深部復(fù)合地層組合模式及力學(xué)特性室內(nèi)試驗研究

尚彥軍　蔣毅　魏思宇

摘? ?要：深部軟硬巖交互出現(xiàn)的復(fù)合地層，其復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性對地下工程安全施工構(gòu)成挑戰(zhàn)。本文從復(fù)合地層定義和分類出發(fā)，建立其結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。在實驗室內(nèi)采用水泥和純白高嶺土為原料，人工澆筑軟、硬疊置型復(fù)合地層模型樣品，開展單軸及三軸壓縮力學(xué)試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單軸壓縮時復(fù)合地層發(fā)生脆性張破壞，強(qiáng)度介于軟巖強(qiáng)度與硬巖之間。當(dāng)軟硬層厚度比為1∶1時，隨圍壓升高，復(fù)合地層彈性模量與泊松比降低，軟巖中不規(guī)則裂紋增多;當(dāng)圍壓達(dá)到15 MPa時出現(xiàn)應(yīng)變硬化;隨圍壓繼續(xù)升高，軟、硬巖徑向非協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致應(yīng)變硬化消失。

關(guān)鍵詞： 復(fù)合地層;力學(xué)試驗;圍壓;非協(xié)調(diào)變形

深部復(fù)合地層屬于隧道與地下工程研究范疇，是近些年來地質(zhì)工程和巖石力學(xué)等研究的熱點和重點，原因在于其研究面臨的困難。深部高地應(yīng)力、高地溫和高滲透壓的“三高”地質(zhì)環(huán)境，導(dǎo)致深部巖體結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)行為和工程響應(yīng)與淺部巖體相比有本質(zhì)區(qū)別，巷道的開挖與支護(hù)更加困難[1]。難點主要表現(xiàn)在3方面：高地應(yīng)力條件下的巷道變形控制、深部巷道掘進(jìn)方法的選擇、深部高地溫?zé)岷Α?/p>

眾多工程實踐經(jīng)驗表明，復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和高地應(yīng)力條件下，深部復(fù)合地層TBM施工將會面臨諸多亟待解決的難題和施工地質(zhì)災(zāi)害的威脅。主要表現(xiàn)為復(fù)合地層中軟硬巖層交替出現(xiàn)，斷層破碎帶、泥化夾層等軟弱破碎圍巖常見，軟硬巖層變化幅度大，對TBM刀盤破巖帶來嚴(yán)重困難，影響破巖效率且縮短刀具和軸承使用壽命[2-4]。更為嚴(yán)重的是，在高地應(yīng)力條件下，深部軟弱巖層發(fā)生損傷擴(kuò)容和大范圍破裂碎脹，產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓變形，導(dǎo)致TBM在掘進(jìn)過程中發(fā)生卡機(jī)，甚至埋機(jī)等事故。在巨厚堅硬巖層中可能發(fā)生巖爆，造成TBM受損和重大人員傷亡。這些災(zāi)害將對深部復(fù)合地層TBM掘進(jìn)的施工安全帶來嚴(yán)重威脅，處理工程災(zāi)害和事故不僅延誤工期，還會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

造成上述災(zāi)難性后果的根本原因在于對深部復(fù)合地層地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的研究相對欠缺?；诖?，本文首先介紹了復(fù)合地層的定義和分類，然后利用相似材料模擬方法，對軟巖和硬巖組合而成的復(fù)合地層開展單軸和三軸壓縮試驗研究，其結(jié)果可望為深部復(fù)合地層工程規(guī)劃設(shè)計和TBM選型提供依據(jù)。

