胡麻嶺隧道紅層軟巖的側(cè)限與三軸壓縮力學(xué)特性試驗研究

呂龍龍，廖紅建，伏映鵬，夏龍飛,2

(1. 西安交通大學(xué)土木工程系，陜西西安，710049；2. 陜西省土地工程建設(shè)集團自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西西安，710075)

蘭渝(蘭州—重慶)鐵路北起甘肅省蘭州市，南至重慶市，線路全長820 km。胡麻嶺隧道是蘭渝鐵路建設(shè)中的難點工程，位于甘肅省蘭州市榆中縣與定西市渭源縣交界處。該隧道穿越了第三系飽和富水粉細(xì)砂地層與甘肅紅層地區(qū)，地質(zhì)復(fù)雜，施工難度極大，施工風(fēng)險極高。本文主要針對穿越的紅層軟巖段進行研究。紅層軟巖富含黏土礦物成分、成巖時間短、膠結(jié)程度差，所以，該類軟巖遇水極易軟化、泥化、膨脹、崩解，且具有顯著的流變性。紅層軟巖特殊的工程性質(zhì)導(dǎo)致胡麻嶺隧道穿越紅層段在施工過程中出現(xiàn)了大量工程問題，如隧洞圍巖失穩(wěn)塌方、涌水涌沙、初支邊墻開裂、襯砌拱頂破壞等。

紅層在我國分布廣泛，總面積超100 萬km2，具有顯著的地域性[1]。巴東組紅層砂質(zhì)粉砂巖[2]的單軸抗壓強度為32～55 MPa，為三峽庫區(qū)紅層泥質(zhì)砂巖[3]單軸抗壓強度的3～4 倍，為成都紅層泥質(zhì)軟巖[4]的7～10 倍。三峽庫區(qū)紅層泥質(zhì)砂巖[3]峰值應(yīng)力受圍壓影響明顯，5 MPa圍壓條件下其峰值應(yīng)力是單軸壓縮條件下的3倍，胡麻嶺紅層軟巖[5]在5 MPa圍壓下的峰值應(yīng)力僅為單軸壓縮條件下的1.4～1.5倍。三峽庫紅層軟巖[3]在圍壓為5.0 MPa 時已經(jīng)出現(xiàn)明顯脆轉(zhuǎn)延特性，成都紅層軟巖[4]強度遠低于三峽庫紅層軟巖強度，但成都紅層軟巖在圍壓為5 MPa時依然呈脆性破壞。目前，有關(guān)紅層軟巖的擴容、能量轉(zhuǎn)化、側(cè)限壓縮特性的研究較少?，F(xiàn)階段已通車的西成(西安—成都)高鐵、成渝(成都—重慶)客運專線、成貴(成都—貴州)高鐵，以及在建的四川省川南地區(qū)的城際鐵路、渝昆(重慶—昆明)高鐵、成自(成都—自貢)高鐵、成達萬(成都—達州—萬州)高鐵等均不同程度地穿越了紅層地區(qū)，因此，亟需對不同地區(qū)的紅層軟巖進行系統(tǒng)研究。

本文作者通過對胡麻嶺隧道紅層軟巖進行側(cè)限壓縮與常規(guī)三軸壓縮試驗，系統(tǒng)地分析該地區(qū)軟巖的力學(xué)特性，以期為穿越紅層的地下工程提供參考。

1 試驗方案及結(jié)果

1.1 試驗方案

紅層軟巖取自胡麻嶺隧道DK80+450 m 標(biāo)段，埋深約220 m，為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)黏土巖，形成于上新統(tǒng)N2時期。通過X 射線衍射相分析試驗測得該類軟巖黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44.45%，硫酸鐵礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)約4%，其余為石英、方解石等礦物。三軸壓縮試樣直徑×長度為50 mm×100 mm，側(cè)限壓縮試樣直徑×長度為30.4 mm×40 mm。試樣制備要求[6]如下：兩端面不平行度誤差小于等于0.05 mm；高度與直徑的誤差小于等于0.3 mm；端面垂直于試樣軸線的偏差小于等于0.25°。

