貫通節理砂巖峰后變形試驗研究及其在隧道支護中的應用

平 洋,李樹忱,汪 雷

(山東大學巖土與結構工程研究中心,山東濟南 250061)

貫通節理砂巖峰后變形試驗研究及其在隧道支護中的應用

平 洋,李樹忱,汪 雷

(山東大學巖土與結構工程研究中心,山東濟南 250061)

深部資源開發中地下硐室圍巖穩定控制必須面對峰后碎裂巖體的變形和破壞問題,但目前對峰值強度后的變形特征和強度特性研究不足,認識不充分,常導致大體積塌方、大變形等重大工程事故。采用RLW－1000型巖石三軸伺服剛性機對不同圍壓貫穿裂隙圓柱體標準試件進行常規三軸壓縮試驗,分析裂隙巖體在不同圍壓下裂隙巖體的峰后強度和變形特性。試驗結果表明:裂隙試件的峰值強度,殘余強度和峰值應變基本上是隨著圍壓的增大而增大;圍壓越小,裂隙巖石峰后擴容現象越明顯,巖石擴容隨圍壓增大而減小,且巖石可塑性和圍壓共同影響巖石擴容。結合試驗結果分析發現將峰后非連續體變形控制在殘余強度的初始階段,能以相對較低的支護阻力有效控制過高的破裂膨脹變形發生,保證隧道圍巖的穩定。

圍壓;峰后;隧道支護;三軸壓縮試驗;殘余強度;最佳支護力

巖石類材料的峰后力學行為一直是巖石力學研究領域的重點,也是難點之一?，F在已經有足夠的證據證實:巷道圍巖存在斷裂帶是普遍現象,巷道支護所涉及的對象正是這些處于峰后的破裂巖體,巷道地壓的顯現也正是峰后破裂巖體的力學表現。研究巖石材料在峰后力學行為對于指導巷道支護具有重要的意義[1－3]。

在20世紀五六十年代,Bridgeman和Handin就對剪脹進行過研究。之后,Brance等在高圍壓下做了系統試驗,并闡明了宏觀破裂之前出現微裂紋的過程[4]。W.R.Wawersik和Fairhurst對一些比較堅硬的巖石如砂巖等進行了峰后試驗和研究,提出了將巖石單軸壓縮試驗的全過程曲線峰值后特性分為“Ⅰ型”和“Ⅱ型”兩個基本類型,這種分類法似乎已成為被普遍接受的定論[5]。T.G.Joseph通過試驗得出了峰值強度與殘余強度的關系曲線,得到隨著圍壓的增大,峰值強度和殘余強度不斷增大[6]。Fang等在巖石三軸試驗基礎上,提出了強度退化指數的概念,利用強度退化指數可以較好地擬合巖石峰后強度試驗數據和圍壓的關系[7]。李曉[8]利用MTS電伺服巖石力學試驗機對煤礦頂板頁巖進行了峰后蠕變試驗,建立了巖石峰后的統計損傷模型。陳慶敏通過改造普通試驗機進行了巖石殘余強度與變形特性的試驗研究[9],研究指出,巖石的殘余強度與殘余變形不再是巖石材料的本質屬性,而是巖塊與巖塊之間的結構屬性。靖洪文等[10－11]分析不同圍壓下巖石應力－應變試驗中完整巖石強度、剪脹力及體積應變隨圍壓的變化情況規律,揭示了高應力作用下松動圈巷道圍巖大變形的力學機理,提出了破裂巖體圍巖與支護相互作用及最佳支護力位于“剪脹二期”初始點的新觀點。楊米加和賀永年[12]采用預先制裂的方法,即先使巖樣在單軸和三軸壓力下破壞,然后測試其隨荷載變形的特性,通過在伺服試驗機上進行巖石破壞后強度試驗,得出了巖石破壞后強度隨圍壓的增加逐漸由不穩定向穩定過渡的特性,并得出了巖石的二次峰值強度與初次破壞狀態的統計關系式。韓立軍認為破碎巖峰后呈現的是結構效應,并采用套管對試件加以環向約束,應用能量耗散原理對巖石全應力應變過程進行分析,對環向約束條件下巖石破壞后的結構效應和錨注加固特性進行了細致深入的研究[13]。楊超等[14]運用Hoek提出的由主應力圓包絡線確定黏聚力和內摩擦角等效數值的方法和曲線擬合的方法,研究了圍壓對軟巖峰后軟化特性的影響以及軟巖峰后宏觀物性參數的應變軟化規律。目前對于含有節理裂隙的巖體峰后變形特性影響三軸試驗的研究鮮有報道[15－16],由于巖石力學屬性的復雜性以及試驗設備、測試手段的限制,這方面的研究也一直是一個難點,而開展此類研究并將其應用到實際工程中具有一定的實際意義。