1? 復(fù)合地層與深部定義及分類

復(fù)合地層定義及分類存在差異。與復(fù)合地層相似的名稱有：軟硬混合地層、混合面、混合開挖面條件等。復(fù)合地層的英文表述較多，其中“mixed-layer ground”、“mixed strata”強(qiáng)調(diào)的是地質(zhì)中地層的概念，“mixed-face ground”強(qiáng)調(diào)的是TBM開挖橫斷面，譯為復(fù)合地層斷面?！癱ompound formation”與“compound strata”這兩種表述是由中文直譯為英文而成，在英文文獻(xiàn)中較少見。上述英文表述都正確，只是側(cè)重點不同。為能更全面的概括所有類型的復(fù)合地層，同時達(dá)到簡潔易懂的目的，本研究在綜合前人對復(fù)合地層定義的基礎(chǔ)上對復(fù)合地層給出定義[5-7]：復(fù)合地層（ Mixed Ground，簡寫MG ）是指在隧道橫斷面范圍內(nèi)或沿隧道軸線掘進(jìn)延伸方向，由多套（層）物理力學(xué)性質(zhì)、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)差異懸殊的巖土層組成。

深部復(fù)合地層則是地下深埋處的復(fù)合地層。關(guān)于深部的概念，目前定義和認(rèn)識仍是經(jīng)驗表象，模糊不一。從煤礦開采角度出發(fā)，深部定義歸納起來大致有5種認(rèn)識[8]：①絕對深度定義，即采用一個具體的深度值來界定深部，國內(nèi)學(xué)術(shù)界界定煤礦的深部范圍為700～1 000 m，目前能被公眾接受的深度值是800 m;②從煤巖體由下而上的環(huán)境來定義，具“三高”特征的即為深部地質(zhì)環(huán)境;③據(jù)災(zāi)害程度和方式來界定，以沖擊地壓、突水、瓦斯突出等礦山動力災(zāi)害頻率和強(qiáng)度來界定深部;④據(jù)煤礦巷道支護(hù)方式與維護(hù)成本來定義深部;⑤從力學(xué)角度出發(fā)，據(jù)應(yīng)力水平、應(yīng)力狀態(tài)和圍巖屬性界定深部。

以上關(guān)于深部的探討主要來自于煤礦開采的研究，本研究所探討的對象包括所有地下工程類型。從定義可看出，復(fù)合地層既表現(xiàn)在水平方向上，也表現(xiàn)在垂直方向上（圖1）。需要說明的是，復(fù)合地層需滿足一定條件才能對隧道TBM掘進(jìn)帶來明顯影響。這些條件主要為：①軟、硬巖層單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）需有一定差異，才能被認(rèn)為是復(fù)合地層。若兩者間強(qiáng)度差別不大，其對TBM掘進(jìn)影響不顯著，即不屬于有效的復(fù)合地層。例如，?kos Tóth等認(rèn)為，復(fù)合地層中軟、硬巖強(qiáng)度比不能大于1/10[9]。由于本研究是利用人工制作軟硬復(fù)合地層樣品的方法，難以制備強(qiáng)度差異太大的天然巖石樣品，因此，在后期研究中作者認(rèn)為，硬巖比軟巖強(qiáng)度大1倍以上即可被認(rèn)為滿足復(fù)合地層強(qiáng)度差異標(biāo)準(zhǔn);②軟、硬巖層在整條隧道中占比相近，才會對TBM選型和施工帶來影響。如兩者占比差異太大，比如分別為5%和95%，那么占比5%的巖層可被當(dāng)作特殊地層單獨處理。

由于淺埋隧道與深埋隧道地質(zhì)條件、地應(yīng)力水平差別很大，復(fù)合地層對隧道掘進(jìn)所產(chǎn)生的影響差別也較大，因此，在對復(fù)合地層進(jìn)行分類時需考慮埋深因素。此外，復(fù)合地層幾何排列方式、地層形成原因、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征及層厚等因素都對TBM掘進(jìn)產(chǎn)生重要影響。因此，作者以這5種因素作為主要影響因素，提出了系統(tǒng)性復(fù)合地層分類（表1）。

