滲流作用下隧道圍巖的破壞機(jī)制分析

王 哲

(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

隧道作為公路建設(shè)的控制性工程,其圍巖的安全穩(wěn)定是整個(gè)項(xiàng)目順利竣工的關(guān)鍵.在隧道開(kāi)挖過(guò)程中,不可避免地會(huì)遇到涌突水情況.近年來(lái),關(guān)于地下水作用下巖石的力學(xué)特性研究成果頗豐.田坤云等[1]通過(guò)自行設(shè)計(jì)的真三軸滲流裝置對(duì)砂巖及煤巖試樣進(jìn)行了真三軸壓縮試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果掌握了在加水過(guò)程中試樣內(nèi)部的裂隙發(fā)育情況.雷華陽(yáng)等[2]對(duì)天津地區(qū)的黏土進(jìn)行了循環(huán)三軸滲流試驗(yàn),分析了動(dòng)載、滲流耦合作用下該地區(qū)黏土的力學(xué)特性.鄔愛(ài)清等[3]針對(duì)自然界中巖體結(jié)構(gòu)的多樣性,應(yīng)力環(huán)境的復(fù)雜性等多種因素影響的問(wèn)題,研制了水-力耦合作用下的真三軸裂隙三體三軸試驗(yàn)系統(tǒng),并成功對(duì)玄武巖進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用,取得了較為理想的試驗(yàn)結(jié)果.張培森等[4]采用Rock Top多場(chǎng)耦合試驗(yàn)儀對(duì)紅砂巖進(jìn)行了不同溫度及滲透壓下的三軸壓縮試驗(yàn),分析了不同試驗(yàn)條件下砂巖的力學(xué)特性.

本文針對(duì)滲流作用下隧道圍巖的力學(xué)特性展開(kāi)研究.以遼寧某在建公路隧道為工程背景,對(duì)該隧道砂巖進(jìn)行三軸壓縮滲流試驗(yàn),分析不同圍壓及滲透壓作用下巖石的力學(xué)特性及滲透特性,為實(shí)際工程提供可靠的理論依據(jù).

1 試驗(yàn)方法及流程

1.1 試驗(yàn)儀器

本文隧道砂巖三軸壓縮滲流試驗(yàn)均在中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自主研制的多功能巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)上完成.該系統(tǒng)由圍壓、軸壓和滲透壓3套獨(dú)立的控制模塊組成,能夠提供最大軸壓600 MPa,最大圍壓60 MPa,最大滲透壓60 MPa.該系統(tǒng)能夠進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),孔隙水滲透試驗(yàn)以及流固耦合試驗(yàn)等.試驗(yàn)過(guò)程中,整套系統(tǒng)可實(shí)時(shí)記錄荷載、位移、應(yīng)力、應(yīng)變以及滲透壓等試驗(yàn)數(shù)據(jù),并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線、荷載-位移曲線等.全自動(dòng)巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 全自動(dòng)巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 試樣材料及試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)巖樣均取自遼寧某在建公路隧道的完整砂巖巖塊.根據(jù)《水利水電工程試驗(yàn)規(guī)程》(SL264—2001),將完成巖塊進(jìn)行切割、鉆孔、打磨,最終制備成直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)試驗(yàn)試件.在制樣過(guò)程中應(yīng)盡量保證試件的端部平整度和柱面的圓滑度,盡可能減小試樣之間的誤差.制備好的砂巖試樣如圖2所示.

圖2 制備完成的砂巖試樣

根據(jù)隧道實(shí)際埋深及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地下水滲流情況,本文設(shè)置圍壓分別為5、10、15、20 MPa,滲透壓分別為2、4、6、8 MPa.具體試驗(yàn)步驟為

1) 試驗(yàn)前,將加工好的砂巖試樣進(jìn)行真空飽水處理,其中真空時(shí)間為10 h,飽水時(shí)間為5 h.

