深部軟弱地層TBM圍巖力學(xué)行為試驗(yàn)研究

黃 興,劉泉聲,2,劉 濱,劉愷德,黃詩冰

(1．中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430071;2．武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430072;3．中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西西安 710054)

深部軟弱地層TBM圍巖力學(xué)行為試驗(yàn)研究

黃 興1,劉泉聲1,2,劉 濱1,劉愷德3,黃詩冰1

(1．中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430071;2．武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430072;3．中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西西安 710054)

為揭示TBM深部軟弱圍巖變形破壞力學(xué)特性,開展了反映深埋隧道TBM機(jī)械開挖卸荷本質(zhì)——高初始圍壓下緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷這一卸荷特征的砂質(zhì)泥巖三軸卸圍壓試驗(yàn),研究結(jié)果表明：緩慢卸荷條件下的巖石峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近于常規(guī)三軸壓縮峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線,卸荷屈服階段產(chǎn)生損傷擴(kuò)容,側(cè)向變形加速增長,從體積壓縮開始轉(zhuǎn)向擴(kuò)容;應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后,巖石首先發(fā)生1～2級(jí)脆性跌落,隨著圍壓繼續(xù)緩慢卸荷,巖石沿一條斜率較小的近似斜直線發(fā)生伴隨有多級(jí)次生微破裂的線性應(yīng)變軟化;巖石變形全過程由彈性變形段、峰前卸荷損傷擴(kuò)容段、峰后脆性跌落段、含有多級(jí)微破裂的線性應(yīng)變軟化段以及殘余強(qiáng)度階段組成;巖石緩慢卸荷發(fā)生宏觀張剪復(fù)合破壞,并伴有軸向劈裂裂紋,破裂斷面為由許多劈裂裂紋相互貫通形成具有一定寬度的剪切帶,剪切帶內(nèi)劈裂的巖片在軸向擠壓力和沿破裂面的剪切力共同作用下被擠壓和摩擦成許多細(xì)顆粒和巖粉。

TBM;機(jī)械開挖;軟巖;緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷;三軸卸圍壓試驗(yàn)

目前,TBM(全斷面隧道掘進(jìn)機(jī))在長大隧道和礦山超千米深部巷道建設(shè)中應(yīng)用越來越廣泛[1]。TBM最適宜在中硬巖掘進(jìn)[2-4],圍巖穩(wěn)定性好、破巖效率高,然而在深長隧(巷)道掘進(jìn)中TBM往往需要頻繁穿越高地應(yīng)力軟弱巖層。深部高地應(yīng)力和巖體軟弱結(jié)構(gòu)構(gòu)成了圍巖擠壓大變形的基本條件,TBM開挖擾動(dòng)使得圍巖極易產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓大變形[5-6]。護(hù)盾式TBM的盾殼與圍巖間的間隙較小,圍巖擠壓大變形極易導(dǎo)致TBM護(hù)盾被卡,造成長時(shí)間卡機(jī)停工,甚至護(hù)盾損毀,嚴(yán)重影響工程進(jìn)度,并進(jìn)一步造成重大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重社會(huì)影響。

造成TBM圍巖擠壓大變形及其導(dǎo)致的卡機(jī)災(zāi)害的根源是對(duì)TBM開挖條件下深部高地應(yīng)力軟弱圍巖擠壓大變形力學(xué)特性認(rèn)識(shí)不清,對(duì)擠壓大變形機(jī)理研究不深。