國內(nèi)實際工程中已遇到過較多深部復(fù)合地層實例，按表1對較典型的幾個復(fù)合地層案例進(jìn)行分類命名見表2。

2? 深部復(fù)合地層結(jié)構(gòu)力學(xué)模式

深埋隧洞最重要的問題之一就是高地應(yīng)力問題。在深埋狀態(tài)下，隧道圍巖的圍壓很高，這些圍壓可分解為3部分：垂向應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力。它們與隧洞埋深的關(guān)系如經(jīng)驗公式[10]。據(jù)這些經(jīng)驗公式可計算出不同埋深所對應(yīng)的地應(yīng)力大小。在實際工程中，如在鐵路、公路隧道、水利水電引水隧洞工程等，TBM向山體深處掘進(jìn)時會遇到不同圍壓的問題，在不同圍壓下復(fù)合地層力學(xué)性質(zhì)很不相同。

深部復(fù)合地層中，軟、硬巖層厚度常會變化。例如，在傾斜地層中，隧道掌子面上軟、硬地層的厚度隨TBM向前掘進(jìn)會產(chǎn)生變化（圖2-a）。在以沉積巖為主的地下工程中，大直徑斷面隧道在向前掘進(jìn)時會遇到復(fù)合地層中軟、硬巖層的排列方式發(fā)生變化。從圖2-b中可看出，掌子面上復(fù)合地層排列方式會出現(xiàn)三種情況，軟/硬、硬/軟/硬、軟/硬/軟。不同軟、硬巖層排列方式下，其力學(xué)性質(zhì)不相同[11]。

不同軟、硬層接觸面的傾角對深部復(fù)合地層的力學(xué)性質(zhì)有顯著影響（圖2-c）。關(guān)于這一點，前人已有大量研究成果：當(dāng)接觸面傾角為45°～60°時，巖體強(qiáng)度最低;當(dāng)接觸面傾角為0°、90°左右時，巖體強(qiáng)度最高。

3? 室內(nèi)力學(xué)試驗

據(jù)前人模型材料研究，選擇使用32.5的水泥和4 000目純白高嶺土作為模型材料。通過調(diào)節(jié)水泥與高嶺土配比及用水量來控制模擬樣品力學(xué)強(qiáng)度。本研究將水泥與高嶺土重量比為5∶5和9∶1的樣品分別稱之為軟巖和硬巖。該軟、硬巖不是工程上按單軸抗壓強(qiáng)度定義，而是據(jù)強(qiáng)度相對軟硬來劃分。當(dāng)硬巖單軸抗壓強(qiáng)度大于軟巖1倍以上時，可將兩者區(qū)分為硬、軟巖。同時軟巖單軸抗壓強(qiáng)度下限為5 MPa，否則力學(xué)試驗時施加高圍壓樣品破壞。

結(jié)合制樣的難度與力學(xué)測試儀器性能，將圍壓分成4個等級：0、15、30、45 MPa，試驗條件為硬巖與軟巖水平接觸，厚度相等，軟、硬巖水平接觸。人工制作模型樣品是均質(zhì)的，可被視為各向同性體[11]。

3.1? 單軸力學(xué)試驗

深部復(fù)合地層單軸壓縮結(jié)果表明（表3），硬巖單軸抗壓強(qiáng)度為27 MPa，軟巖為11 MPa，復(fù)合地層單軸抗壓強(qiáng)度為16.9 MPa。雖硬巖強(qiáng)度不到30 MPa，按工程巖體力學(xué)分級，屬于軟巖-中硬巖級別，但對于人工制樣而言，該強(qiáng)度相對較高。因此，這里軟巖、硬巖不是工程中的巖體力學(xué)分級，只是據(jù)強(qiáng)度相對高低而分。此外，由于軟巖強(qiáng)度不到硬巖的一半，滿足試驗研究對于軟硬巖強(qiáng)度差異的要求。

從彈性模量與泊松比結(jié)果看，硬巖彈模最高，為軟巖的2倍多，復(fù)合地層彈模介于硬巖與軟巖之間。硬巖泊松比最低，軟巖泊松比最高，復(fù)合地層的介于兩者之間。3種樣品的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3-a。