2) 用橡膠套對(duì)飽水后的砂巖試樣進(jìn)行密封處理,然后放入三軸壓力室內(nèi),依次安裝軸向位移計(jì),環(huán)向位移計(jì),同時(shí)將進(jìn)水口和出水口連接好.

3) 封閉壓力室,起動(dòng)液壓泵,對(duì)壓力室內(nèi)進(jìn)行充油排氣,待壓力室內(nèi)充滿液壓油后,采用力控制方式施加圍壓至預(yù)定值,加載速率為2.0 MPa/min,以同樣的方式施加滲透壓至預(yù)定值.

4) 上述步驟完成后,采用力控制方式施加軸壓至試樣失穩(wěn)破壞,設(shè)置加載速率為2.5 MPa/min,最后導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù),采集試樣破壞照片,清理試驗(yàn)機(jī).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

限于篇幅,文中僅給出滲透壓2 MPa,不同圍壓下和圍壓5 MPa、不同滲透壓下砂巖的三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖3所示.從圖3中可以明顯看出,砂巖試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征,不同試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均表現(xiàn)出典型的5階段特征,即微裂隙壓密階段、彈性階段,裂隙穩(wěn)定發(fā)育階段、裂隙非穩(wěn)定發(fā)育階段及峰后階段.相同滲透壓條件下,試樣的峰值強(qiáng)度隨圍壓的升高而逐漸增大,彈性模量逐漸增大.相同圍壓條件下,試樣的峰值強(qiáng)度隨滲透壓逐漸減小,彈性模量逐漸減小,說(shuō)明滲透壓對(duì)巖石的強(qiáng)度特性具有弱化作用.

(a) 滲透壓p0=2 MPa

(b) 圍壓σ3=5 MPa圖3 滲流作用下砂巖三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)滲透壓2 MPa,圍壓5、10、15、20 MPa下試樣的峰值強(qiáng)度分別為112.81、135.03、147.56、176.83 MPa,圍壓由5 MPa增至20 MPa,砂巖試樣的峰值強(qiáng)度增幅近60%,可見(jiàn)圍壓能夠顯著提升巖石的承載能力;當(dāng)圍壓5 MPa,滲透壓2、4、6、8 MPa下試樣的峰值強(qiáng)度分別為112.81、103.52、95.32、89.23 MPa,滲透壓從2 MPa增至8 MPa,峰值強(qiáng)度減幅近30%,可見(jiàn)滲透壓對(duì)巖石具有明顯的損傷劣化作用.

2.2 滲流作用下砂巖滲透率演化機(jī)制分析

通常情況下,在室內(nèi)三軸壓縮條件下巖石滲透率的測(cè)試方法主要包括2種,即穩(wěn)態(tài)法與壓力脈沖衰減法.其中,穩(wěn)態(tài)法適用于滲透率相對(duì)較高的巖石,而壓力脈沖法與之相反,該方法對(duì)于致密巖石具有較好的使用性[5].由于本文砂巖致密性較高,滲透性較差,因此采用壓力脈沖法來(lái)測(cè)試滲透率.

在砂巖三軸壓縮滲流試驗(yàn)中,首先圍壓應(yīng)達(dá)到預(yù)定值,過(guò)程中試樣內(nèi)部原生裂隙得到亞密閉合,且圍壓越大微裂隙閉合程度越高,試樣的滲透率越低.圖4為滲透壓2 MPa,不同圍壓下砂巖的滲透率、偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的分布曲線,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,圍壓5、10、15、20 MPa施加后,砂巖試樣的初始滲透率分別為2.46×10-19、1.90×10-19、1.48×10-19、0.96×10-19m2,圍壓由5 MPa升至20 MPa,砂巖的滲透率減小近60%,表明圍壓能夠顯著抑制巖石類材料的滲流特性.