目前,關(guān)于加載狀態(tài)下巖石變形破壞特性的試驗(yàn)、理論和應(yīng)用研究已得到廣泛研究[7-8]。但實(shí)際上,地下工程開挖圍巖應(yīng)力重分布,徑向應(yīng)力減小,切向應(yīng)力增大。使得圍巖不再處于單純的加載狀態(tài),而是在一個(gè)方向處于加載狀態(tài),在另一方向卻處于卸荷狀態(tài)。研究表明[9],巖體在卸荷狀態(tài)下的力學(xué)特性與加載條件下存在很大差異,而且卸荷方式、卸荷應(yīng)力路徑、卸荷速率對(duì)巖石力學(xué)行為有重要影響。目前已有許多學(xué)者開展了巖石在卸荷狀態(tài)下力學(xué)特性的研究[7-9],并取得了一定進(jìn)展。但總的來說,對(duì)卸荷條件下巖石力學(xué)特性的研究還不成熟,且這些研究很少涉及開挖方式,幾乎都沒有考慮不同開挖方式對(duì)應(yīng)的卸荷方式和卸荷路徑的差異,因而研究結(jié)果的適用范圍值得商議。關(guān)于深部高地應(yīng)力巖體在TBM機(jī)械開挖這一卸荷方式下的變形破壞特性及其力學(xué)機(jī)理研究更是極其少,如Ramoni[10]、Graziani[11]等學(xué)者在計(jì)算TBM護(hù)盾區(qū)域圍巖收斂變形及其對(duì)護(hù)盾的擠壓力時(shí)仍然采用的是常規(guī)加載條件下的本構(gòu)模型和力學(xué)參數(shù),并未考慮TBM機(jī)械開挖卸荷條件下圍巖的變形破壞特性。

目前,地下工程主要有爆破開挖和以TBM為代表的機(jī)械開挖這2種開挖方式。大量研究結(jié)果表明,開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)規(guī)律與開挖方式、圍巖應(yīng)力釋放特征密切相關(guān)。鉆爆法開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)為爆破荷載和高速動(dòng)態(tài)卸荷作用的結(jié)果,而TBM機(jī)械開挖對(duì)圍壓的卸荷方式為緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷,深埋隧(巷)道TBM卸荷方式則為高初始圍壓下的緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷。正因?yàn)檫@2種開挖方式的卸荷特征存在本質(zhì)差異,因而對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響也存在巨大差異。普遍認(rèn)為TBM開挖圍巖擾動(dòng)區(qū)范圍要明顯小于鉆爆法開挖擾動(dòng)區(qū)范圍。而目前國內(nèi)外尚未開展深部高應(yīng)力軟弱圍巖TBM開挖緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷條件下圍巖力學(xué)行為研究。

因此,亟需開展反映TBM機(jī)械開挖卸荷特征的試驗(yàn)研究,研究深部軟弱巖體在TBM開挖緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷條件下的瞬時(shí)力學(xué)響應(yīng),從而為TBM掘進(jìn)下圍巖擠壓大變形及其導(dǎo)致的卡機(jī)災(zāi)害預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 三軸卸圍壓試驗(yàn)

擬開展不同初始圍壓在不同卸荷速率下的軟巖三軸卸圍壓試驗(yàn),研究TBM機(jī)械開挖緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷條件下深部軟巖的力學(xué)特性。

1.1 試驗(yàn)條件

(1)巖石試樣。

試驗(yàn)巖樣為取自淮南潘一東礦-848 m水平的砂質(zhì)泥巖,埋深1 020 m。砂質(zhì)泥巖單軸壓縮和常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線和主要力學(xué)參數(shù)分別如圖1和表1所示,可看出砂質(zhì)泥巖為典型的深部軟巖。

圖1 三軸壓縮(σ1-σ3)-ε1曲線Fig．1 The(σ1-σ3)-ε1curves of triaxial tests

表1 砂質(zhì)泥巖三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The triaxial compression test results of sandy mudstone

(2)卸荷應(yīng)力路徑。

試驗(yàn)所采用的荷載控制方式對(duì)巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線,尤其是對(duì)峰后變形曲線形態(tài)有較大影響[12]。卸圍壓試驗(yàn)通常有2種控制方式[13]：①應(yīng)力控制,包括恒軸壓卸圍壓、加軸壓卸圍壓、軸壓圍壓不等量卸壓和保持應(yīng)力差不變(軸壓、圍壓等量減少);②變形控制,常規(guī)三軸加載后保持軸向變形速率進(jìn)行控制,同時(shí)降低圍壓,特點(diǎn)是卸圍壓過程中試驗(yàn)機(jī)軸向繼續(xù)對(duì)巖樣壓縮做功,即軸向變形控制的增軸壓卸圍壓試驗(yàn)。