深部資源開發中地下硐室圍巖穩定控制必須面對峰后碎裂巖體的變形和破壞問題,而對峰值強度后的變形特征和強度特性研究不足,認識不充分,常導致大體積塌方、大變形等重大工程事故,為了充分了解破裂巖石本身的自穩性能,本文采用室內三軸壓縮試驗分析了在不同圍壓下砂巖的峰后特性,試驗結果可反映深部地下工程圍巖在不同支護所形成的結構性約束條件下的承載能力和穩定性。

1 室內三軸壓縮試驗

1.1 試件制備

試件選用高100 mm、直徑50 mm的標準圓柱形巖石試塊,如圖1所示(圖中β為加載面與節理面間的夾角,β的取值分別為30°和50°)。

圖1 含貫通節理的巖體受力分布Fig.1 The stress distribution of jointed specimen

試件采用標號425普通硅酸鹽水泥、砂子、水、減水劑按照1∶2.60∶0.35∶0.02的比例進行配比,在攪拌機中攪拌120次,然后再加水攪拌120次,攪拌均勻之后將混合材料放入制作好的模具中(為了達到制作直徑50 mm、高度100 mm的標準巖石試塊,由于取芯后還要上、下兩端打磨,所以矩形模具的尺寸也要做成稍微大些102 mm×102 mm×102 mm),然后在振動臺上振動150 s,振動之后的材料已經稍微有強度和一定的和易性,再用0.1 mm厚的薄鋼片沿著模具的刻槽插入預制出不同角度的裂隙,并在混合物初凝之前拔出薄鋼片。養護24 h后拆模,再養護28 d。

將養護好的試件用取芯機取芯,得出節理在中間的標準圓柱體巖石試塊(圖2)。再用打磨機將兩端打磨平整,得到含不同傾角預制貫穿節理的類巖石材料的標準試件。按照上述比例配置出的類巖石材料與現實工程中的砂巖較好地符合了相似理論的要求。通過一系列的試驗得出此材料制作的完整試件的物理力學參數見表1。

圖2 含貫通節理的巖石試件示意Fig.2 Schemes of jointed specimen

表1 模型材料和砂巖的物理力學參數測試指標Table 1 Physical-mechanical parameters of mortar sample and sandstone

1.2 試驗設備及加載條件

試驗采用山東大學RLW－1000型巖石三軸流變儀完成(圖3),其主要技術參數如下:

(1)加載系統:最大軸向壓力為1 000 kN,最大圍壓為50 MPa,測量精度為±2%。

(2)應變測量系統:最大軸向變形為8 mm;最大徑向變形為4 mm;測量精度均為±0.5%。適合試樣尺寸為直徑50～75 mm、高度100～150 mm。

圖3 RLW－1000伺服三軸壓力機及位移傳感器裝置Fig.3 RLW－1000 servo-controlling testing machine and schemes of displacement sensor

(3)數據采集系統:可以連續工作1 000 h;試驗中可以記錄環境溫度,實時記錄繪制應力、應變和時間關系曲線;并可以隨時輸出數據,以便深入分析。

2 試驗結果分析

整個試驗過程由計算機自動采集記錄應力－應變全過程,對每個節理傾角試件系列,進行了完全相同試驗條件的重復試驗,每個系列做出5個,選取中間值作為該角度的代表,則試驗結果見表2。

表2 貫穿裂隙試件三軸壓縮試驗結果Table 2 The test results of the fractured specimens under triaxial compression

2.1 圍壓作用下峰后巖石強度基本特性

對于巖石的強度特征,國內外很多學者[15－18]已進行了多方面的研究,但對峰值后巖石強度的基本特性研究較少。對于深部巷道圍巖支護來講,巖石峰值后強度特性又顯得尤為重要。

