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斷層破碎帶黏性夾泥巖體與基巖接觸界面大型直剪試驗研究

2025-03-27 00:00:00鄒弈朱碧堂吳穎彪周宇航
華東交通大學學報 2025年1期

摘要:為了理解穿越斷層帶隧道的穩(wěn)定和變形機理,并為穿越斷層破碎帶隧道開挖的科學分析提供理論依據(jù)。通過室內(nèi)大型直剪試驗,自制人工斷層泥配制的黏性夾泥巖體與基巖接觸界面,研究法向應(yīng)力、含石量、石塊傾角對黏性夾泥巖體-基巖界面力學特性的影響。試驗結(jié)果表明:界面剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在低法向應(yīng)力下表現(xiàn)為軟化特征,隨著法向應(yīng)力增高,由弱軟化逐漸過渡到弱硬化,法向應(yīng)力與界面初始割線模量呈正相關(guān);隨著含石量增大,界面的抗剪強度、界面剛度都隨之增大;相比于石塊傾角為0°,石塊傾角為90°所對應(yīng)的界面強度更高;界面內(nèi)摩擦角與含石量保持線性正相關(guān),黏聚力呈負相關(guān)。在分析穿越斷層帶隧道的穩(wěn)定和變形機理時,需要充分考慮界面法向應(yīng)力、含石量和石塊傾角對界面強度的影響。

關(guān)鍵詞:斷層泥;破碎帶;土石混合體;直剪試驗;基巖界面

中圖分類號:TU431 文獻標志碼:A

本文引用格式:鄒弈,朱碧堂,吳穎彪,等. 斷層破碎帶黏性夾泥巖體與基巖接觸界面大型直剪試驗研究[J]. 華東交通大學學報,2025,42(1):45-51.

Large-Scale Direct Shear Test Study of Contact Interface Between Viscous Mud-Rock Mass and Bedrock in Fault Fracture Zone

Zou Yi1,2,3, Zhu Bitang1,2, Wu Yingbiao1,2, Zhou Yuhang1,2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China; 2. Engineering Ramp;D Centre for Underground Technology of Jiangxi Province, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China

3. School of Civil Engineering, Jiangxi Vamp;T College of Communications, Nanchang 330013, China)

Abstract: In order to understand the stability and deformation mechanism of tunnel through fault zone,and to provide theoretical basis for scientific analysis of tunnel excavation through fault fracture zone, a large-scale direct shear test was carried out on the contact surface between the viscous mud-rock mass and the bedrock with joint surface,and the influence of normal pressure, stone content and rock dip angle on the interface mechanical properties of the viscous mud-bedrock contact surface was studied. The test results show that: The interfacial stress-strain relationship shows softening characteristics at low normal stress,and gradually transitions from weak softening to weak hardening with the increase of normal stress; The normal stress is positively correlated with the initial tangential modulus of the interface. The shear strength and stiffness of the interface increase with the increase of stone content; Compared with the block angle of 0°, the interface strength corresponding to the rock angle of 90° is improved; The internal friction angle of the interface has a linear positive correlation with the stone content, and the cohesion path has a negative correlation. When analyzing the stability and deformation mechanism of tunnel crossing fault zone, it is necessary to fully consider the influence of interface normal stress, stone content and rock inclination angle on interface strength.

Key words: fault gouge; crushing zone; earth-rock mixture; direct shear test; bedrock interface

Citation format: ZOU Y, ZHU B T, WU YB, et al. Large-scale direct shear test study of contact interface between viscous mud-rock mass and bedrock in fault fracture zone[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2025, 42(1): 45-51.