同一巖石,可能因控制方式的不同而得出不同的峰后變形曲線。當(dāng)采用應(yīng)力控制時(shí)峰后軸向應(yīng)力往往來不及調(diào)整,極易導(dǎo)致巖樣發(fā)生崩潰式破壞、突然爆裂(圖2),難于獲取完整的峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線。又由于TBM開挖過程中,近場圍巖的徑向應(yīng)力逐漸卸荷,至開挖輪廓處卸為0,切向應(yīng)力增大。為了盡量與TBM開挖實(shí)際情況(對(duì)應(yīng)于開挖后圍巖徑向卸荷、切向加載的應(yīng)力狀態(tài))吻合,同時(shí)為了保證巖石越過峰值后能獲取完整的峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線,本試驗(yàn)選擇軸向變形控制,即可控式的升軸壓卸圍壓試驗(yàn)(圖3)。

圖2 采用應(yīng)力控制的花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線(RMT-150C)Fig．2 Stress-strain curve of granite controlled by stress

(3)卸荷速率。

已有學(xué)者開展了卸荷速率對(duì)巖石變形特性[14-15]和強(qiáng)度特性[16]的影響規(guī)律研究,然而這些研究針對(duì)的都是大理巖之類的硬巖,且卸荷速率的設(shè)置并未對(duì)應(yīng)TBM緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷速率。因此需要進(jìn)一步研究TBM開挖緩慢卸荷速率下軟巖的力學(xué)響應(yīng)。

圖3 試樣UL20-1R三軸卸圍壓試驗(yàn)應(yīng)力路徑Fig．3 The stress path of triaxial unloading confining pressure test of sample UL20-1R

為了使三軸卸圍壓試驗(yàn)?zāi)芊从砊BM開挖卸荷的特征——緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷,假設(shè)TBM開挖對(duì)隧硐輪廓上的圍巖為線性卸荷,卸荷速率設(shè)為2個(gè)較小的常量,分別設(shè)為0．005,0．010 MPa/s,并開展快速卸荷試驗(yàn)(卸荷速率為0．05,0．50 MPa/s),將緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷下的試驗(yàn)結(jié)果與快速卸荷條件下的試驗(yàn)結(jié)果相比較。

(4)卸荷起點(diǎn)應(yīng)力水平。

為了使三軸卸圍壓試驗(yàn)的應(yīng)力水平能反映深部地層的典型應(yīng)力特征——高地應(yīng)力,卸荷初始圍壓σ3依次設(shè)置為10,20,30,40,50 MPa。

卸荷起點(diǎn)軸向應(yīng)力σ′1應(yīng)設(shè)置為大于單軸抗壓強(qiáng)度,略高于比例極限,為常規(guī)三軸壓縮強(qiáng)度的60%～80%,根據(jù)圖1和表1砂質(zhì)泥巖常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果制定相應(yīng)的卸荷起點(diǎn)(表2)。

表2 卸荷起點(diǎn)應(yīng)力水平Table 2 The stress level of unloading start point

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)控制過程如下：

(1)首先以0．5 MPa/s的加載速率按靜水壓力條件逐步施加σ1,σ2,σ3至預(yù)定的圍壓值(分別為10,20,30,40,50 MPa);

(2)穩(wěn)定圍壓σ3,采用應(yīng)力控制方式以0．5 MPa/s的速率逐步施加軸向應(yīng)力至卸荷起點(diǎn)σ′1;

