隧道圍巖非等卸荷量三軸蠕變試驗研究

杜春雷

(中鐵十九局集團第二工程有限公司, 遼寧 遼陽 111000)

0 引言

深部巖體多處于高地應力狀態下，自身存儲變形勢能較高，隧道開挖及地下工程等均可視為巖體能量的釋放過程。能量釋放的主要方向即為隧道等地下工程開挖后所產生的臨空面，因此隧道開挖是一個經典的形變能卸荷過程，此時巖石的抗拉能力遠小其抗壓能力，且隧道臨空面在卸載過程中的張拉變形在掌子面及洞周各個方向上是不同的，此原因是產生隧道圍巖失穩破壞的主要因素[1-2]。由于隧道的開挖方式與施工機械的差異使得隧道圍巖的卸荷情況不同，致使隧道圍巖出現不同的張拉破壞模式，如果不能及時對隧道圍巖進行有效支護，則有可能導致隧道圍巖發生塌落、巖爆等安全事故[3-4]。

為了安全、及時、有效地進行隧道開挖施工，對隧道圍巖開挖后的卸荷蠕變特性的研究勢在必行，部分國內外學者對此種情況下的巖石力學特性進行了試驗研究。盧自立等[5]通過卸荷蠕變試驗對變質砂巖在卸圍壓情況下的蠕變破壞規律進行了研究，結果表明該類巖石在峰前卸荷時表現為張剪性破壞模式，且隨著圍壓的逐漸增大，其脆性程度顯著降低。張雪穎等[6]基于能量理論對大理巖在卸圍壓條件下的能量特征及變形規律進行了試驗研究，結果表明，大理巖在高圍壓條件下更易發生破壞，且峰前卸荷較峰后卸荷表現出更明顯脆性；孔隙水壓對巖石的脆性破壞起到了促進作用，使巖石強度降低。

綜上分析可知，前人多在等卸荷量前提下展開試驗研究，而隧道開挖后圍巖體應力釋放所產的卸荷量在每一開挖內并不相同，因此，開展不同卸荷量條件下的分級卸荷蠕變試驗研究，對于隧道圍巖的卸荷蠕變破壞特性具有較大工程實際意義。本文通過對海棠山隧道砂巖進行非等卸荷量三軸卸荷蠕變試驗，研究分析該隧道砂巖的蠕變特性及變形破壞規律，為隧道支護與隧道開挖過程中圍巖的卸荷破壞特性分析提供可靠的試驗依據。

1 砂巖卸圍壓蠕變試驗

本文巖樣為采自海棠山隧道施工現場的致密砂巖，無裂隙、節理等天然缺陷，整體呈灰白色。試樣在現場粗加工后運至室內實驗室進行細加工，經切割、鉆孔取芯、打磨，最終加工出直徑50 mm、高100 mm的滿足國際巖石力學試驗標準的圓柱試件，見圖1(a)。通過X射線衍射儀對試樣檢測可知，本文所選砂巖的主要礦物成分包括：石英、長石、方解石和蒙脫石，同時還包含微量白云石、綠泥石、赤鐵礦等物質，巖樣粒徑為0.01～0.43 mm，干容重為28.74 kN/m3。

圖1 試驗儀器與試驗巖樣

為研究非等卸荷量條件下的砂巖卸荷蠕變力學特性，試驗均在MTS815.02多功能三軸伺服試驗機上完成。該試驗機是由美國生產的專門針對巖石類材料力學特性測試的多功能全自動伺服試驗機，具有獨立的圍壓、軸壓和孔隙水壓加載系統，同時試驗機可對試樣的軸向變形和徑向變形進行同步測量。通過MTS815.02多功能三軸伺服試驗機(見圖1(b))對海棠上隧道砂巖進行定軸壓卸圍壓蠕變試驗，在進行卸圍壓蠕變試驗之前先通過相應條件下的卸圍壓三軸壓縮試驗對每組試件所施加的荷載水平進行確定。

首先以特定加載速率對巖樣施加圍壓至預先設定值，為研究恒軸壓分級非等卸荷量卸圍壓砂巖的蠕變特性，待變形達到穩定后，對軸、側向變形進行清零，按200 N/s的加載速率施加軸向荷載。當荷載滿足第一級荷載水平且變形趨于穩定之后，施加圍壓至預定值并保持恒定，記錄此時軸向應變隨時間的分布規律，之后按試驗方案逐級卸圍壓，并保持卸圍壓過程中軸向荷載σ1不變，以此來實現如圖2所示的卸荷應力路徑。重復上述步驟，直至試樣失穩破壞。