考慮到現(xiàn)有壓縮儀無法滿足本文試驗要求，同時，GUTIERREZ 等[7]的研究表明高圍壓下可忽略試樣尺寸效應(yīng)對結(jié)果的影響，因此，可以通過縮小試樣受力面積來增大加荷壓力。對YS-1 型壓縮儀進行改裝，可以得到新設(shè)計的壓縮容器，見圖1。新壓縮儀的加荷范圍為0～16.5 MPa。三軸壓縮試驗采用MTS-815 電液伺服剛性試驗機，見圖2。選用液壓油進行圍壓加載，為防止破損巖土材料污染液壓油，試樣由熱塑管緊密包裹，且試樣上下端分別放置墊塊。采用直線引伸計(LVDT)與鏈?zhǔn)江h(huán)向引伸計(CEE)采集試樣軸向與環(huán)向應(yīng)變。

對巖石進行側(cè)限壓縮的試驗方法主要包括等應(yīng)變率側(cè)限壓縮法與分級加荷側(cè)限壓縮法2類。為消除應(yīng)變率對壓縮特性的影響，本文選用分級加荷側(cè)限壓縮法分別對BG-01 和BG-02 試樣進行試驗。加荷等級為0.20，0.40，0.80，1.65，2.48，3.72，5.37，7.85，11.60 和16.50 MPa，每級荷載作用時間為24 h。三軸壓縮試驗所選圍壓σ3為0，2，4，5，6，8和16 MPa，每組圍壓至少取3個平行試樣進行試驗，若試樣結(jié)果差異較大，則增加試樣數(shù)。試樣先施加圍壓至設(shè)定壓力，待壓力穩(wěn)定后，開始施加偏應(yīng)力。參考文獻[8]，本文采用控制軸向位移式加載，加載速率為0.002 mm/s。

1.2 試驗結(jié)果

試樣的孔隙比為e，豎向應(yīng)力為P。將側(cè)限壓縮試驗獲得的數(shù)據(jù)繪制于ln(1+e)-lgP雙對數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)，如圖3所示。三軸壓縮試驗得典型的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4(其中，負(fù)應(yīng)變?yōu)闄M向應(yīng)變且有εx=εy，正應(yīng)變?yōu)檩S向應(yīng)變εz)，典型的試樣破壞形態(tài)見圖5。

2 側(cè)限壓縮試驗結(jié)果分析

孔隙比e與豎向應(yīng)力P在雙對數(shù)ln(1+e)-lgP坐標(biāo)系內(nèi)具有良好的雙折線相關(guān)性，與對紅黏土[9]和Ariake 黏土[10]等的研究結(jié)果一致。由雙折線法[11]可知：2條線段的交點為先期固結(jié)壓力，交點前半段為彈性線性段，后半段為塑性線性段，可見先期固結(jié)壓力即為在側(cè)限壓縮條件下土體的初始屈服應(yīng)力。針對具有不同成巖作用的沉積巖，NYGARD 等[12-13]通過確定土體先期固結(jié)壓力的方法對不同地區(qū)的巖石進行研究，均得到了類似先期固結(jié)壓力的特征應(yīng)力，為區(qū)別于土體先期固結(jié)壓力，將其命名為名義先期固結(jié)壓力。巖石的名義先期固結(jié)壓力不僅受到歷史最大豎向有效應(yīng)力影響，而且受成巖作用(包括膠結(jié)、交代、結(jié)晶、淋濾、水合和生物化學(xué)以及地質(zhì)構(gòu)造等作用)的影響[12]。因此，巖石的名義先期固結(jié)壓力即為在側(cè)限壓縮條件下，成巖作用與上覆土層豎向有效應(yīng)力共同作用的初始結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。