(3)繼續(xù)采用軸向變形控制方式以0．001 mm/s的軸向變形速率增加軸壓至試樣破壞,同時(shí)按照設(shè)定的卸荷速率卸圍壓(設(shè)定的卸荷速率分別為0．005, 0．010,0．050,0．500 MPa/s),直至試樣破壞。

試驗(yàn)過程中其他試樣的應(yīng)力路徑類似圖3。

試件編號(hào)命名規(guī)則：第1部分——字母“UL”為“unloading”的英文縮寫,字母“TT”為“triaxial testing”三軸壓縮;第2部分——數(shù)字“10”,“20”等表示初始圍壓值;第3部分——數(shù)字“1”,“2”,“3”,“4”分別表示卸荷速率為0．005,0．010,0．050, 0．500 MPa/s,最后一個(gè)字母代表試驗(yàn)機(jī)類型(本次三軸卸圍壓試驗(yàn)分別在RMT-150C,MTS815．03試驗(yàn)機(jī)上開展了每一種卸荷條件下的試驗(yàn),“M”代表MTS815．03,“R”代表RMT-150C)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 卸荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線

砂質(zhì)泥巖同一初始圍壓水平(10,20,30,40和50 MPa)在各卸荷速率(0．005,0．010,0．050, 0．500 MPa/s)條件下及常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4～8所示,其他試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 三軸卸圍壓試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The experimental results of triaxial unloading confining pressure tests

2.2 卸荷變形特征

由于三軸壓縮和三軸卸圍壓兩者應(yīng)力路徑不同,對(duì)比砂質(zhì)泥巖三軸壓縮和卸圍壓試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖4～8)可發(fā)現(xiàn)加載和卸荷2種應(yīng)力狀態(tài)下巖石變形破壞過程存在顯著差異：巖石在加、卸荷狀態(tài)下變形均隨偏應(yīng)力增大而增加,但在卸荷條件下從卸荷點(diǎn)起,軸向變形曲線變緩,向右發(fā)展,側(cè)向變形加速增大,體積應(yīng)變曲線開始向左偏移,即從體積壓縮轉(zhuǎn)向擴(kuò)容;相同差應(yīng)力下,卸荷擴(kuò)容量大于加載擴(kuò)容量;在接近峰值強(qiáng)度時(shí),卸荷條件下較小偏應(yīng)力增量便能產(chǎn)生較大軸向和側(cè)向應(yīng)變;相同初始圍壓條件下,卸荷破壞所需的偏應(yīng)力值遠(yuǎn)小于三軸壓縮破壞所需偏應(yīng)力值,卸荷峰值強(qiáng)度明顯小于加載峰值強(qiáng)度,表明卸荷狀態(tài)下巖石更容易破壞,且破壞更劇烈。

圖4 初始圍壓10 MPa不同卸荷速率應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．4 The stress-strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 10 MPa

圖5 初始圍壓20 MPa不同卸荷速率應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．5 The stress-strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 20 MPa

從圖4～8可看出,卸荷條件下砂質(zhì)泥巖軸向、側(cè)向和體積變形均受卸荷速率影響顯著,將三軸壓縮和各初始圍壓不同卸荷速率下砂質(zhì)泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線放在同一幅圖中對(duì)比分析(圖9),從而獲取TBM機(jī)械開挖緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷條件下軟巖的變形特征。

同一初始圍壓在各卸荷速率條件下,卸荷點(diǎn)之前各試樣的加載速率一樣,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與三軸壓縮試驗(yàn)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本一致;從卸荷點(diǎn)開始,三軸卸荷狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始隨卸荷速率呈現(xiàn)差異。

圖6 初始圍壓30 MPa不同卸荷速率應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．6 The stress-strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 30 MPa

圖7 初始圍壓40 MPa不同卸荷速率應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．7 The stress-strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 40 MPa

圖8 初始圍壓50 MPa不同卸荷速率應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．8 The stress-strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 50 MPa

圖9 不同卸荷速率條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．9 The stress-strain curves under different unloading rates