以傾角為30°和50°為例,分析圍壓對含貫通節理砂巖的峰值強度和殘余強度的影響,如圖4所示。擬合得到峰值強度和殘余強度與圍壓變化之間的函數關系如圖4中的實線(傾角為30°)和虛線(傾角為50°)。從圖中可知:

圖4 裂隙巖體強度與圍壓關系曲線Fig.4 Relationship between strength of fractured rock mass and confining pressure

(1)隨著圍壓增加,類砂巖峰值強度和殘余強度曲線呈非線性增大,隨著圍壓增加,類砂巖峰值強度的增大率逐漸減小,趨于平穩。當圍壓從0增加到3 MPa時,峰值強度提高了3倍;當圍壓從0增加到5 MPa時,峰值強度提高了3～4倍;0～10 MPa時,峰值強度提高了3～6倍;表明在低圍壓條件下,圍壓對其峰值強度影響較大。表明在圍巖未破壞前(未達到峰值強度時),圍壓對其強度影響較小。即峰值前圍巖不需支護,大量的彈塑性力學(連續體)研究成果充分證明了這一點[11,19]。

(2)隨著圍壓的增大,在不同傾角下類砂巖殘余強度的變化趨勢相似,增長幅度較大。當圍壓從0增加到10 MPa時,巖石的殘余強度約提高12倍。峰值后,巖石表現出對圍壓變化很敏感。圍巖破壞后,圍壓等價于破裂巖體所受的支護阻力,支護阻力可使其殘余強度提高。它實質上反映出圍巖松動圈內殘余強度在不同支護阻力下的值。當節理傾角為30°時,經擬合得到的圍巖殘余強度與支護阻力的關系式為σ0=－0.245 1σ23+8.117 9σ3+5.825 7;當傾角為50°時,圍巖殘余強度與支護阻力的關系式為σ0=－0.308 3σ23+7.962 8σ3+3.443 9。圍壓和節理共同影響著巖體的強度。所以對于深部巷道支護來講,從安全經濟角度出發,支護阻力或者說圍壓有一最佳值,可根據實際工程情況確定。

為了充分利用圍巖的自承力,在開掘巷道后應使安設支護的時間盡量推遲一些,這樣,才能達到通過變形釋放能量的效果和有利于減輕支護受載。但是為了保證安全,支護時間又不宜過晚[11,18]。

2.2 裂隙巖體應力-應變關系

峰值強度后的曲線揭示了巖石在強度峰值后仍具有承載能力的實質,雖然這種承載性在單軸情況下是不穩定的,但是對于地下巖石處于多向壓縮條件下,卻有重要意義[20]。全應力－應變曲線給巖石工程帶來了重要信息,利用巖石強度峰值后承載能力的觀念更是地下巖石工程穩定理論的重要部分。

巷道圍巖破壞后的主要變形特征是應變軟化,所以在此將三軸試驗得到的應力(σ1－σ3)－軸向應變(ε1)曲線分為3階段:峰前、峰后軟化階段、殘余強度階段。巖石應力－應變曲線峰前部分,巖石的力學性質一般較為穩定,在此將重點研究含貫穿節理類砂巖的峰后變形特性。在此以傾角為50°為例,分析地下裂隙巖體的力學特性。在不同圍壓條件下,裂隙巖體的應力－應變變化曲線如圖5所示?？梢钥闯鲈诓煌瑖鷫簵l件下,峰值應變隨著圍壓的增大而增大。

圖5 裂隙巖體應力－應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of fractured rock mass

彈性階段的泊松比μ的計算采用峰值強度前近直線段的ε3/ε1,分別采用采用軟化階段和殘余強度階段ε3/ε1來定義峰后軟化階段的試泊松比和殘余強度階段試泊松比。峰前徑向應變和軸向應變速率之比呈現近似線性關系,并且泊松比μ在0.20～0.25。在實驗過程中峰值點之后很短的時間內,側向應變ε3和軸向應變ε1之間的關系是非線性的,但其比值仍能從其曲線上取切線作為軟化階段試泊松比。圖6展示了不同圍壓下傾角30°的裂隙巖石試件在各個階段的泊松比,從圖中可以看出圍壓對裂隙巖石試件的峰前彈性階段泊松比影響非常小,而峰后軟化階段和殘余強度階段的ε3/ε1(試泊松比)隨圍壓的增大而減小,且變化較大,圍壓越小,裂隙巖石峰后擴容現象越明顯。在側向應變ε3快速增大,明顯大于軸向應變ε1的增長速率,表現為明顯的側向擴容。