圖4 滲透壓2 MPa,不同圍壓下砂巖偏應(yīng)力和 滲透率隨軸向應(yīng)變分布曲線

從圖4中還可以看出,隨著試樣所承受荷載的逐漸增大,試樣開(kāi)始進(jìn)入微裂隙壓密階段,滲透率隨荷載的增大呈逐漸減小趨勢(shì),原因是圍壓作用并未完全使試樣內(nèi)部微裂隙閉合,部分裂隙仍處于激活狀態(tài),隨著軸向荷載的施加,這部分裂隙開(kāi)始被壓密閉合,致使砂巖試樣的滲透率逐漸降低.隨著軸向荷載的不斷增大,試樣開(kāi)始進(jìn)入彈性階段,砂巖滲透率略有降低,但相對(duì)壓密階段降幅較小,原因是該階段試樣內(nèi)部裂隙進(jìn)一步被壓密,幾乎無(wú)新生裂隙產(chǎn)生.進(jìn)入裂隙穩(wěn)定發(fā)育階段后,隨著軸向荷載的增大,試樣的滲透率保持不變,原因是該階段壓密裂隙與新生裂隙共同存在,且二者的變化情況基本相同,此時(shí)試樣的滲透率達(dá)到最小值,圍壓從小到大,砂巖的滲透率分別為1.36×10-19、1.01×10-19、0.61×10-19、0.39×10-19m2,與初始滲透率相比,分別減小了44.72%、46.84%、58.78%和67.71%.伴隨著軸向荷載的繼續(xù)增大,試樣開(kāi)始進(jìn)入裂隙非穩(wěn)定發(fā)育階段,該階段內(nèi)砂巖內(nèi)部裂隙快速發(fā)育,閉合裂隙逐漸張開(kāi),最終導(dǎo)致滲透率逐漸增大.試驗(yàn)結(jié)束時(shí),不同圍壓下砂巖試樣的滲透率分別為7.05×10-19、9.66×10-19、12.21×10-19、15.37×10-19m2.

圖5為圍壓5 MPa,不同滲透壓下砂巖的滲透率、偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的分布曲線.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,在滲透壓分別為2、4、6、8 MPa時(shí),砂巖試樣的初始滲透率分別為2.46×10-19、2.61×10-19、2.78×10-19、3.03×10-19m2,滲透壓由2 MPa升至8 MPa,砂巖的滲透率增長(zhǎng)約20%,表明滲透壓的增大使得砂巖的滲透性增強(qiáng),滲透率逐漸升高,從而使試樣內(nèi)部孔隙逐漸增大,損傷劣化程度逐漸加深,最終導(dǎo)致砂巖承載能力下降.

圖5 圍壓5 MPa,不同滲透壓下砂巖偏應(yīng)力和 滲透率隨軸向應(yīng)變分布曲線

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn),圍壓和滲透壓對(duì)砂巖的滲透率影響較大,三軸壓縮條件下砂巖的滲透率變化特征與砂巖典型的五階段變化特征相互對(duì)應(yīng),即砂巖內(nèi)部的裂紋發(fā)育特征在微觀層面決定了滲透率演化特征,在宏觀層面決定了砂巖的力學(xué)特性.

3 結(jié)論

1) 同一滲透壓條件下,砂巖的峰值強(qiáng)度、彈性模量逐漸增大.同一圍壓條件下,砂巖的峰值強(qiáng)度、彈性模量隨滲透壓逐漸減小.說(shuō)明圍壓具有提高巖石抵抗變形的作用,而滲透壓則起到對(duì)巖石的弱化作用.

2) 同一滲透壓條件下,圍壓由5 MPa升至20 MPa,砂巖的滲透率減小近60%,表明圍壓能夠顯著抑制巖石類材料的滲流特性.同一圍壓條件下,滲透壓由2 MPa升至8 MPa,砂巖的滲透率增長(zhǎng)約20%,表明滲透壓的增大使得砂巖的滲透性增強(qiáng),滲透率逐漸升高,最終導(dǎo)致砂巖承載能力下降.

3) 不同試驗(yàn)條件下砂巖的滲透率隨軸向應(yīng)變的演化規(guī)律基本相同,與三軸壓縮條件下砂巖典型的五階段變化特征相互對(duì)應(yīng).