圖10 初始圍壓30 MPa不同卸荷速率軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig．10 The stress-axial strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 30 MPa

以初始圍壓30 MPa的試樣為例,將同一初始圍壓不同卸荷速率下的軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線放在同一幅圖中進(jìn)行比較(圖10),該圖表明卸荷速率對(duì)砂質(zhì)泥巖變形規(guī)律有重要影響。當(dāng)卸荷速率較快時(shí),如 UL30-3M(卸荷速率0．050 MPa/s)和UL30-4M(卸荷速率0．500 MPa/s),峰前卸荷屈服階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯偏離三軸壓縮試驗(yàn)曲線,峰后基本沿鉛垂線發(fā)生瞬間脆性破壞(如UL30-3M的D″E″段和UL30-4M的D?E?)。然而,當(dāng)卸荷速率緩慢時(shí)(卸荷速率0．005,0．010 MPa/s),如UL30-1M(0．005 MPa/s)和UL30-2M(0．010 MPa/s),其卸荷峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近三軸壓縮峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線;當(dāng)偏應(yīng)力接近峰值承載強(qiáng)度時(shí)變形略增大,軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線略向右偏移;當(dāng)偏應(yīng)力值達(dá)到峰值承載強(qiáng)度后,試樣發(fā)生規(guī)模較小的脆性跌落(如UL30-1M的DE段和UL30-2M的D′E′段),然后沿一條較平緩的近似斜直線發(fā)生線性應(yīng)變軟化(如UL30-1M的EF段和UL30-2M的E′F′)。且卸荷速率越大,峰值強(qiáng)度越低(從UL30-1M到UL30-4M,卸荷速率依次增大,峰值強(qiáng)度依次降低),峰后脆性跌落幅度越大、破壞越劇烈。

以試樣UL10-1M(初始圍壓10 MPa,卸荷速率0．005 MPa/s)和UL50-2M(初始圍壓50 MPa,卸荷速率0．010 MPa/s)為例(圖11),進(jìn)一步詳細(xì)分析砂質(zhì)泥巖在緩慢卸荷條件下的變形規(guī)律：卸荷速率緩慢時(shí),三軸卸荷條件下的峰前應(yīng)力-應(yīng)變曲線與三軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較接近(OD段),臨近峰值點(diǎn)時(shí)變形略增大,軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線略向右偏移,這一階段(BD段)試樣塑性變形增加,試樣內(nèi)部損傷不斷積累,而且體積變形開始明顯往左偏移(開始擴(kuò)容),這一階段稱為峰前損傷擴(kuò)容段[17],這也印證了TBM掘進(jìn)圍巖擾動(dòng)損傷區(qū)和圍巖收斂變形要比常規(guī)鉆爆法開挖條件下小。在峰值點(diǎn)后,試樣往往發(fā)生1～2級(jí)規(guī)模較小的脆性跌落(DE段),然后沿一條斜率較小的近似斜直線發(fā)生線性應(yīng)變軟化(EF段)。由于MTS試驗(yàn)機(jī)的剛度約為RMT試驗(yàn)機(jī)剛度的兩倍,從MTS試驗(yàn)機(jī)獲取的卸荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出,緩慢卸荷條件下砂質(zhì)泥巖在峰后線性應(yīng)變軟化段(EF段)出現(xiàn)多級(jí)規(guī)模較小的脆性跌落(FG段),然后應(yīng)力值又能及時(shí)的基本沿脆性跌落線上升恢復(fù)到約為發(fā)生該級(jí)脆性跌落前應(yīng)力值的90%,然后繼續(xù)按線性應(yīng)變軟化規(guī)律變形,在后續(xù)卸圍壓過程中,依次產(chǎn)生多級(jí)這樣的小規(guī)模脆性跌落和應(yīng)力值的及時(shí)上升恢復(fù),即在峰后線性軟化段(EF段)由于緩慢卸荷作用不斷產(chǎn)生次生微破裂(FG段)。在其他試樣上也有類似的規(guī)律(圖12)。因此,可以將緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷條件下軟巖的變形規(guī)律概況為：緩慢卸荷過程中,峰值點(diǎn)前巖石產(chǎn)生損傷擴(kuò)容,體積應(yīng)變曲線明顯往擴(kuò)容方向發(fā)展,達(dá)到峰值強(qiáng)度后,巖石首先沿已貫通的破裂面滑移,由于圍壓卸荷緩慢、殘余圍壓較高,巖石隨圍壓卸荷總體服從線性應(yīng)變軟化規(guī)律繼續(xù)變形,且線性軟化變形過程中伴隨多級(jí)微破裂,裂紋不斷的演化擴(kuò)展、匯聚以及次生裂紋的形成,此階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上服從線性軟化變形規(guī)律。