由雙折線法可得BG-01 和BG-02 的名義先期固結(jié)壓力P~C分別為4.406 MPa 和4.574 MPa，這與文獻[14]中用卡薩蘭德數(shù)值作圖法獲得的結(jié)果接近。本文紅層軟巖的壓縮系數(shù)CC為0.033，初始孔隙比e0為0.196～0.213。相較于文獻[12]中的KBC頁巖、Valhall頁巖與North Sea頁巖，紅層軟巖的e0小于KBC 頁巖的e0(0.280)與Valhall 頁巖的e0(0.320)，紅層軟巖CC小于KBC頁巖的CC(0.060)與Valhall頁巖的CC(0.041)，紅層軟巖的CC與North Sea 頁巖的CC(0.010～0.027)相近，紅層軟巖的孔隙比與North Sea頁巖的e0(0.210～0.290)也相近。這主要是由于巖石越致密，其壓縮難度就越高，所以，對應(yīng)的壓縮系數(shù)就越小。相較于文獻[13]中的侏羅紀(jì)遂寧組和沙溪廟組泥巖、志留系龍馬溪組泥巖以及文獻[9]中的第四系紅黏土，胡麻嶺紅層軟巖的小于遂寧組泥巖、沙溪廟泥巖和龍馬溪組泥巖的(分別為11.21，24.62 和179.23 MPa)，大于紅黏土的(0.62 MPa)。這是因為巖土體經(jīng)歷漫長的地質(zhì)沉積作用后會形成顆粒間固化聯(lián)結(jié)，沉積時間越長黏結(jié)強度越高，巖土體結(jié)構(gòu)在側(cè)限壓縮條件下的初始屈服應(yīng)力也越大。

根據(jù)胡麻嶺隧道地質(zhì)勘查資料可知，取樣區(qū)域紅層軟巖為水平沉積，且成巖歷史上該區(qū)域未發(fā)生過大的地質(zhì)構(gòu)造變化以及抬升剝蝕。因此，可依據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，計算得埋深220 m處的最大豎向有效應(yīng)力為3.09～3.12 MPa[14]，為試樣名義先期固結(jié)壓力的67.6%～70.8%，遠小于試樣的。這與文獻[12-13]中的研究結(jié)果一致，這主要是因為成巖作用加強了巖土體的初始結(jié)構(gòu)強度。

3 三軸壓縮試驗結(jié)果分析

當(dāng)圍壓逐漸增大時，試樣由應(yīng)力-應(yīng)變軟化型向硬化型轉(zhuǎn)換。在低圍壓條件下，試樣達到應(yīng)力峰值時，應(yīng)力會迅速跌落；隨著圍壓增加，當(dāng)應(yīng)力到達峰值時，存在應(yīng)力屈服平臺(應(yīng)力穩(wěn)定，應(yīng)變不斷發(fā)展)，隨后其應(yīng)力緩慢跌落；隨著圍壓進一步增加，應(yīng)力會隨著應(yīng)變的發(fā)展而持續(xù)增加。在低圍壓下試樣滑裂面明顯且不規(guī)則，并伴隨多條次生裂縫；隨著圍壓增加，剪切帶單一、光滑且分布規(guī)則；在高圍壓下，試樣不再產(chǎn)生滑裂面，但有明顯的橫向膨脹，局部形成鼓狀，這與對松科二井砂巖[15]和辛置煤礦泥巖[16]的研究結(jié)果一致。依據(jù)文獻[12]可知胡麻嶺紅層軟巖在圍壓為0～4 MPa時呈脆性破壞，圍壓為5～8 MPa時呈半脆性破壞，圍壓為16 MPa 時呈延性破壞?，F(xiàn)有研究[17]將脆性破壞劃分在脆性區(qū)，半脆性破壞與延性破壞劃分在延性區(qū)，所以，本文紅層軟巖的脆-延轉(zhuǎn)化壓力為4～5 MPa。胡麻嶺紅層軟巖的脆-延轉(zhuǎn)化壓力與名義先期固結(jié)壓力接近，這與KBC 頁巖和KWC頁巖[12]的結(jié)果一致。

3.1 強度參數(shù)分析

定義應(yīng)力-應(yīng)變曲線軟化段曲率最大點為殘余應(yīng)力點，該點對應(yīng)的應(yīng)力為殘余應(yīng)力。各圍壓組試樣的峰值應(yīng)力與殘余應(yīng)力在τf-σ應(yīng)力空間內(nèi)的摩爾圓與擬合強度包線見圖6，其中，τf為抗剪強度，σ為作用在剪切面上的法向應(yīng)力。