將樣品變形破壞后的照片作為底圖，對破壞裂紋進(jìn)行描繪，得到樣品單軸壓縮裂紋展布圖（圖3-b）?？梢钥闯觯泿rU1裂紋主要呈豎直方向，裂紋不平直，時斷時續(xù)，且呈平行雁列式展布，表現(xiàn)出張裂與剪裂共同作用特征。硬巖U2發(fā)育一條幾乎貫穿樣品頂?shù)酌娴呢Q向主裂紋，裂紋平直，同時還發(fā)育多條平行于主裂紋的短裂紋，以張裂紋為主的特征，屬拉張破壞。復(fù)合地層U3中部發(fā)育一條短的豎向主裂紋，裂紋很細(xì)，屬張裂紋;同時，在軟巖部分發(fā)育斷續(xù)的斜向短裂紋，屬剪切裂紋，說明復(fù)合地層、軟巖、硬巖破壞方式不相同。

3.2? 三軸力學(xué)試驗

上述單軸試驗樣品U3軟、硬巖厚度比為1∶1（圖3-b）。同樣采用1∶1厚度比，按接觸面水平、應(yīng)變速率0.06 %/min，對樣品分別施加15 MPa、30 MPa和45 MPa圍壓，開展三軸壓縮試驗。將其應(yīng)力-應(yīng)變曲線綜合構(gòu)成見圖4-a，不同圍壓三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比圖。

在15 MPa圍壓時，3個復(fù)合地層樣品都發(fā)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象。樣品一直處于體積壓縮狀態(tài)，未出現(xiàn)向體積擴(kuò)容的轉(zhuǎn)變。若將應(yīng)力-應(yīng)變曲線每個點處切線的斜率當(dāng)作瞬時切線模量來理解，瞬時切線模量基本呈現(xiàn)為單調(diào)遞減趨勢。說明軟、硬巖同步變形，未發(fā)生非協(xié)調(diào)變形現(xiàn)象。

當(dāng)圍壓達(dá)到30 MPa、45 MPa時，復(fù)合地層應(yīng)變硬化現(xiàn)象消失，樣品出現(xiàn)體積擴(kuò)容。瞬時切線模量出現(xiàn)新的特征，如T2、T3樣品在受壓破壞前，據(jù)瞬時切線模量變化可分為3段：AB段，瞬時切線模量較高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈直線型;BC段，瞬時切線模量降低;CD段，瞬時切線模量再次升高。這與0 MPa、15 MPa圍壓下復(fù)合地層應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯不同。分析原因為：圍壓較低時，復(fù)合地層軟、硬巖強(qiáng)度與力學(xué)屬性差異較低，在軸向壓應(yīng)力下同步協(xié)調(diào)變形，因此，應(yīng)力-應(yīng)變曲線切線的斜率呈單調(diào)遞減趨勢。圍壓較高時，復(fù)合地層中軟巖與硬巖的抗壓縮強(qiáng)度都顯著提升，且軟、硬巖的抗壓縮強(qiáng)度與力學(xué)屬性差異也顯著增加，即軟、硬巖變形出現(xiàn)差異。AB段主要代表軟巖被壓縮后的變形;BC段主要表示軟巖進(jìn)入加速變形階段;CD段由于軸向壓應(yīng)力增加，硬巖承壓變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率變陡。

將復(fù)合地層的圍壓與三軸抗壓強(qiáng)度分別作為最小和最大主應(yīng)力做莫爾圓圖（圖4-b），可畫出摩爾圓包絡(luò)線。由于復(fù)合地層在15 MPa圍壓時發(fā)生應(yīng)變硬化，只做一條包絡(luò)線不能較好反映復(fù)合地層的剪切破壞性質(zhì)，故將0、15 MPa分為一組畫一條包絡(luò)線，且15 MPa圍壓選擇T1-2樣品的峰值強(qiáng)度作為三軸抗壓強(qiáng)度。將30 MPa、45 MPa分為一組再畫一條包絡(luò)線，兩條包絡(luò)線得到的內(nèi)聚力c、 內(nèi)摩擦角φ 值，可形成一個范圍，表明復(fù)合地層的c、φ 值在這個范圍內(nèi)（表4）。從結(jié)果可知，c值為2.6 MPa ～6.1 MPa，φ 值為15°～22°。