圖11 三軸緩慢卸荷試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律Fig．11 The stress-strain curves under smooth unloading tests

圖12 卸荷速率0．005 MPa/s偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．12 The stress-strain curves under unloading rate of 0．005 MPa/s

峰后線性應(yīng)變軟化段產(chǎn)生多級(jí)次生微破裂這一特征是軟巖在緩慢卸荷條件下比較特有的,文獻(xiàn)[18]中的大理巖三軸應(yīng)力松弛應(yīng)力應(yīng)變曲線雖然也出現(xiàn)了個(gè)別類似的峰后微破裂,但文中并未明確指出這一現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因。本文通過試驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)和明確指出緩慢卸荷條件下峰后線性軟化段出現(xiàn)多級(jí)微破裂這一現(xiàn)象,并在后續(xù)研究中對(duì)其內(nèi)在的機(jī)制進(jìn)行了分析。

試驗(yàn)時(shí)當(dāng)砂質(zhì)泥巖線性應(yīng)變軟化階段結(jié)束后便停止試驗(yàn)了,未獲取殘余強(qiáng)度階段應(yīng)力應(yīng)變曲線,但只要在線性應(yīng)變軟化段結(jié)束后停止卸圍壓并保持軸向應(yīng)變率,試樣便進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段。因此,TBM開挖緩慢卸荷條件下偏應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線由彈性段(OB)、峰前卸荷損傷擴(kuò)容段(BD)、峰后脆性破壞段(DE)、含有多級(jí)微破裂的線性軟化段(EF),以及殘余強(qiáng)度階段組成。

2.3 卸荷破壞特征

三軸壓縮試樣以剪切破壞為主,而卸荷條件下,相當(dāng)于在加載應(yīng)力狀態(tài)上疊加了一個(gè)側(cè)向的拉應(yīng)力,試件易產(chǎn)生平行于軸向的張拉型裂紋,發(fā)生宏觀張剪復(fù)合破壞。

同樣,砂質(zhì)泥巖卸荷破壞特征也受卸荷速率影響顯著。卸荷速率較快時(shí)(0．050,0．500 MPa/s),試樣瞬間脆性跌落,形成較單一的剪切破裂面,該破裂面寬度較小,且較光滑,破裂面經(jīng)歷的摩擦較小。

而緩慢卸荷條件下(0．005和0．010 MPa/s),卸荷破壞過程中伴有軸向劈裂裂紋,破壞斷面為具有一定寬度的剪切帶,剪切帶內(nèi)劈裂的巖片在軸向擠壓力和沿劈裂面的剪切力共同作用下被擠壓和摩擦成許多細(xì)顆粒和巖粉。試樣達(dá)到極限承載強(qiáng)度之前圍壓卸荷量較小,隨著初始圍壓逐漸提高,側(cè)向約束逐漸增強(qiáng),巖石破壞時(shí)凹凸破裂面間的摩擦作用也不斷增強(qiáng),從而導(dǎo)致試樣剪切破裂面破碎程度增加,剪切帶內(nèi)被擠壓摩擦成的巖粉和細(xì)顆粒增多。

