引水工程隧洞基巖不同加載方式下力學特征試驗研究

趙 楊

（江西省水利水電建設集團有限公司，江西 南昌 330200）

水利工程中巖石類材料常常是水工建筑地基、襯砌結構或支護體系的不可分割的主體[1，2]，研究巖石類材料力學特征，可為水利工程的建設提供重要基礎參照資料，極大豐富水利工程基礎研究成果[3，4]。為研究巖石材料力學特征，張榜等[5]、劉天為[6]、鄧華鋒等[7]利用離散元仿真手段，建立巖石的仿真模型，施加相應的荷載條件，并更改巖石材料模型組成顆粒參數屬性，分析不同外荷載、不同顆粒參數下巖石試樣的力學穩定性，揭示了巖石材料力學特征演化規律。當然，對于工程建設來說，通常巖石材料的力學水平探知主要通過現場原位試驗，較快地初步獲得巖體試樣的物理力學狀態，為工程調查提供重要基礎資料[8，9]。但不可忽視，現場原位試驗較為粗略，而仿真計算手段過于理想化，因而孟英峰等[10]、田芯宇等[11]、沈君等[12]采用室內試驗手段，設計開展了大理巖、砂巖等巖石材料的單、三軸力學加載試驗，分析了巖石材料的常規力學特征；但對于巖石材料的多類型加載方式，例如分級加載、循環加載等[13，14]，限于試驗條件等，研究涉及較少。本文根據贛江上游禾河擬建水利樞紐工程的引水隧洞灰巖力學特征問題，設計開展了常規三軸與分級加載破壞試驗，探討了灰巖試樣力學特征與破壞特性，為工程設計提供依據。

1 試驗概況

1.1 試驗背景

為提升贛江下游地區防洪排澇能力，特別是避免出現鄱陽湖平原地區汛期水位過高威脅地區防洪安全，因而考慮在贛江上游建設一水利樞紐工程，從上游地區限制水資源流量，確保贛江支流及中下游城防安全性。該水利樞紐工程位于贛西南贛江的禾河支流上，設計蓄水位為55 m，最大防洪水位為59 m，包括引水工程、蓄水庫、攔水大壩以及溢洪道等工程，其中蓄水庫建設庫容為13 億m3，可滿足地區內工業用水與生活用水需求，特別是可降低下游水位，最大防洪庫容超過6.8 億m3，按照100 a 一遇防洪標準建設防洪堤壩與溢洪道等設施。溢洪道堰頂高程為55.5 m，出水渠段總長為78.5 m，采用預制水工擋土墻結構作為兩翼，坡度為1∕2.5，溢流閘孔凈寬為4.6 m，底板厚度為0.6 m，每間隔3 m 布設1 個排水縫，縫寬為0.35 m，不論是出水渠還是泄槽邊坡均設置有防滲土工布，溢流閘門尺寸為3.6 m×4 m，整體溢洪道基礎均位于基巖上，沉降變形仿真計算可以滿足安全設計要求，不受隧洞開挖擾動影響。引水工程乃是發電廠房承擔水力發電的重要水工建筑，禾河水利樞紐工程預計安裝45 萬kW 機組，年發電量超過10 億kW·h，最大引流量可超過150 萬m3，可滿足吉安市部分地區近1.67 萬hm2農田灌溉，極大提升該樞紐工程水利功能。按照樞紐工程預計水利功能，需進行引水隧洞開挖，采用襯砌支護形式，確保開挖對基巖擾動影響降低至最小[15]。調查得知，隧洞內基巖體分布以灰巖與花崗巖為主，其中花崗巖完整性較好，監測數據表明微裂縫產生較小，受力擾動影響較小。目前工程設計部門主要考慮問題是引水隧洞內灰巖力學穩定性，其顆粒粒徑2～8 mm，局部有軟弱夾層，造成局部出現較大滑移裂紋，極大威脅著引水隧洞整體安全性。為此，本文針對禾河水利樞紐工程引水隧洞基巖體開展力學加載試驗研究，設計以常規三軸與分級加載2 種方式為研究手段，探討灰巖加載破壞力學特性。

