某公路隧道圍巖抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

趙小光

（山西省公路局 晉中分局，山西 晉中 030600）

0 引言

近年來，我國不斷推進(jìn)交通強(qiáng)國建設(shè)，公路迎來新一輪建設(shè)。我國公路隧道在規(guī)模、數(shù)量及復(fù)雜程度等方面都不斷進(jìn)步。隧道穿越斷層破碎帶，由于隧址處地質(zhì)情況不明且圍巖強(qiáng)度較低，施工時(shí)圍巖受到擾動(dòng)可能會(huì)發(fā)生事故。預(yù)知區(qū)域地質(zhì)狀況及圍巖力學(xué)性質(zhì)，能在隧道設(shè)計(jì)施工時(shí)提供參考，同時(shí)也能對(duì)可能災(zāi)害做預(yù)案，減少施工事故，降低建設(shè)成本。

點(diǎn)荷載試驗(yàn)最早可追溯到20世紀(jì)90年代國際上的《測(cè)定點(diǎn)荷載強(qiáng)度的建議方法》[1]。近幾十年來，巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)得到了越來越多專家學(xué)者的認(rèn)可和關(guān)注[2]。但還有一些方面各方學(xué)者沒有達(dá)成共識(shí)，針對(duì)這些方面去作進(jìn)一步研究，對(duì)點(diǎn)荷載試驗(yàn)的發(fā)展與應(yīng)用有著重要作用。學(xué)者對(duì)不同種類巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系做了較多試驗(yàn)，王祥厚[3]通過對(duì)不同巖石試件做大量點(diǎn)荷載試驗(yàn)，總結(jié)規(guī)律認(rèn)為點(diǎn)荷載試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)是可靠的，并提出了點(diǎn)荷載強(qiáng)度公式。張建明[4]對(duì)巖漿巖的點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，針對(duì)現(xiàn)存轉(zhuǎn)換公式，提出了更加精確的換算公式。付志亮[5]對(duì)煤層巖石進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得出對(duì)于強(qiáng)度較低的巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)易受影響，而對(duì)于強(qiáng)度較高的巖石試驗(yàn)值較為可靠的結(jié)論。蘇承東等[6]通過對(duì)煤樣進(jìn)行試驗(yàn)，得出規(guī)則試樣的試驗(yàn)結(jié)果更有效，同時(shí)點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度可以以某種參數(shù)換算。姚家李[7]通過大量試驗(yàn)，得出巖石的各向異性會(huì)對(duì)力學(xué)特性有較大影響，并提出了點(diǎn)荷載強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度在不同層理下的換算修正系數(shù)。周哲[8]對(duì)紅砂巖進(jìn)行試驗(yàn)，得出巖石的含水狀態(tài)與點(diǎn)荷載強(qiáng)度成反比的結(jié)論。

本文以現(xiàn)場(chǎng)收集的不規(guī)則巖塊試樣及鉆探巖芯試樣為研究對(duì)象，進(jìn)行大量點(diǎn)荷載試驗(yàn)及單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)規(guī)律得到隧道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)。

1 工程概況

依托工程是207國道左權(quán)至黎城界及南沁線左權(quán)桐峪至河北涉縣界公路新建工程的一座長(zhǎng)隧道，位于山西省左權(quán)縣橋上村，隧道軸線走向約200°。洞體左線全長(zhǎng)2 340 m，進(jìn)口段里程樁號(hào)為ALK33+705，進(jìn)口底板設(shè)計(jì)高程為1 035.48 m，出口段里程樁號(hào)為ALK36+045，出口底板設(shè)計(jì)高程為978.14 m，洞體最大埋深125.53 m，位于ALK34+800；洞體右線全長(zhǎng)2 225 m，進(jìn)口段里程樁號(hào)為ARK33+725，進(jìn)口底板設(shè)計(jì)高程為1 035.00 m，出口段里程樁號(hào)為ARK35+950，出口底板設(shè)計(jì)高程為980.45 m，洞體最大埋深121.14 m，位于ARK34+800。

隧址區(qū)地質(zhì)活動(dòng)較強(qiáng)烈，斷裂情況在該區(qū)較為普遍，地質(zhì)構(gòu)造多樣化。影響隧道安全建設(shè)的斷裂帶總共有6條，水文條件呈現(xiàn)出復(fù)雜化的特點(diǎn)，隧道施工至斷裂構(gòu)造帶或有地表水流的地段可能會(huì)發(fā)生涌水或坍塌等事故。