穿越斷層破碎帶的隧道施工面臨諸多挑戰(zhàn),如掌子面失穩(wěn)、涌水、支護結(jié)構(gòu)失效等工程問題。這些問題主要是由于斷層帶巖體破碎程度高、強度低、風化嚴重、滲透性變化大且富含地下水等特性所致[1-3]。為了解決上述工程問題,施工過程中需要采取預(yù)注漿加固等多項措施,并通過現(xiàn)場監(jiān)測及時采取補救措施。然而,由于缺乏科學理論和系統(tǒng)分析,采取以上施工方法會增加工程成本和工期[4]。開展斷層破碎帶夾泥巖體與完整巖塊接觸面力學特性的研究,有助于理解穿越斷層帶隧道的穩(wěn)定和變形機理,以及對穿越斷層破碎帶隧道開挖的科學分析提供理論依據(jù)。

破碎帶主要由破碎的巖石和斷層泥(黏土、砂土、泥漿等)組成,Medley[5]將此種混合體定義為Bimrock(巖塊-基質(zhì)混合體)。破碎帶夾泥巖體具有更強的黏性基質(zhì),為方向性排列的巖塊[6]。

成浩等[7]通過土體與混凝土接觸面剪切試驗,發(fā)現(xiàn)土體類型對界面剪切形態(tài)有一定影響,界面粗糙度的增加對抗剪強度的提高有顯著作用,粗糙度的增加能提高界面黏聚力而對摩擦角影響不大;周國慶等[8]通過砂-混凝土接觸面直剪試驗,發(fā)現(xiàn)法向應(yīng)力對接觸面強度有一定增強作用;楊忠平等[9]通過直剪試驗得到土石混合體-基巖界面抗剪強度和黏聚力隨含石量的增加先增大后減小,內(nèi)摩擦角φ變化不大;安琪等[10]通過大型直剪試驗發(fā)現(xiàn),碎石土-基巖接觸面的黏聚力隨碎石含量遞增至一定程度后開始遞減,內(nèi)摩擦角與碎石含量呈正相關(guān)。

目前關(guān)于石塊定向性對土石混合體-結(jié)構(gòu)界面的強度影響的研究尚少,石塊傾角對界面破壞的影響可參考大型三軸試驗中土石混合體內(nèi)石塊傾角對其強度的影響。鄒暢宇[11]通過室內(nèi)大型三軸試驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),土石混合體抗剪強度在石塊定向角為45°時達到最小值;此外,相較于沒有固定角度石塊的土石混合體,含有定向性石塊的土石混合體的抗剪強度更低。張聲宇[12]通過大型三軸試驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)當夾角接近土石混合體的破裂角時強度達到最小,并揭示了其原因在于石塊為該角度的定向性對土石混合體破壞的剪切路徑的阻礙程度最小。

綜上所述,針對含有定向性石塊的黏性夾泥巖體與基巖接觸界面的研究尚不多見,且含石量與界面摩擦角、黏聚力之間的關(guān)系尚未達成一致結(jié)論。同時,破碎帶夾泥巖體很難通過鉆探方法取得完整試樣。鑒于此,通過自制人工斷層泥以及黏性夾泥巖體-基巖界面室內(nèi)大型直剪試驗,研究了法向應(yīng)力、含石量、石塊傾角對黏性夾泥巖體-基巖接觸面界面力學特性的影響,可為穿越斷層帶隧道的穩(wěn)定和變形機理分析提供參考。

1 大型直剪試驗

1.1 人工斷層泥的制備

人工斷層泥的制備目標是模擬斷層泥的宏觀力學參數(shù),黏性斷層泥主要模擬的強度參數(shù)為黏聚力。人工斷層泥由膨潤土、水泥、水和砂按一定比例拌和,在已有斷層泥強度的研究[13-14]結(jié)果范圍內(nèi),通過調(diào)整水泥的含量可實現(xiàn)不同黏聚力。膨潤土為納基膨潤土,其參數(shù)見表1,水泥為海螺牌的PO42.5的普通硅酸鹽水泥。砂土取自南昌市艾溪湖地區(qū)湖底7~12 m深處,其級配曲線和基本參數(shù)見文獻[12]。