由圖6 可見，在相同圍壓下，3 個平行試樣的摩爾圓均存在差異，這是因為在天然地質(zhì)歷史作用下形成的巖石產(chǎn)物均具有一定的離散性。脆性區(qū)試樣處于峰值應(yīng)力點時對應(yīng)的黏聚力c為2.913 MPa，對應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ為28.70°，而延性區(qū)試樣處于峰值應(yīng)力點時對應(yīng)的c為3.505 MPa，φ為20.51°；脆性區(qū)試樣處于殘余應(yīng)力點時對應(yīng)的c為0.214 MPa，φ為34.98°，而延性區(qū)試樣處于殘余應(yīng)力點時對應(yīng)的c為1.138 MPa，φ為25.14°。延性區(qū)和脆性區(qū)試樣處于峰值應(yīng)力點和殘余應(yīng)力點時的強度參數(shù)c與φ明顯不同，這與文獻[16]和[18]中的研究結(jié)果一致。脆、延性區(qū)試樣處于峰值應(yīng)力點時對應(yīng)的黏聚力均比在殘余應(yīng)力點時對應(yīng)的黏聚力大，而內(nèi)摩擦角均比其處于殘余應(yīng)力點時對應(yīng)的小。這是因為當(dāng)試樣達到應(yīng)力峰值點后，剪切帶區(qū)域內(nèi)膠結(jié)完全或者部分破壞，使得脆、延性區(qū)試樣在殘余應(yīng)力點時對應(yīng)的黏聚力更小。當(dāng)試樣到達峰值應(yīng)力點時，顆粒相對位置滑移較小，大部分顆粒間的摩擦力屬于靜摩擦力，內(nèi)摩擦角不能發(fā)揮其全部作用。隨著滑裂面的產(chǎn)生，靜摩擦?xí)騽幽Σ赁D(zhuǎn)變，內(nèi)摩擦角會不斷增大。脆性區(qū)試樣處于峰值與殘余應(yīng)力點時對應(yīng)的黏聚力均比延性區(qū)試樣的小，這是因為延性區(qū)存在應(yīng)力屈服平臺，在該階段試樣顆粒組構(gòu)不斷調(diào)整，以更緊密的方式重新排列鑲嵌，增加了黏聚力。同時，脆性區(qū)試樣達到峰值和殘余應(yīng)力點時對應(yīng)的內(nèi)摩擦角均比延性區(qū)試樣的大。

3.2 擴容特性分析

常規(guī)三軸試驗巖樣矩形微單元的體積增量ΔdV為

省略高階微量可得：

所以，軟巖試樣總體積應(yīng)變εv為

式中：V為試樣的體積；ε1和ε3分別為軟巖試樣的軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變。根據(jù)式(3)，對圖4中試樣的體積應(yīng)變進行計算，得到胡麻嶺紅層軟巖的體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線，見圖7。

由圖7可見，在不同圍壓下，紅層軟巖試樣均先發(fā)生壓縮而后擴容，擴容起始點(體積變形由減小到增大的轉(zhuǎn)折點)均發(fā)生在峰值應(yīng)力點前。隨著圍壓增加，破壞階段巖樣擴容應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)圍壓增加到16 MPa 時，巖樣幾乎不發(fā)生擴容現(xiàn)象，這與阿壩州理縣千枚巖[19]和白鶴灘玄武巖[20]的結(jié)果一致。這是因為巖樣內(nèi)部的粒間孔隙集聚、發(fā)展會產(chǎn)生峰前擴容；隨著偏應(yīng)力進一步增加，巖樣產(chǎn)生宏觀滑裂面，裂縫兩側(cè)的巖樣發(fā)生剪切滑移，從而形成峰后擴容，隨著圍壓增加，擴容起始點延遲，與峰值應(yīng)力點的軸向應(yīng)變差變大。當(dāng)試樣內(nèi)部出現(xiàn)微裂隙時，高圍壓條件使得微裂隙難以繼續(xù)發(fā)展，試樣可繼續(xù)承受更大的外荷載，擴容變形不易發(fā)生。同時，除0 MPa 圍壓組試樣外，其余圍壓組試樣擴容起始點所對應(yīng)的體積應(yīng)變均隨圍壓的增加而增加，這與文獻[20]的研究結(jié)果一致，但與文獻[19]的研究結(jié)果相反。這是因為擴容起始應(yīng)力會隨著圍壓增加而增加，對于孔隙比較大的玄武巖與紅層軟巖，試樣在擴容起始點承受的平均正應(yīng)力增加，其對應(yīng)的體積壓縮變形更大。