1.2 試驗介紹

本試驗采用ST-RTS 巖石三軸試驗系統進行，該系統配備有液壓加載設備、數據監測采集設備以及實時控制系統，如圖1 所示。該試驗設備可適配不同尺寸、不同材質的巖石類材料力學加載試驗，耦合相應的氣壓測試裝置或液體滲流裝置，可完成多場耦合力學加載試驗。液壓加載設備可滿足該試驗系統最大軸向荷載1 000 kN，圍壓量程上限為80 MPa，力傳感器量程與試驗精度有關，最大荷載量程誤差不超過1%，加載平臺上可適應徑高比為1∕2、1∕2.5、1∕3等類型的圓柱體試樣，也可以完成立方體類的混凝土試樣試驗。數據監測系統包括試驗系統自帶數據監測與外接傳感器監測采集設備，其中系統內置數據設備可完成加載平臺位移、圍壓位移以及試樣體積位移等監測，外接數據采集設備精度更高，常作為數據分析主體，軸向位移量程為-15～15 mm，環向位移為-10～10 mm，所有外接數據采集傳感器均在試驗前完成標定，最大誤差不超過0.5%。試驗系統配備有程序實時控制系統，可精確控制試驗加載方式、加載進程等，且通過控制平臺可對試樣力學狀態進行監測，實時觀測試樣力學特征變化，為試驗進程提供參照。

試驗所用樣品均取自工程現場，在室內精加工、打磨后制備成直徑、高度分別為50、100 mm試樣，經24 h養護后測定每個試樣的物理參數。本文試驗分為兩部分，第一個類型試驗為常規三軸加載，測定圍壓0、5、10、15 MPa 下灰巖力學特征，試驗全過程均采用軸向變形控制加載，速率為0.02 mm∕min；第二個類型試驗為恒定圍壓分級加載試驗，每個試樣在施加圍壓后，分級施加軸向荷載，第一級荷載為該圍壓常規三軸峰值應力的60%，每一級荷載至目標值后穩定10 h，待環向變形穩定后按第二、三、四級目標峰值荷載的70%、80%、90% 加載，直至試樣發生失穩破壞，每一級荷載穩定過程中均記錄軸向、環向變形變化過程。

2 常規三軸加載力學特性

2.1 應力應變特征

對不同圍壓下試樣進行加載，獲得典型試樣常規三軸加載下應力應變特征，如圖2所示。

圖2 常規三軸加載下應力應變特征

從圖2可看出，4個圍壓試樣應力應變具有四階段特征，在第一階段壓密變形階段中，主要為試樣內部原始裂紋的擠壓閉合，此階段軸向應力具有“愈合”裂隙的作用，并不產生二次裂隙[16]。在彈性變形階段中，試樣應力應變為線性上升，圍壓愈大，則試樣線彈性變形階段增長斜率愈大，即彈性模量與圍壓為正相關，圍壓5 MPa下試樣彈性模量為35 GPa，而圍壓10、15 MPa 下試樣彈性模量較前者分別增大了23.5%、43.2%，表明圍壓愈大可提高試樣線彈性變形能力。分析認為，圍壓愈大，內部裂隙在線彈性變形階段本質上得到了束縛愈合作用，有利于巖體內部裂隙的閉合，使試樣整體線彈性特征更具效果。當超過線彈性變形階段試樣進入塑性變形屈服階段后，應力應變逐漸有所凸出，本質上與內部裂隙發育狀況有關，塑性變形階段試樣裂紋的發生根源乃是內部顆粒骨架的二次裂隙產生，力學加載造成的損傷作用具有不可逆性，內部顆粒骨架逐步擠壓、摩擦，最終在峰值應力處發生顆粒骨架的失穩、破壞。單軸下灰巖試樣的峰值應力為124.5 MPa，而圍壓5、15 MPa 試樣峰值應力較前者分別增長了23.1%、46.6%，即圍壓增大有促進峰值應力效果。在失穩破壞階段，各試樣均發生應力下跌現象，試樣均產生了貫穿性宏觀裂紋，無法滿足所需承載要求，進而加載應力降低。

分析4 個圍壓下試樣變形特征可知，低圍壓下試樣出現脆性破壞特征，各個試樣均出現應力快速跌落，但圍壓超過15 MPa 后出現延塑性破壞特征，峰值應力后應力下跌過程具有較長的塑性變形過程。從試樣環向變形特征可看出，各圍壓下環向應變在峰值應力前均低于軸向應變，以圍壓10 MPa 下為例，在加載應力100 MPa 時其對應的軸向應變為0.002 5，而環向應變較前者降低了52%；當處于該圍壓峰值應力時試樣軸向應變為0.005 7，而環向應變相比前者為增大趨勢，增幅為30.2%，即環向應變超過軸向應變時試樣臨近失穩破壞。筆者認為巖石顆粒的破壞本質上是內部顆粒骨架的失穩，而主骨架的失穩來自于礦物顆粒的膨脹與擠壓破裂，而三軸壓縮中軸向應力對巖石試樣的破壞主要產自膨脹變形，此種膨脹狀態在變形測量中即是環向位移，故當環向位移超過軸向位移時，顆粒發生破裂，此時試樣即進入破壞階段。