考慮到黏性夾泥巖體中石塊分布的均勻性,需要石塊懸浮在基質(zhì)中,因此基質(zhì)的密度需要滿足一定要求;而配置好的基質(zhì)又必須具備一定流動性,才能滿足試樣自密實的制作要求,否則試樣內(nèi)部很容易出現(xiàn)空洞,導(dǎo)致試樣不均勻。經(jīng)過多次試驗確定,采用水∶膨潤土=1∶0.2(質(zhì)量比)配比的泥漿,均勻攪拌并密封放置24 h后,泥漿可承托住石塊,且具備良好的自密實性。

在上述泥漿配置的基礎(chǔ)上,摻入水泥和砂子以模擬斷層泥的黏聚力以及摩擦角。對配比(水∶膨潤土∶水泥∶砂=1∶0.2∶0.4∶0.2)的試樣進行3個齡期的養(yǎng)護(室內(nèi)溫度為5~10 ℃),達到相應(yīng)的齡期后對試樣進行常規(guī)直剪試驗。強度值取1組試樣6個的平均值,采用3倍標準差法識別異常數(shù)據(jù),剔除異常數(shù)據(jù)并補足合理的試驗數(shù)據(jù),結(jié)果如表2,φ為摩擦角,c為黏聚力。考慮到試驗周期,確定采用1 d齡期的試樣為大型直剪試驗的基質(zhì)。

1.2 黏性夾泥巖體-基巖界面大型直剪試驗

本試驗將采用大型直剪儀測定不同石塊含量和排列方向的夾泥巖體與基巖界面的剪應(yīng)力-相對位移關(guān)系、剪脹軟化等強度特性。

1.2.1 試驗儀器

試驗設(shè)備采用同濟大學研制的大型直剪儀SJW-200。該儀器剪切箱尺寸為600 mm×400 mm×200 mm,可進行粗粒土的直剪試驗和接觸界面剪切試驗。設(shè)備主要組成部分包括剛性框架、豎向加載系統(tǒng)、橫向加載系統(tǒng)、剪切箱、伺服控制系統(tǒng)等,同時配備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來收集和處理數(shù)據(jù)。該儀器法向和切向最大壓力均為800 kPa,最大法向位移為50 mm,最大剪切位移為150 mm,剪切速率為0.1~50 mm/min。

1.2.2 試驗材料

黏性夾泥巖體中的基質(zhì)采用1 d齡期人工斷層泥。考慮到石塊大小對試樣的尺寸效應(yīng),黏性夾泥巖體中的石塊最大粒徑不超過試樣尺寸的1/6~1/5,采用粒徑為10~15 mm的天然礫石;基巖采用廬山市某采石場加工的天然黑山巖。基巖頂面保持劈裂形成的自然面,其余各面經(jīng)加工處理以確保平整,便于放入剪切盒。通過三維掃描儀掃描基巖頂面,從掃描的模型中提取具有粗糙度的頂面進行分析,對不規(guī)則粗糙面采用灌砂法[15]換算得到相應(yīng)粗糙度指標:最大起伏高度為19.2 mm,粗糙度R=10.2 mm。

1.2.3 試驗方案和方法

夾泥巖體中石塊含量Pvb為石塊與試樣總體積的比值,石塊排列方向α為石塊長軸傾角與水平面的銳角夾角。為研究含石量和石塊排列方向?qū)︷ば詩A泥巖體與基巖界面力學特性的影響,共設(shè)計4組試驗方案。α均為0°的條件下3組,Pvb=0.2,0.4,0.6;α為90°的條件下1組,Pvb=0.4。每組試樣在3個不同法向應(yīng)力50,100,150 kPa條件下的界面直剪試驗。