圖2 恒軸壓分級卸圍壓應力路徑

本次恒軸壓分級卸圍壓蠕變試驗采用加載速率為200 N/s的荷載控制方式施加圍壓及軸壓至預定值，且以同樣的速率進行卸圍壓。為分析巖石在不同卸荷量下的蠕變變形規律，選取4組不同卸荷量進行試驗，試驗方案見表1。試驗結束以后，保存試驗數據。繪制各蠕變階段蠕變全過程曲線，其中σ1恒為60 MPa，σ3初始值為30 MPa。

表1 卸荷蠕變試驗方案 (單位：MPa)

2 試驗結果分析

圖3為非等卸荷量三軸蠕變試驗曲線。根據表1與圖3可知，試件S1～S4卸荷量等差比分別為2、3、5和10 MPa，圍壓隨卸荷量等差比逐漸減小，相同試驗條件下，瞬時應變量隨每級卸荷量Δσ3的增大而逐漸遞增，卸荷等差比越大，巖石進入加速蠕變前的蠕變時間越短，巖石失穩破壞后所產生的形變量越大，巖石破壞得更徹底。在恒軸壓卸圍壓蠕變試驗過程中，偏應力逐漸遞增，且隨著偏應力的逐漸增大，瞬時應變在加載瞬間顯著遞增，隨著第一級圍壓的卸載，瞬時應變增幅顯著降低，之后呈逐漸增大趨勢，巖石蠕變形變量先減小再增大，巖石蠕變變形量與瞬時應變的比值同樣先減小再增大，且卸荷等差比越大，巖石在失穩破壞時的應變值越大，最后一級蠕變的變形量越大。以試樣S1為例，在圍壓卸荷至第六級時巖石出現失穩破壞，破壞時圍壓約為3.7 MPa；在第一級荷載作用下，蠕變歷時約38.7 h，其軸向蠕變量占軸向瞬時應變的27.24%，徑向蠕變量占徑向瞬時應變的32.475%，二者差別較小，表明巖石在卸荷蠕變剛開始階段軸向與徑向變形差別不大，隨著圍壓逐級遞減，巖石軸、徑向蠕變量占瞬時應變的比值之差逐漸增大，在圍壓卸載至第五級荷載水平時，軸向、徑向蠕變量占瞬時應變的百分比分別為70.28%和91.364%，與三軸加載蠕變相比，在卸荷蠕變過程中巖石的變形能力明顯增強，且徑向變形能力要強于軸向變形能力。

圖3 不同卸荷量軸向、徑向卸荷蠕變曲線

根據圖3可得非等卸荷量條件下的瞬時應變與蠕變應變數據，見表2。表中ε0為瞬時蠕變，ε為蠕變應變。可知，隨著卸荷量的逐漸增大，巖石在蠕變過程中，瞬時應變與蠕變應變均逐漸增大。

表2 卸圍壓試驗結果(軸向)

以試樣S3為例，按照上述將時間劃分為t=0，2，4，8，12，16，20，24 h，繪制出等時應力-應變曲線，如圖4所示。由圖可知，加載初期巖石的軸向與徑向變形相差不大，幾乎在同一點集中，隨著時間的逐漸延長，應變變化量逐漸增大，隨著圍壓的逐漸減小，等時應力-應變曲線開始呈發散趨勢，且增幅顯著增大，同樣在前幾級荷載作用下，應變值逐漸趨于穩定，巖石經歷了衰減蠕變和穩定蠕變兩個階段，而在最后一級卸載荷載作用下，應變值逐漸增大，表明此時巖石開始進入加速蠕變階段，并逐漸失穩破壞。根據文獻[7]所指出的確定巖石長期強度的方法，取等時應力-應變曲線發散點對應的應力作為巖石的長期強度，由圖4可知，海棠山隧道砂巖的長期強度為45 MPa。

圖4 試樣S3等時應力-應變曲線

3 結論

(1)在相同試驗工況下，隨著每級卸荷量Δσ3的逐漸增大，其瞬時應變量也逐漸增大，隨著卸荷量等差比的逐漸增大，巖石進入加速蠕變的時間逐漸縮短，最終巖石破壞變形量越大，巖石破壞更徹底。

(2)恒軸壓條件下，隨著偏應力的逐漸增大，巖石瞬時應變在加載瞬間會產生一個較大應變值，隨著第一級圍壓卸載，其增長值與開始時相比，減幅度較大，隨著時間的延長，增長值逐漸趨于穩定；同樣，蠕變量及其與瞬時應變的比值同瞬時應變變化規律基本相同，且卸荷量越大，最終破壞應變值越大，最后一級蠕變量也越大。

(3)巖石在初始加載時軸向與徑向應變值波動較小，基本集中于某一定值，隨著時間推移波動逐漸明顯，且隨著圍壓逐漸卸載，應變開始逐漸發散，增幅顯著提升。