3 變形破壞機(jī)制分析

砂質(zhì)泥巖變形破壞特征隨卸荷速率的上述變化規(guī)律是由其內(nèi)在機(jī)制決定的。當(dāng)卸荷速率較快時(shí),試件環(huán)向的應(yīng)力約束大幅度快速解除,承載力急劇降低,試樣瞬間的脆性破壞破裂面便已基本貫通,試樣破壞時(shí)基本沿已貫通的破裂面滑移、錯(cuò)動(dòng)和擴(kuò)容,因此峰后呈瞬間劇烈的脆性跌落。當(dāng)緩慢卸荷時(shí),應(yīng)力水平達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)試樣內(nèi)部形成宏觀貫通裂紋,發(fā)生一級(jí)規(guī)模較小的脆性破壞,因此應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值點(diǎn)后發(fā)生1～2級(jí)脆性跌落;然后隨著圍壓繼續(xù)緩慢卸除,此時(shí)殘余圍壓仍然較高,而軸向采用變形控制,即卸荷過程中仍然保持一定的軸向壓縮應(yīng)變速率,試樣軸向一直處于加載狀態(tài),于是在擠壓和剪切共同作用下使得已形成的剪切破壞面內(nèi)劈裂巖片被擠壓摩擦破碎成粉末和細(xì)小顆粒,并誘發(fā)拉應(yīng)力作用下在剪切破裂帶外側(cè)形成許多二次劈裂裂紋,同時(shí)圍壓卸荷過程中巖石吸收了軸向應(yīng)力做功并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的應(yīng)變能和表面能,因此軸向加載應(yīng)力對(duì)圍壓卸荷過程中巖樣的損傷-破裂也在一定程度上起到了壓致拉裂的促進(jìn)作用,加快了裂隙擴(kuò)展、增強(qiáng)了裂隙擴(kuò)展的規(guī)模,故在這一階段可觀察到多級(jí)微破裂,這一階段巖石變形隨圍壓卸荷總體服從線性應(yīng)變軟化規(guī)律。

4 結(jié) 論

(1)卸荷條件下,從卸荷點(diǎn)起,軸向變形曲線變緩,向右發(fā)展,側(cè)向變形加速增長,體積變形從體積壓縮開始轉(zhuǎn)向擴(kuò)容;相同偏應(yīng)力下,卸荷擴(kuò)容量大于加載擴(kuò)容量;接近峰值強(qiáng)度時(shí),較小的偏應(yīng)力增量便能產(chǎn)生較大的軸向和側(cè)向應(yīng)變;卸荷峰值強(qiáng)度明顯低于加載峰值強(qiáng)度;卸荷條件下巖石更易破壞,破壞程度更為劇烈。

(2)TBM機(jī)械開挖緩慢準(zhǔn)靜態(tài)卸荷過程中,巖石在峰前產(chǎn)生損傷擴(kuò)容,體積應(yīng)變曲線明顯向擴(kuò)容方向發(fā)展,達(dá)到峰值強(qiáng)度后,巖石首先沿已貫通的破裂面滑移,發(fā)生1～2級(jí)脆性跌落,然后隨著圍壓繼續(xù)卸荷巖石沿一條斜率較小的近似斜直線發(fā)生線性應(yīng)變軟化,且線性軟化變形過程中發(fā)生多級(jí)次生微破裂。

(3)緩慢卸荷下的軟巖變形全過程經(jīng)歷彈性變形階段、峰前卸荷損傷擴(kuò)容階段、峰后脆性破壞段、含有多級(jí)微破裂的線性軟化段,以及殘余強(qiáng)度階段。

(4)三軸壓縮試樣以剪切破壞為主,而卸荷條件下,試樣發(fā)生張剪復(fù)合破壞。緩慢卸荷破壞伴有軸向劈裂裂紋,形成具有一定寬度的剪切破裂帶,且剪切帶內(nèi)劈裂的巖片在軸向擠壓力和沿剪切面的剪切力共同作用下被擠壓和摩擦成許多細(xì)小巖石顆粒和巖粉。

