某地鐵車站砂巖三軸力學特性試驗分析

費廣清，宋廣輝，吳平

（1.安徽建工檢測科技集團有限公司，安徽 合肥 230031；2.安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230031；3.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031）

1 引言

地鐵車站等基坑開挖常遇到巖石地層，巖石的力學性質直接影響施工方案設計。如何準確獲取巖石力學參數、了解開挖區域巖石破壞特征對于設計、施工單位在選擇施工機械、施工工藝等過程極其重要。巖石的三軸試驗是室內準確獲取巖石力學參數的主要手段之一[1]，其獲得的粘聚力、內摩擦角、泊松比等物理力學參數能為車站基坑開挖提供有力的數據支撐。

國內外學者應用室內三軸試驗研究砂巖力學特性已取得了豐碩的研究成果，如姚華彥等[2]開展了干濕交替作用下砂巖的三軸壓縮試驗研究，分析了圍壓對砂巖峰值強度的影響，得出砂巖的峰值強度均隨著圍壓的增大而增大；吳平等[3]考慮水對砂巖的影響，開展了干燥與飽和狀態紅砂巖的力學特性；張駿[4]討論了兩種風化程度砂巖的強度特征和破壞特性；依托具體工程背景，陳小偉等[5]對眼前山鐵礦的磁鐵石英巖、綠泥千枚巖以及混合巖開展了三軸壓縮試驗，分析各巖樣的力學特性；余莉等[6]針對蘭州市某超高層建筑通過三軸試驗獲取砂巖剪切強度參數，分析基坑開挖引起周圍力學性質變化規律；劉海壯等[7]通過三軸試驗得到了某隧道泥質砂巖圍巖的力學參數。

在某地鐵車站施工的工程背景下，針對車站開挖中風化砂巖，開展了不同圍壓下風化砂巖的三軸試驗研究，通過試驗分析獲得了風化砂巖準確的基本力學參數，結合砂巖破壞時的狀態，進一步探討了砂巖的破壞特征，為地鐵車站基坑方案設計提供重要參考依據和數據支撐。

2 工程概況

某車站為地下2 層12m 島式車站，單柱雙跨矩形框架結構，采用φ1000@1400mm 鉆孔灌注樁+內支撐支護形式和明挖法施工。車站緊鄰周邊商住小區（最近距離不到3m），共設3 個出入口和2 組風亭。車站中心里程處頂板覆土約3.2m，標準段基坑深度約17.1m。標準段外包總寬20.7m，有效站臺寬12m，車站外包總長為295m。

根據初步勘察資料，車站地層分布主要為雜填土、素填土、淤泥質粉質粘土、黏土、全風化砂巖、強風化砂巖和中等風化砂巖等。車站基坑開挖深度17.1m，開挖深度約10m 以下主要為風化砂巖，特別是中風化砂巖，巖體強度高，采用常規施工方法難以保證工期、難以控制噪聲和振動對周圍構筑物及居民的影響等。

為保證工程工期，選擇更加合適有效的施工方案，針對車站開挖地層風化砂巖開展室內三軸試驗，以準確了解和掌握巖體力學特性，為車站開挖方案的制定提供數據支撐。

3 試驗概況

試驗以風化砂巖為研究對象，試樣采樣點位于車站施工現場同一位置，盡量均質，以保證試驗獲得的砂巖力學參數準確可靠。試樣取樣后嚴格按照《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266-2013）[8]相關要求進行加工，將原樣切割、打磨制作成標準試樣（直徑50mm、高100mm、圓柱形），尺寸誤差不超過2mm，如圖1所示。

圖1 砂巖試樣

試樣制作后用保鮮膜包裹并放置于泡沫紙箱[7]中，隨后運至實驗室。試驗主要依托省重點實驗室的GYSY-2000型伺服控制高溫巖石三軸儀（圖2）。三軸儀最大圍壓60MPa（加載速度0.01～0.5MPa/s）、最大軸力達2000kN（加載速度0.01～50mm/min），完全可以滿足本項目中風化砂巖的三軸試驗要求，軸向應力應變等試驗數據由計算機自動采集并實時記錄。

圖2 GYSY-2000型伺服控制高溫巖石三軸儀

為更準確地獲得車站基坑巖體實際受力狀況及其力學參數，試驗方案設計重點考慮對砂巖在三軸壓縮條件下的力學變形特征研究，以獲得中風化和強風化砂巖的壓縮模量、粘聚力、內摩擦角等重要力學數據和應力應變曲線，為選擇合適的施工機械和工藝、準確制定開挖方案提供基礎。因此，試驗按強風化砂巖和中風化砂巖共16 個標準試樣，按4級圍壓（0MPa、5MPa、10MPa、15MPa）分為4 組，每組2 個試樣，以減少試驗試樣離散性和偶然性對結果的影響。

具體步驟如下：①試樣按巖體類別和圍壓進行編號（如強風化砂巖QXX），測量并記錄試樣基本尺寸（高度和直徑）；②試樣底部固定在試驗基座，頂部與剛性圓柱形墊塊連接，采用黑色膠帶密封交接面；③安裝軸向引伸計（固定在基座和頂部墊塊）和環向引伸計（安裝在試樣中部）分別測量試樣軸向和環向變形；④將試樣安裝至三軸儀平臺，基座與平臺螺絲連接固定，連接引伸計數據線并清零，開始試驗；⑤按《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266-2013）有關規定進行三軸試驗，實時記錄應力應變、破壞照片等數據；⑥按②～⑤重復操作，完成所有試樣的三軸試驗。