將具有一定粗糙度的基巖放入下剪切盒。基巖與下剪切盒之間的空隙用環(huán)氧樹脂玻璃鋼填充,如圖1(a)所示;在上剪切盒內(nèi)制備黏性夾泥巖體,如圖1(b)所示。黏性夾泥巖體分5層制備,每層斷層泥分兩次填入:第1次均勻填入斷層泥,任其自然流淌并輔助用刮刀,使其在平面和厚度上保持均勻;第2次在放置石塊后填入并鑿毛。人工斷層泥具有良好的流動性和可塑性,其塑性特征可有效穩(wěn)定石塊。按照預(yù)定角度放置石塊后,使用電子量角器進行方向校核,確保角度誤差控制在±1°以內(nèi)(圖2)。后續(xù)逐層均按上述方法進行制樣。待試樣制作完成后用保鮮膜密封試樣,等待24 h后對試樣進行大型直剪試驗。進行直剪試驗時,首先將直剪盒推入至承壓板正下方,確保直剪盒兩端與橫向加載系統(tǒng)連接牢固;隨后采用液壓加載系統(tǒng)施加法向應(yīng)力,當法向應(yīng)力達到目標值并穩(wěn)定后,再啟動橫向加載系統(tǒng),以1 mm/min 的剪切速率施加剪切荷載,直至橫向位移達到40 mm時停止試驗(受設(shè)備限制)[16]。

2 大型直剪試驗結(jié)果分析

2.1法向應(yīng)力對界面力學特性的影響

圖3為3種含石量分別在3個不同法向應(yīng)力水平下界面剪應(yīng)力-剪切位移曲線。由圖3可見,界面剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在低法向應(yīng)力表現(xiàn)為軟化特征,隨著法向應(yīng)力的增加,由弱軟化逐漸過渡到弱硬化。采用割線模量E50來描述界面的剛度性質(zhì),圖4繪制了不同含石量條件下,E50與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線。可以發(fā)現(xiàn),隨著法向應(yīng)力的增加,界面剛度逐漸增加,幾乎呈線性關(guān)系,當Pvb=0.6時增幅更大。

造成上述兩種現(xiàn)象的原因可能是法向應(yīng)力的增加使得夾泥巖體和基巖之間的接觸更加緊密,夾泥巖體中的石塊與基巖的嵌固和咬合作用增加,這種效應(yīng)在高含石量的試樣中表現(xiàn)得更加明顯。另外,法向應(yīng)力的增加也可能改變了夾泥巖體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),導(dǎo)致材料整體變得更加堅硬。法向應(yīng)力的增加使得界面力學特性趨于硬化,并且界面剛度也有所提高。文獻[8]關(guān)于法向應(yīng)力對界面強度的研究也得出類似結(jié)果。

2.2 含石量對界面力學特性的影響

圖5為相同法向應(yīng)力水平下,不同含石量條件下界面剪應(yīng)力-剪切位移曲線,由圖5可見,隨著含石量的增加,界面的抗剪強度隨之增加。圖6繪制了E50與含石量的關(guān)系曲線,隨含石量增加,E50逐漸增加,幾乎呈線性關(guān)系。這種現(xiàn)象可從以下兩個方面解釋:首先,土體本身強度隨含石量增加而增加,從而增強了界面抗剪特性;其次,含石量增加提高了石塊與基巖的接觸概率,增大了接觸面積,進而增強了石塊與基巖間的咬合和摩擦作用,最終增加了界面抗剪強度。

2.3 石塊傾角對界面力學特性的影響

圖7為含石量為40%條件下,不同石塊傾角對應(yīng)試樣的界面剪應(yīng)力-剪切位移曲線,由圖可見,相較于石塊傾角為0°對應(yīng)的峰值應(yīng)力,石塊傾角為90°的峰值應(yīng)力偏大。這可能是因為直剪試驗的破壞面為水平面,石塊傾角為90°(與水平方向正交)會阻礙剪切路徑的發(fā)展,剪切路徑發(fā)生“繞石”現(xiàn)象(石塊阻礙剪切破壞面的發(fā)展),如圖8。另一方面,不同的石塊排列角會導(dǎo)致石塊在空間中的分布方式發(fā)生變化,相比于石塊傾角為0°,石塊傾角為90°會減少每一層石塊的堆疊數(shù),從而增加石塊與界面接觸的數(shù)量,從而提高了界面抗剪強度,如圖9。