3.3 能量轉(zhuǎn)化分析

巖石在變形破壞過程中始終伴隨著能量的輸入、積聚與耗散。外荷載施加在巖樣單元的總應(yīng)變能U為

式中：σij為施加應(yīng)力；εij為對應(yīng)的應(yīng)變。由熱力學(xué)第一定律可得：

式中：Ud為單元耗散能，考慮到巖樣加荷時與外界交換的熱能很小，Ud主要用于巖樣內(nèi)部損傷與塑性變形[21]；Ue為單元存儲可釋放的彈性應(yīng)變能。

式中：為彈性應(yīng)變；E為彈性模量(取應(yīng)力-應(yīng)變曲線中直線段的斜率)；v為泊松比。為方便計算，本文進行如下假設(shè)：1)巖樣加荷過程中不與外界交換熱能；2)巖樣在施加靜水應(yīng)力階段為彈性變形，彈性模量為定值；3)同一批巖樣的材料參數(shù)泊松比v為定值。本文選取胡麻嶺紅層軟巖泊松比為0.4，根據(jù)式(4)～(7)，可計算圖4 中各試樣的總應(yīng)變能與耗散能，見圖8。

隨著圍壓增加，試樣吸收的單元總應(yīng)變能U與單元耗散能Ud均增加。當(dāng)試樣發(fā)生破壞，圍壓為16 MPa 時的U為無側(cè)限條件下的5 倍，圍壓為16 MPa 的Ud為無側(cè)限條件下的4 倍。無側(cè)限條件下試樣的耗散比U/Ud為0.995，圍壓為16 MPa 時試樣的U/Ud為0.821，這與硬質(zhì)大理巖[22]的結(jié)果一致。這是因為隨著圍壓增加，高圍壓抑制了試樣內(nèi)部裂隙的發(fā)展，破壞應(yīng)變能閾值增加，試樣存儲了更大的彈性應(yīng)變能，試樣的耗散比降低。高圍壓下試樣塑性變形更大，所以，Ud也越大。U-εz曲線在殘余應(yīng)力點出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折，但是隨著圍壓增加，轉(zhuǎn)折現(xiàn)象逐漸淡化。這主要是因為脆性區(qū)試樣到達峰值應(yīng)力點后，會迅速跌落至殘余應(yīng)力點，而高圍壓下試樣到達峰值應(yīng)力點后，應(yīng)力保持不變并產(chǎn)生一定的軸向應(yīng)變，之后應(yīng)力再緩慢跌落或者不再跌落。Ud-εz曲線在峰值應(yīng)力點與殘余應(yīng)力點處均出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，但隨著圍壓增加，其轉(zhuǎn)折點逐漸消失。這是因為脆性區(qū)試樣到達峰值應(yīng)力點后，會迅速貫通形成宏觀滑裂面，其耗散能主要為滑裂面兩側(cè)試樣摩擦產(chǎn)生的熱能，所以，耗散能在此段會急劇增加。延性區(qū)試樣滑裂面兩側(cè)試樣緩慢滑移或不產(chǎn)生滑裂面，試樣加載過程中一直伴隨著穩(wěn)定的塑性變形，所以，隨著圍壓增加，Ud-εz曲線的2個轉(zhuǎn)折點會逐漸淡化。