斷層破碎帶圍巖強(qiáng)度較低，穩(wěn)定性差，同時(shí)常伴隨有富水帶，提前對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)分析，了解其地質(zhì)情況是非常重要的。隧址區(qū)為山地地區(qū)，坡度較大，植被覆蓋率高。區(qū)內(nèi)主要山脈為東西走向，山脈海拔較高，溝谷深且狹窄，地勢(shì)起伏不平。隧道高程位于1.4 km到2 km之間，最高處與最低處高差近600 m。隧道進(jìn)出口地勢(shì)較陡，坡角大于45°。

隧道圍巖類型以片麻巖為主夾雜少量變粒巖，風(fēng)化程度為中風(fēng)化。

2 地質(zhì)勘探

隧道施工地段實(shí)地勘探結(jié)果揭示地層主要為：

a）第四系上更新統(tǒng)Q4dl+el灰黃色，精密-中密狀，粒度直徑范圍廣泛，次棱角狀，充填物為黏性土，含量約占到20%，勘察表明碎石粒徑處于2～6 cm范圍，最大粒徑為10 cm[9]。

b）中元古代郭莊組（Pt2g） 巖性主要為片麻巖，顏色主要呈現(xiàn)灰黃色或灰褐色，中粗粒、片麻狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，此地層礦物成分主要為黑云母、斜長(zhǎng)石等，巖層產(chǎn)狀為230°∠80°[10]。

從現(xiàn)場(chǎng)獲得的斷層破碎帶巖塊樣本，較破碎，顏色為灰褐色，裂隙發(fā)育，巖塊樣品如圖1所示。

圖1 破碎帶巖樣

隧道通過地區(qū)全段節(jié)理類型有兩種，風(fēng)化與構(gòu)造。其中有4組構(gòu)造節(jié)理影響較大，構(gòu)造節(jié)理密度為5～7條/m。風(fēng)化節(jié)理主要分布在地表淺層，呈無序狀態(tài)分布，規(guī)模不大，風(fēng)化節(jié)理的密度由上至下逐漸降低。節(jié)理的種類、分布狀況及張開程度與隧道圍巖的強(qiáng)度及承載能力有著很大的關(guān)系。節(jié)理增多會(huì)導(dǎo)致圍巖的完整性破壞，地下水也會(huì)通過節(jié)理裂隙滲透導(dǎo)致圍巖力學(xué)性能下降[10]。

選取2×6 m2的典型斷面對(duì)其中的節(jié)理數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，金屬類雜質(zhì)及硅類不計(jì)入，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果得巖體體積節(jié)理數(shù)為13條/m3。依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[11]，確定巖體的完整程度為較破碎。

節(jié)理產(chǎn)狀有三要素，走向、傾向和傾角。在隧址區(qū)使用地質(zhì)羅盤對(duì)節(jié)理的產(chǎn)狀進(jìn)行多次測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制節(jié)理走向玫瑰花圖，如圖2所示。

圖2 節(jié)理走向玫瑰花圖

由圖2可知，節(jié)理產(chǎn)狀在10°到30°內(nèi)的組數(shù)最多，各節(jié)理組數(shù)由2～12組不等。

3 試驗(yàn)方案

3.1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)方案

點(diǎn)荷載試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)不規(guī)則試件進(jìn)行加載，且試驗(yàn)儀器便于攜帶，操作簡(jiǎn)單，可現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。試件加載方式如圖3所示。

圖3 不規(guī)則試件加載圖

方案分為以下5步：

a）從隧址處選取不規(guī)則巖塊作為試驗(yàn)所需巖石試件，將15個(gè)分為一組。

b）試驗(yàn)開始前，測(cè)量試件的尺寸，并描述試件的狀態(tài)及構(gòu)造，選擇巖石較薄處作為加載位置。

c）將巖石試件放在點(diǎn)荷載儀中，并使加荷錐上下中心點(diǎn)對(duì)齊，保持加荷點(diǎn)位于試件中心位置。

d）給試件勻速施加荷載，直至試件破壞達(dá)到最大破壞荷載，測(cè)量斷面寬度并記錄。

e）試件破壞后，觀測(cè)試件形態(tài)，斷面兩側(cè)需連接到兩加荷點(diǎn)，且整個(gè)試件被破壞即為有效。圖4為點(diǎn)荷載試驗(yàn)試件加載圖。

圖4 點(diǎn)荷載試驗(yàn)加載圖

3.2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是由試驗(yàn)結(jié)果得到單位最大壓應(yīng)力R，由R計(jì)算出試件單軸抗壓強(qiáng)度。

