和殘余強度均呈逐漸增大趨勢.根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算砂巖的力學參數(shù)見表1.

圖3 不同圍壓下砂巖偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線

表1 試驗結(jié)果

由表可知,試樣的峰值強度、弾性模量、軸向峰值應(yīng)變、徑向峰值應(yīng)變均隨圍壓的增大而逐漸增大,泊松比則隨圍壓的增大而逐漸減小,這一點與前文得到的結(jié)論相同.當圍壓為30 MPa時,砂巖的峰值強度為236.26 MPa、軸向峰值應(yīng)變?yōu)?.00%,徑向峰值應(yīng)變0.32%,彈性模量為24.35 GPa、泊松比為0.187,當圍壓分別為40、50、60 MPa時,砂巖的峰值強度分別增長了10.41%、18.32%和22.17%,軸向峰值應(yīng)變分別增長了23.66%、29.58%和32.89%,徑向峰值應(yīng)變分別增長了42.86%、45.76%和48.39%,彈性模量分別增長了5.51%、7.63%和8.29%,泊松比則分別減小了3.31%、7.47%和10.65%,可見,圍壓對砂巖力學參數(shù)的影響程度依次為:峰值應(yīng)變>峰值強度>彈性模量>泊松比.

根據(jù)表中數(shù)據(jù),繪制砂巖各力學參數(shù)隨圍壓的分布曲線如圖4所示.采用Origin軟件對各力學參數(shù)隨圍壓的分布曲線進行擬合,發(fā)現(xiàn)各力學參數(shù)與圍壓之間均滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系,擬合參數(shù)均在0.95以上,表明各力學參數(shù)與圍壓之間具有較強的相關(guān)性.從圖中還可以看出,隨著圍壓的逐漸增大,各力學參數(shù)與圍壓之間的擬合曲線逐漸趨緩,擬合曲線斜率逐漸減小,表明高圍壓作用下各力學參數(shù)受圍壓影響程度逐漸減弱.原因是巖石試樣在圍壓作用下,內(nèi)部原始孔隙被壓密閉合程度,進而導(dǎo)致巖石材料更加致密均勻,因此在相同軸向應(yīng)力作用下其變形越小.但當圍壓增大至一定程度后,內(nèi)部孔隙已被充分壓密,繼續(xù)增大圍壓后試樣的壓縮變小逐漸減小,因此各力學參數(shù)變化曲線隨著圍壓的升高逐漸趨緩.

(a) 峰值強度

(b) 軸向峰值應(yīng)變

(c) 軸向峰值應(yīng)變

(d) 彈性模量

(e) 泊松比圖4 砂巖力學參數(shù)與圍壓之間關(guān)系

3 結(jié)語

在較高圍壓作用下,砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢與低圍壓下基本相同,隨著圍壓的逐漸增大,砂巖各力學參數(shù)均隨圍壓呈規(guī)律性變化,在高圍壓下,各力學受影響程度依次為:峰值應(yīng)變>峰值強度>彈性模量>泊松比.采用Origin軟件對各力學參數(shù)隨圍壓的分布曲線進行擬合,發(fā)現(xiàn)各力學參數(shù)與圍壓之間均滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系.