圖6 不同圍壓下裂隙巖體各個階段的泊松比Fig.6 Poisson’s ratio of the various stages of fractured rock mass under different confining pressure

巷道的主要支護對象是圍巖的碎脹變形,支護的作用是限制圍巖松動圈形成過程中碎脹力所造成的有害變形。巖石在其承載能力達到峰值強度后破裂,破碎巖在峰后區將產生顯著的體積膨脹效應,表現為巖石擴容。把巖石擴容定義為:巖石在偏差應力作用下其體積由壓縮轉變為膨脹的轉折點起直到巖石破壞為止的體積增量[19]。因此,研究巖石擴容與支護作用力之間的相互關系是確定巖石穩定狀態的重要手段。在巖石力學室內試驗時,則表現為巖石擴容與圍壓的關系。

根據試驗得到試件的軸向和徑向應變,由εV= ε1+2ε3,計算得到試件的體積應變。體積應變是巷道圍巖收斂變形的原因。在不同圍壓條件下,裂隙巖體的體積應變變化曲線如圖7所示。結合圖5和7分析發現:隨著軸向應變的增大,體積應變首先表現為彈性壓縮;當巖石應力達到巖石峰值強度的1/2或2/3處時,體積應變由壓縮逐漸向膨脹過渡即擴容(巖石擴容起始點定義為在彈性收縮和體積擴容兩線性部分的交叉點),應力發生跌落;巖石擴容的起始點隨圍壓的增加所需要的軸向應變也增加;巖石擴容隨圍壓的增大而減小。從試件試驗結果中可以看出:當圍壓小于10 MPa時,峰后由破裂和破裂巖塊滑移引起的變形占總體積應變的90%～98%,而峰值前由彈塑性引起的變形量較小,占2%～10%。這再次說明巷道圍巖支護對象是巖石弱化及殘余強度段變形量。圍壓等價于破裂巖體所受的支護阻力,如果降低支護阻力至某一臨界值,圍巖則產生很大的變形量直至失穩,此時的臨界值就是維持巷道穩定的最小支護力[11,21]。

把巖石擴容線段與水平軸線夾角定義為擴容角θ,(圖7)則擴容角[21]可由以下表達式確定:

將εV=ε1+2ε3代入式(1),可以推導出擴容角與應變的關系式:

圖7 不同圍壓裂隙巖體應變－體積應變曲線Fig.7 Strain-volume strain curves of fractured rock mass under different confining pressure

3 硐室圍巖與支護相互作用機理分析

隧道圍巖與支護的共同作用,與圍巖狀態是密切相關的。一般開巷后應及時進行支護,但由于它在時間上的滯后性和支護與圍巖間存在一定量的“自然間隙”,因此,它對圍巖的彈塑性擴容變形起不到實質上的支護作用。巖石試件試驗結果證實峰值前(彈塑性階段)巖石體積應變處于壓縮狀態,峰值點基本為其轉折點[3]。圍巖破裂將使巷道穩定性降低,圍巖破裂范圍越大,圍巖穩定性越差,但地下工程與地面結構不同,圍巖破裂并不意味圍巖失穩。是否失穩取決于力能否平衡,圍巖破裂意味著圍巖處于峰值后巖石弱化或殘余強度段狀態(此時圍巖應力值很小),而且破裂圍巖仍然具有一定的承載能力[21－22]。認清這點有利于在客觀的基礎上研究支護問題。

通過試驗得到:圍壓越大,殘余強度越大,則破裂圍巖承載能力也越大。巷道主要支護對象是圍巖的破裂膨脹及破裂后巖石塊體非連續變形。巷道周邊附近圍巖松動圈(斷裂帶)的切向應力等價于巖石試件的殘余強度,徑向應力等價于巖石試件所受圍壓,也可以說破裂巖體所受的支護阻力。有效地利用圍巖的自承力,又保證圍巖不發生松動破壞,一個可行的辦法就是使巷道支護向圍巖提供一定的阻力,使圍巖在承受一定阻力時有限制地向巷道空間內變形[11]。