方案分為以下5步：

在含水率相同的條件下，每3塊試件分為一組。巖芯直徑約為7 cm，高徑比控制在2～2.5范圍內(nèi)。試件做泡水或烘干處理，處理方式如圖5所示，處理目的是進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)。

圖5 試件浸水及烘干

a）準(zhǔn)備試驗(yàn)試件，每3塊試件分為一組。盡量控制試件的質(zhì)量接近以減小誤差。

b）在試驗(yàn)之前，對(duì)試件的外觀、構(gòu)造及狀態(tài)進(jìn)行記錄。

c）測(cè)量試件的高度及半徑，計(jì)算試件橫截面面積。

d）將巖石試件置于加荷臺(tái)，以0.9 MPa/s勻速加壓，當(dāng)試件開裂破壞時(shí)記錄此時(shí)的最大荷載。

e）對(duì)典型的破壞形式予以拍照記錄至試件全部破壞。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

點(diǎn)荷載試驗(yàn)試件破壞情況如圖6所示。

圖6 巖石試件破壞斷面圖

未修正點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)[12]：

式中：Is為未修正點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)，MPa；P為破壞荷載，N；Dc為等效巖芯直徑，mm。

不規(guī)則試件試驗(yàn)結(jié)果修正：

式中：m為修正指標(biāo)，一般取0.45。

借助式（4）換算得巖石單軸抗壓強(qiáng)度

所有試驗(yàn)試件取自隧道相同位置，力學(xué)性質(zhì)影響因素大致相同，同時(shí)在取得試件和試驗(yàn)準(zhǔn)備階段盡量避免人為干擾。點(diǎn)荷載試件尺寸如表1所示。

表1 試件尺寸表

等效巖芯直徑與破壞荷載的擬合曲線如圖7所示，由圖7可知，等效巖芯直徑與破壞荷載呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.93。

圖7 等效巖芯直徑與試件破壞荷載關(guān)系

不同含水狀態(tài)下試件點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，對(duì)修正點(diǎn)荷載求平均值，得3.08 MPa（干燥狀態(tài)）與1.73 MPa（浸水狀態(tài)）。將修正點(diǎn)荷載平均值換算為單軸抗壓強(qiáng)度，得52.84 MPa（干燥狀態(tài)）與34.34 MPa（浸水狀態(tài)）。由34.34/52.84=65%，得出吸水后巖石試件單軸抗壓強(qiáng)度衰減至干燥狀態(tài)下的65%。有部分浸水試件抗壓強(qiáng)度仍較高，說明節(jié)理裂隙大小及數(shù)量、加荷間距等也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。

圖8 修正后點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果

4.2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

把鉆探獲得的巖芯置于壓力機(jī)上，勻速加荷至最大承載能力而破壞。試驗(yàn)前，量取試件的直徑和高度如下：

干燥試件：d（cm）×h（cm），6.8×17.7，7.2×15.1，7.0×15.1，7.1×15.4。

濕潤(rùn)試件：d（cm）×h（cm），7.2×15.8，7.1×16.0，7.1×15.9，7.1×15.5。

試驗(yàn)后圓柱試件破壞情況如圖9所示。

圖9 圓柱試件破壞圖

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

據(jù)圖10結(jié)果，干燥試件中，1號(hào)試件的單軸抗壓強(qiáng)度最小為69.9 MPa，4號(hào)試件的單軸抗壓強(qiáng)度最大為174.7 MPa；1號(hào)和4號(hào)試件相比，1號(hào)試件高度較高而半徑略小，導(dǎo)致兩者單軸抗壓強(qiáng)度有差異。浸水圓柱試件與干燥圓柱試件相比強(qiáng)度普遍下降，但幅度不大。

圖10 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

通過對(duì)隧址區(qū)的地質(zhì)勘探及現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)及單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

a）圍巖以片麻巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差。區(qū)域節(jié)理較多，巖體較破碎。受斷層影響，隧址區(qū)地下水較為豐富，局部地區(qū)有涌水的可能。

b）點(diǎn)荷載試件表面積更大，吸水性更強(qiáng)，濕潤(rùn)狀態(tài)下試件平均單軸抗壓強(qiáng)度只有干燥狀態(tài)下的65%。節(jié)理數(shù)量及間距、試件厚度及加載間距會(huì)對(duì)點(diǎn)荷載強(qiáng)度造成影響。

c）圓柱試件表面積更小且表面光滑，吸水較少，故干燥和浸水狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度差異不大。圓柱試件單軸抗壓強(qiáng)度與濕潤(rùn)程度、高度和直徑有重要關(guān)系。