2.4 黏性夾泥巖體-基巖界面強度參數(shù)分析

依照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019),對上述試驗結(jié)果進行整理,對存在峰值的曲線提取其峰值作為抗剪強度,無峰值的曲線則取試樣最大長度的1/10長度的剪切位移對應(yīng)的應(yīng)力作為抗剪強度,本試驗由于試驗設(shè)備限制問題,只能取剪切位移最大值40 mm對應(yīng)的強度作為抗剪強度。

圖10為不同含石量與界面內(nèi)摩擦角和黏聚力的關(guān)系曲線。界面內(nèi)摩擦角與含石量基本保持線性正相關(guān),這是因為隨著含石量的增加,石塊密集度增加,石塊與界面接觸面積增加,發(fā)生接觸、摩擦、錯動和咬合,界面抗剪強度增加;同時隨著含石量的增加,石塊會從“孤立”到互相接觸,而在接觸面處同樣會有群石圍繞著界面摩擦、咬合,而石塊之間又會互相咬合、牽制,從而增加界面的強度。這點與文獻[10]的研究結(jié)果一致。而和上述文獻結(jié)論不同的是黏聚力隨著含石量的增加而下降,主要是因為石塊的增加取代了界面處的黏土基質(zhì),而土體本身也因為石塊的增加,隔斷了斷層泥的連續(xù)性,界面黏聚力下降。

圖11為不同含石量試樣在不同法向應(yīng)力條件下與界面抗剪強度的關(guān)系曲線,在相同法向應(yīng)力條件下,界面抗剪強度隨含石量增加而增加。結(jié)合圖10和圖11可以看出界面黏聚力下降的同時,界面強度依然有所增加,這是因為含石量對界面摩擦角以及土體自身的增加更加顯著。隨著法向應(yīng)力的增加,界面強度隨含石量的增加而顯著增加,這也說明含石量的增加對界面強度的增加部分大于黏聚力對界面強度下降部分。

3 結(jié)論

1) 人工制備的斷層泥在宏觀力學性能上可更好地模擬原位斷層泥,具有經(jīng)濟性、制備方便和土體強度參數(shù)可控等優(yōu)點,在室內(nèi)試驗中可部分取代取樣困難、取樣成本高的原位斷層泥。

2) 界面剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在低法向應(yīng)力下表現(xiàn)為軟化特征,隨著法向應(yīng)力的增加,由弱軟化逐漸過渡到弱硬化;隨著法向應(yīng)力的增加,界面初始割線模量逐漸增加,高含石量試樣對應(yīng)的結(jié)果尤為明顯。

3) 隨著含石量的增加,界面的抗剪強度和界面剛度隨之增加。含石量的增加不僅提高了黏性夾泥巖體的強度,也增加了石塊和基巖接觸的面積,從而增加石塊與基巖的咬合和摩擦,增加了界面的抗剪強度。

4) 與石塊傾角為0°相比,石塊傾角為90°對應(yīng)的界面強度更高。這可能是由于石塊傾角為90°時,石塊對剪切路徑的阻礙作用更強,導(dǎo)致剪切路徑發(fā)生“繞石”現(xiàn)象。

5) 界面內(nèi)摩擦角與含石量保持線性正相關(guān),而黏聚力隨含石量的增加而下降。

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第一作者:鄒弈(1988—),男,博士研究生,研究方向為巖土工程。E-mail:275522636@qq.com。

通信作者:朱碧堂(1974—),男,教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向為巖土工程。E-mail:btangzh@hotmail.com。

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