4 試驗結果分析

根據試驗結果，計算得到所有試樣的基本力學參數，如表1所示。

表1 試驗結果

4.1 應力應變特征

為模擬砂巖在實際工程中的力學狀態，特按4 級不同圍壓開展三軸壓縮試驗研究。不同圍壓下強風化砂巖和中風化砂巖的全應力-應變關系曲線如圖3所示。

圖3 試樣全應力-應變曲線

由表1和圖3可見，試樣的峰值強度和壓縮強度隨圍壓增大而增大，但泊松比幾乎不受圍壓影響。考慮風化程度影響，相同圍壓下，中風化砂巖的峰值強度和壓縮模量均顯著大于強風化砂巖，其泊松比略大于強風化砂巖。具體來說，對于強風化砂巖，圍巖壓力0MPa 時其偏應力為10.26MPa，圍壓增大至15MPa 時，其偏應力增大至29.16MPa；而對于中風化砂巖，圍壓分別在上述兩級時其偏應力為 130.18MPa 和200.68MPa。圍巖15MPa 強風化砂巖壓縮模量是圍巖0MPa 的1.72 倍，而圍巖15MPa 中風化砂巖壓縮模量是圍巖0MPa的1.66倍。

由全應力-應變曲線（圖3）可見，無論是強風化還是中風化砂巖，其應力應變關系主要經歷以下4 個階段。①荷載加載初期，砂巖內部孔隙和微裂紋被壓密，曲線上表現出軸向壓力增大幅度小但軸向應變迅速增大的趨勢，且軸向應變量變化速度快，稱為壓密階段。②經壓密階段后，砂巖內部初步孔隙和微裂紋已趨于穩定，即裂紋和孔隙閉合，隨軸向荷載增大，軸向應變隨之線性增加，稱為彈性階段。③隨軸向荷載繼續增大，砂巖內薄弱部位如孔隙、裂隙等缺陷會再次出現裂紋，宏觀表現出試樣表面或內部出現微裂紋。微裂紋在軸向荷載的不斷作用下發展、延伸、貫穿，產生塑性變形，此時軸向應變速率變慢，軸向應力逐步達到峰值，稱為塑性破壞階段。④軸向荷載繼續增大超過峰值應力后，應力應變曲線突然陡降，宏觀表現為試樣發生脆性破壞，稱為脆性破壞階段。中風化砂巖均表現為峰值應力后突然脆性破壞，但強風化砂巖試樣在圍壓5MPa作用下，峰值應力后呈現出二次強化階段，可能是由試樣內部結構差異引起。

根據試驗結果，運用摩爾-庫倫準則[9]，繪制出強風化砂巖和中風化砂巖的應力摩爾圓，如圖4 所示。通過數據擬合可得到強風化砂巖的粘聚力為2.59MPa，內摩擦角為25.24°；而中風化砂巖的粘聚力為26.63MPa，內摩擦角為41.93°。

圖4 應力摩爾圓

4.2 破壞特征

不同圍巖下強風化砂巖和中風化砂巖試樣的破壞情況如圖5 所示。由圖5可見，整體上看，中風化砂巖破壞時的破碎程度低于強風化砂巖。由于強風化砂巖破壞時試樣破碎程度太高，無法真實分析破壞特征，特選取中風化砂巖試樣進行分析。

圖5 不同圍巖下砂巖試樣破壞情況

中風化砂巖試樣破壞形式包括脆性破壞、延性破壞和剪切破壞。當周圍無約束時（圍壓為0MPa 時），試樣只在軸向應力作用下發生變形，試樣頂部到底部出現多條貫通裂縫，試樣發生脆性破壞（圖5 中Z1-1 和Z1-2）。當周圍約束增大，即圍壓為5MPa 時，試樣破壞時出現與試樣底面呈現60°的剪切破壞面（圖5 中Z2-2）。當周圍約束繼續增加至10MPa 時，試樣頂部出現楔形錐體，沿試樣中間向下劈開，將試樣切割為對稱兩部分（圖5 中Z3-1）。當圍壓為15MPa 時，試樣破壞時呈現試樣對角剪切面，將試樣剪切破壞（圖5 中Z4-1）。可見，隨著圍巖壓力增大，即巖石周圍約束增大，砂巖破壞形式由脆性崩壞轉為剪切破壞，且剪切面隨著圍壓的增大逐漸發展至對角面。

5 結論

為給某車站基坑開挖提供準確的巖體力學參數，本文開展了不同圍壓作用下強風化和中風化砂巖三軸壓縮試驗研究，主要結論如下。

①試驗得到強風化砂巖粘聚力為2.59MPa，內摩擦角為25.24°；而中風化砂巖的粘聚力為26.63MPa，內摩擦角為41.93°。

②試樣的全應力-應變曲線主要經歷壓密階段、彈性階段、塑性破壞階段和脆性破壞階段，且試樣的峰值強度和壓縮強度隨圍壓增大而增大，但泊松比幾乎不受圍壓影響。

③砂巖試樣破壞形式主要為脆性破壞和剪切破壞，且破壞形式隨著圍壓變化而不同。