復(fù)合地層樣品在不同圍壓下三軸壓縮變形破壞照片見圖4-c。樣品破壞后照片顯示，圍壓越高，軟巖中的不規(guī)則裂紋越多，如T2、T3樣品（圖4-c ），軟巖鼓脹現(xiàn)象越明顯。通過對應(yīng)力-應(yīng)變曲線及照片分析，認(rèn)為造成應(yīng)變硬化“消失”的原因應(yīng)該是軟硬巖的非協(xié)調(diào)變形。由于軟、硬巖在高圍壓下徑向變形量不同（即非協(xié)調(diào)變形），軟巖徑向變形量比硬巖的大，且圍壓越高，差異越大，直到造成軟硬巖接觸位置附近發(fā)生徑向斷裂，引起樣品失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)變硬化消失現(xiàn)象。因此，軟、硬巖非協(xié)調(diào)變形可認(rèn)為是復(fù)合地層在高圍壓下應(yīng)變硬化“消失”的原因。

不同圍壓下三軸壓縮裂紋展布圖表明（圖4-d），隨圍壓升高，軟巖塑性變形越顯著，不規(guī)則裂紋增多，而硬巖相對完整，基本無肉眼可見裂紋。T3樣品測試結(jié)束后發(fā)現(xiàn)應(yīng)變硬化消失的現(xiàn)象。因此，特別關(guān)注平行樣品T3-1的測試。結(jié)果兩次測試結(jié)果很相似，樣品破壞后形態(tài)也近似，這是高圍壓下的必然結(jié)果。同時，這種復(fù)合地層應(yīng)變硬化消失現(xiàn)象與圍壓密切相關(guān)。在15 MPa圍壓下未出現(xiàn)這種情況，到30 MPa、45 MPa時出現(xiàn)，且圍壓越高，軟巖與硬巖之間變形破壞差異明顯，可認(rèn)為是高圍壓下非協(xié)調(diào)變形現(xiàn)象。

4? ?結(jié)論

由軟、硬巖以不同方式組合而成的復(fù)合地層，在單軸和三軸試驗條件下，表現(xiàn)出較均質(zhì)圍巖更為復(fù)雜的變形破壞特征。

（1） 單軸壓縮時，復(fù)合地層發(fā)生脆性張破壞，強(qiáng)度介于軟、硬巖強(qiáng)度之間。硬巖強(qiáng)度為軟巖的2倍多，表明人工制作的復(fù)合地層可滿足強(qiáng)度差異要求。

（2） 當(dāng)軟硬層厚度比為1：1時，不同圍壓三軸壓縮結(jié)果顯示，隨圍壓升高，復(fù)合地層彈性模量與泊松比降低，軟巖中不規(guī)則裂紋增多;當(dāng)圍壓達(dá)到15 MPa時出現(xiàn)應(yīng)變硬化。隨圍壓繼續(xù)升高，軟、硬巖徑向非協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致應(yīng)變硬化“消失”。

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Abstract：The structural and mechanical properties of the mixed ground （MG） with the interaction of soft and hard rock in large depth pose a challenge to the safe construction of underground engineering. Starting from the definition and classification of the MG， a structural mechanics model is established. Uniaxial and triaxial compression tests were carried out in the laboratory using cement and pure white kaolin as raw materials and artificial pouring of soft and hard MG model samples. The results show that brittle tensile failure occurs in MG under uniaxial compression， and the strength is between that of soft rock and that of hard rock. When the thickness ratio of soft layer to hard layer is 1：1， the elastic modulus and Poisson's ratio of MG decrease with the increase of confining pressure， and the number of irregular cracks in soft rock increases; when the confining pressure reaches 15MPa， strain hardening occurs. With the increase of confining pressure， the radial incompatible deformation of soft and hard rock leads to the disappearance of strain hardening.

Key words： Mixed ground; Mechanical test; Confining pressure; Incompatible deformation.