4 討論

由本文第2節(jié)分析可知，胡麻嶺紅層軟巖在側(cè)限壓縮試驗中獲得的名義先期固結(jié)壓力即為試樣在側(cè)限壓縮條件下的初始屈服應(yīng)力。軟巖典型的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常分為5 個階段：初始壓密變形階段、彈性變形階段、彈塑性變形階段、軟化變形階段和殘余變形階段。這5個階段由4個特征應(yīng)力點劃分，分別為閉合應(yīng)力點、初始屈服應(yīng)力點、峰值應(yīng)力點、殘余應(yīng)力點。對其三軸壓縮試樣的初始屈服應(yīng)力(應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段結(jié)束點)進行分析，發(fā)現(xiàn)在延性區(qū)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上很難找到彈性變形段，這說明隨著圍壓增加，延性區(qū)的試樣在施加圍壓階段產(chǎn)生了塑性變形，則其初始屈服面為一個閉合的帽子模型，這與文獻[23]中的研究結(jié)果一致。這可能是因為在施加圍壓階段，試樣剪切帶區(qū)域內(nèi)顆粒之間的部分膠結(jié)發(fā)生破壞，產(chǎn)生的礦物粉末增加了顆粒之間的潤滑作用，所以，脆性區(qū)試樣到達峰值與殘余應(yīng)力點時的內(nèi)摩擦角比延性區(qū)試樣的大。

本文采用帽子模型[24]擬合初始屈服應(yīng)力：

式中：p為平均主應(yīng)力；q為偏應(yīng)力；p0為初始屈服面與p軸的交點；ps為與初始結(jié)構(gòu)強度相關(guān)的擬合參數(shù)；M為臨界狀態(tài)線的斜率，在常規(guī)三軸試驗中，M= 6sinφ/(3 - sinφ)。將初始屈服應(yīng)力點繪制在p-q應(yīng)力空間中，結(jié)果見圖9。在該應(yīng)力空間中，常規(guī)三軸剪切試驗與側(cè)限壓縮試驗的應(yīng)力路徑qN和qC可分別表示為：

式中：K0為靜止側(cè)壓系數(shù)，其取值與歷史沉積環(huán)境相關(guān)。

名義先期固結(jié)壓力為側(cè)限壓縮應(yīng)力路徑與初始屈服面交點(pPC，qPC)的豎向應(yīng)力，則有

呂龍龍等[5]通過對干濕狀態(tài)紅層軟巖的脆-延轉(zhuǎn)化特性進行研究，發(fā)現(xiàn)脆-延轉(zhuǎn)化壓力PT=p0。因此，將式(11)代入式(8)，可得PT與關(guān)系：

由式(12)～(14)可得，軟巖脆-延轉(zhuǎn)化壓力與名義先期固結(jié)壓力的關(guān)系與巖石地質(zhì)歷史沉積環(huán)境和強度參數(shù)有關(guān)。

5 結(jié)論

1)正常沉積巖石的名義先期固結(jié)壓力均大于巖石歷史最大豎向有效應(yīng)力，這主要是由于成巖作用增大了巖土體的結(jié)構(gòu)強度。

2)紅層軟巖脆、延性區(qū)試樣處于峰值應(yīng)力點時對應(yīng)的黏聚力均大于其處于殘余應(yīng)力點時對應(yīng)的黏聚力，而處于峰值應(yīng)力點時試樣的內(nèi)摩擦角均比殘余應(yīng)力點時試樣的?。淮嘈詤^(qū)試樣處于峰值與殘余應(yīng)力點時對應(yīng)的黏聚力均比延性區(qū)試樣的小，但脆性區(qū)試樣處于峰值與殘余應(yīng)力點時對應(yīng)的黏聚力均比延性區(qū)試樣的大。

3)施加圍壓階段延性區(qū)試樣剪切帶區(qū)域內(nèi)顆粒的部分膠結(jié)已經(jīng)發(fā)生破壞，顆粒位置發(fā)生調(diào)整，試樣產(chǎn)生了塑性變形，初始屈服面為閉合的帽子模型。

致謝：本文部分試驗研究工作得到了西安交通大學(xué)宋麗副教授與中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司張?zhí)煊罡呒壒こ處煹闹笇?dǎo)與幫助，特此致謝！