(5)TBM緩慢卸荷條件下軟巖的上述變形破壞規(guī)律取決于其內(nèi)在機(jī)制：當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到峰值承載強(qiáng)度時(shí),試樣內(nèi)部形成宏觀貫通裂紋,因此峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生1～2級(jí)脆性跌落;隨著圍壓繼續(xù)緩慢卸荷,但此時(shí)殘余圍壓仍然較高,而軸向采用的是變形控制,即軸向一直處于加載狀態(tài),于是試樣在軸向擠壓力和沿破裂面的剪切力共同作用下使得破裂面內(nèi)的巖片不斷扭曲、破碎,軸向加載應(yīng)力對(duì)圍壓卸荷過程中巖石的損傷-破裂在一定程度上起到了壓致拉裂的促進(jìn)作用,加快了裂隙擴(kuò)展、增強(qiáng)了裂隙擴(kuò)展的規(guī)模,故在這一階段出現(xiàn)多級(jí)微破裂,這一階段巖石變形隨圍壓卸荷總體服從線性應(yīng)變軟化規(guī)律。

關(guān)于卸荷速率和圍壓對(duì)巖石變形破壞特征和力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律及TBM開挖緩慢卸荷條件下軟弱圍巖的變形機(jī)理將在后續(xù)研究中探討。此外,下一步還將研究TBM開挖后軟弱圍巖顯著的時(shí)效變形特性。

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Experimental research on the mechanical behavior of deep soft surrounding rock tunneling by TBM

HUANG Xing1,LIU Quan-sheng1,2,LIU Bin1,LIU Kai-de3,HUANG Shi-bing1

(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071, China;2.Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering,School of Civil Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China;3. Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corporation,Xi’an 710054,China)

In order to understand the deformation and failure characteristics of deep soft ground under the condition of TBM mechanical excavation,a sandy mudstone triaxial unloading test was carried out which simulated the natural unloading characteristics of TBM excavation,a smooth quasi-static confining pressure unloading process with high initial confining pressure．The results show that：The pre-peak stress-strain curve under the condition of smooth quasi-static unloading confining pressure is close to the condition of conventional triaxial compression test;At the unloading yield stage,the specimens show damage dilatation,the lateral deformation curve accelerates its growth,resulting in the volumetric strain turning from compression into dilatation;Beyond the peak strength,initially the specimens show once or twice modest brittle drop,then the rock samples have linear strain softening along a small slope approximation oblique line with the continuous slowly unloading confining pressure,which is accompanied by multistage micro fractures;The complete deformation process is composed of elastic deformation,unloading damage dilatancy,post-peak brittlenessdrop,linear strain softening deformation containing multistage micro fractures and residual stress period;The specimens show a macroscopic shear composite failure accompanied by axial splitting cracks during the process of smooth unloading failure,and the fracture surface is a shear zone with a certain width which is formed by a lot of split cracks interpermeation,and the shear zone is squeezed and rubbed into fine particles and powder as a result of the interaction of axial extrusion and the shear stress along shear plane．

TBM;mechanized tunnelling;soft surrounding rock;smooth quasi-static unloading;triaxial unloading test

U451

A

0253-9993(2014)10-1977-10

2013-10-06 責(zé)任編輯：常 琛

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2014CB046904);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41130742,41102198)

黃 興(1987—),男,江西興國人,助理研究員,博士。E-mail：huangxing220808@163．com

黃 興,劉泉聲,劉 濱,等．深部軟弱地層TBM圍巖力學(xué)行為試驗(yàn)研究[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(10)：1977-1986．

10．13225/ j．cnki．jccs．2013．1444

Huang Xing,Liu Quansheng,Liu Bin,et al．Experimental research on the mechanical behavior of deep soft surrounding rock tunneling by TBM[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(10)：1977-1986．doi：10．13225/j．cnki．jccs．2013．1444