2.2 力學特征參數

根據對常規三軸應力應變數據處理，獲得不同圍壓下試樣三軸抗壓強度、最大應變以及峰值應變參數關系，如圖3所示。

圖3 試樣強度、應變參數變化關系

從圖3 可看出，抗壓強度與圍壓具有正相關，圍壓每增大5 MPa，強度平均增長13.8%。分析2 個應變參量與圍壓關系可知，除單軸壓縮下應變參數具有非一致性，三軸試驗中3個圍壓試樣的最大應變、峰值應變均隨圍壓為遞增變化，圍壓5、10、15 MPa下試樣的最大應變分別為0.005 8、0.006 3、0.014，而峰值應變分別為0.004 8、0.005 7、0.009 2，表明圍壓對灰巖試樣應變參量亦具有正相關促進作用。

3 分級加載力學特性

3.1 應力應變特征

根據分級加載試驗結果獲得不同圍壓下試樣應力應變特征，典型試樣在圍壓5、15 MPa 下應力應變特征如圖4所示。

圖4 試樣分級加載下應力應變特征

從圖4 可看出，當加載荷載處于較低水平時，如位于第一級—第三級荷載時，灰巖試樣整體應力應變效果并不理想，處于較低水平，圍壓15 MPa 下前三級荷載共產生應變量0.002 2，占試樣總軸向變形量的32.7%，即表明試樣的破壞大部分是由于峰值應力的90% 后荷載產生的。從環向應變與軸向應變對比可知，在加載級數處于較低水平時，兩應變參數隨圍壓變化關系并不顯著，但加載級數接近峰值應力的80% 后，當圍壓增大后，試樣環向應變增速高于軸向應變，圍壓5 MPa 下加載等級為峰值應力80% 時，穩定階段內試樣環向應變增長量為0.000 46，增幅為19.6%，而圍壓15 MPa 下同一等級環向應變增長量為0.011 2，增長幅度為69.6%；與此同時，圍壓5、15 MPa 下該等級穩定階段中軸向應變增幅分別為9.7%、77.3%。筆者認為，當圍壓增大后，試樣在接近峰值破壞應力時，塑性變形量在顆粒體橫向方向上更為顯著，導致試樣環向變形增量高于軸向變形。

3.2 分級加載特征

根據對各級加載應力階段應變分析，經數據處理獲得各級荷載下試樣應變時間效應，兩圍壓下各級荷載施加過程中應變特征如圖5所示。

圖5 分級加載下試樣應變與時間關系曲線

從圖5 可知，在較低加載應力水平下，試樣的變形僅為“初始應變—穩定應變”兩階段特征，在圍壓5 MPa、加載應力115.2 MPa 荷載以下，均出現了應變穩定階段，此時應變速率為常數，直至加載級數為應力129.6 MPa 時，出現了“初始應變—穩定應變—加速應變”三階段效應，表明低圍壓下試樣出現加速應變階段更為滯后，造成了前期試樣積累變形量會在后期加速變形階段發生劣化效應[17]。圍壓15 MPa 下試樣在第三個應力等級即應力160.2 MPa時就會出現加速應變，表明圍壓愈大試樣可承受分級加載數量減弱，試樣內部承擔穩定應變裂隙發育的能力亦降低。在破壞應力加載等級中，試樣環向應變均接近或超過軸向應變，圍壓15 MPa 下最后一個等級應力中環向應變達0.028 7，高于軸向應變0.002 84，進而試樣發生失穩破壞。筆者認為，在分級加載應力試驗中，環向應變與軸向應變間關系亦是評判試樣穩定性的重要指標參量。

4 結論

（1）常規三軸加載下灰巖試樣的彈性模量、峰值應力均與圍壓具有正相關關系，圍壓10、15 MPa 下試樣彈性模量較圍壓5 MPa 下分別增大了23.5%、43.2%；低圍壓下灰巖試樣峰值應力為脆性破壞特征，而在圍壓15 MPa 下為延塑性破壞特征；試樣最大應變、峰值應變均隨圍壓增大遞增，圍壓5、10、15 MPa下試樣的最大應變分別為0.005 8、0.006 3、0.014。

（2）分級加載破壞試驗中試樣變形產生主要來自于破壞加載應力等級階段，當圍壓增大后，加載等級在峰值應力80% 后的試樣環向應變增速高于軸向應變；較低加載應力等級中無加速應變階段，圍壓5 MPa 在129.6 MPa 荷載下才出現，圍壓增大后試樣可承受累計加載損傷減弱。

（3）在常規三軸加載與分級加載試驗中，試樣失穩破壞之時環向應變均接近或高于軸向應變，此兩應變參量關系可作為評判試樣穩定性的重要指標參量。