圖8為典型的硐室圍巖與支護結構共同作用的關系曲線,圖中p為支護力,u為圍巖變形;曲線a′b′c′d′是典型隧道圍巖的開挖過程的特征曲線,開挖后,圍巖應力急劇減小,后趨于平穩,變形逐漸增大;直線aa′,bb′,cc′和dd′表示支護結構的特征曲線,施加支護后,支護結構的抗力近似按線彈性增加。分析aa′,bb′,cc′和dd′曲線,可見支護結構的施作時間是圍巖和支護結構受力的重要影響因素之一,適當延后支護結構的施工時間可以充分發揮圍巖的自承能力,有效降低支護結構的受力;而施工不及時會導致圍巖的變形顯著增加,產生安全隱患;比較bb′和bc′曲線可知支護剛度也會影響相互作用的因素,在同等工況下,選擇支護剛度較低的柔性支護可以更大程度的發揮圍巖的自承能力[23－24]。

圖8 典型圍巖與支護結構相互作用的關系曲線Fig.8 The interaction relation curve of typical surrounding rock and supporting structure

因此將峰后非連續體變形控制在殘余強度的初始階段,能以相對較低的支護阻力有效控制過高的破裂膨脹變形發生,保證隧道圍巖的穩定。

4 結 論

(1)隨著圍壓增加,類砂巖峰值強度和殘余強度曲線呈非線性增大,峰值后,巖石表現出對圍壓變化很敏感。

(2)在不同圍壓條件下,峰值應變隨著圍壓的增大而增大;圍壓對裂隙巖石試件的峰前彈性階段泊松比影響非常小,而峰后軟化階段和殘余強度階段的泊松比隨圍壓的增大而減小,且變化較大。

(3)體積應變是巷道圍巖收斂變形的主要原因。圍壓越小,裂隙巖石峰后擴容現象越明顯,巖石擴容隨圍壓增大而減小,且巖石可塑性和圍壓共同影響巖石擴容。

(4)將峰后非連續體變形控制在殘余強度的初始階段,能以相對較小的支護阻力有效控制過高的破裂膨脹變形發生,保證隧道圍巖的穩定。

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Experimental study of post-peak deformation of sandstone with pre-existing transfixion joint and its application in tunnel support

PING Yang,LI Shu-chen,WANG Lei
(Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,China)

Stability control of surrounding rock of underground caverns in deep resources development must face the post-peak deformation and failure problems of cataclastic rock mass,but the research of the post-peak deformation and strength characteristics is insufficient at the moment,so often leading to the large volume collapse,large deformation and other major projects accident.The conventional triaxial compression test of pre-existing transfixion jointed rock cylindrical standard specimen was made by using RLW-1000 type triaxial servo rigid machine in order to study the postpeak strength and deformation characteristics of fractured rock masses in different confining pressures.The results show that the peak strength,residual strength and peak strain of the fractured specimens essentially increases with the confining pressure;The smaller the confining pressure,the more obvious post-peak expansion of fractured rock,rocks expansion with confining pressure decreases,and the combined of rock plasticity and confining pressure effect rock expansion.Combined with the test results analysis found that the post-peak discontinuous deformation control in the initial stage of the residual strength,and relatively low support resistance can effectively control the excessive rupture expan-sion deformation,to ensure the stability of tunnel surrounding rock.

confining pressures;pro-peak;tunnel support;triaxial compression test;residual strength;best supporting force

TD315;TD353

A

0253－9993(2014)04－0644－07

平 洋,李樹忱,汪 雷.貫通節理砂巖峰后變形試驗研究及其在隧道支護中的應用[J].煤炭學報,2014,39(4):644－650.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0498

Ping Yang,Li Shuchen,Wang Lei.Experimental study of post-peak deformation of sandstone with pre-existing transfixion joint and its application in tunnel support[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):644－650.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0498

2013－04－16 責任編輯:常 琛

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2010CB732002);國家自然科學基金面上基金資助項目(51179098);國家自然科學基金重點資助項目(51134001)

平 洋(1986—),女,湖北洪湖人,博士研究生。E－mail:pingyang.1019@163.com。通訊作者:李樹忱(1973—),男,教授,博士生導師,博士。E－mail:shuchenli@sdu.edu.cn