含節(jié)理泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)度特征試驗研究

李 進(jìn)，陳 波，許寶田

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210022；2.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司 上海 200434；3.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210046)

南京秦淮東河工程在銅家山段開挖后形成的人工邊坡最大高度接近70m。三疊系黃馬青組(T2h)是該河道段內(nèi)厚度最大的地層，為影響未來邊坡工程最主要的巖層，巖性以紫紅色泥質(zhì)粉砂巖為主。巖體中含有2組節(jié)理，節(jié)理面被泥質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)物充填，強(qiáng)度較低。河道開挖后邊坡穩(wěn)定性受節(jié)理面強(qiáng)度的影響大，必須對其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入研究，為邊坡穩(wěn)定性評價提供依據(jù)。

很多學(xué)者針對單一節(jié)理影響下節(jié)理巖體強(qiáng)度和變形問題開展了大量的研究工作。如鄧華鋒等[1- 3]通過室內(nèi)制樣進(jìn)行直剪試驗，提出了利用單試件法確定試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)的分析法，并討論了結(jié)構(gòu)面形態(tài)特征對結(jié)構(gòu)面和巖體抗剪強(qiáng)度的影響，得到了完整巖塊強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面粗糙特性、膠結(jié)情況等基本地質(zhì)因素對巖體強(qiáng)度影響較大的結(jié)論。樊立敏等[4- 6]對含節(jié)理的巖體采用三軸抗壓法開展抗剪強(qiáng)度研究，得到巖體強(qiáng)度非線性的特征，并對不同強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)低正應(yīng)力條件下線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則將高估巖石節(jié)理的剪切強(qiáng)度。李宏哲等[7- 8]對含節(jié)理大理巖體的變形和強(qiáng)度特征開展試驗研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)理面與主應(yīng)力的夾角對巖體的變形和強(qiáng)度起決定作用，不同節(jié)理強(qiáng)度差異是導(dǎo)致不同試件破壞強(qiáng)度差異的主要原因。綜合已有研究成果不難發(fā)現(xiàn)，在關(guān)于含節(jié)理巖體的力學(xué)性質(zhì)研究中[9- 12]，大家主要把精力放在研究節(jié)理的強(qiáng)度特征上，且試驗研究的對象大多為硬質(zhì)巖石，通過節(jié)理力學(xué)性質(zhì)的分析進(jìn)而基于理論或試驗得到巖體的強(qiáng)度參數(shù)。

本文結(jié)合南京秦淮東河新開河道邊坡工程穩(wěn)定性分析的要求，對開挖工程涉及的紫紅色泥質(zhì)粉砂巖進(jìn)行三軸壓縮試驗，進(jìn)而研究該類巖石的強(qiáng)度特征，為本工程及類似軟巖高邊坡開挖后的變形和穩(wěn)定性分析及開挖設(shè)計提供相關(guān)力學(xué)參數(shù)。

1 試驗樣品及試驗概況

試驗樣品取自南京秦淮東河工程三疊系黃馬青組(T2h)紫紅色泥質(zhì)粉砂巖，巖石中粘土礦物含量一般在6%～15%左右。巖體中結(jié)構(gòu)面除層面外還有2組節(jié)理，一般為鐵質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)強(qiáng)度較高。完整巖塊飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般小于25MPa，大多小于15MPa，屬于軟巖。

利用鉆孔所取巖芯制作標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣(高度為10cm，直徑為5cm)，部分樣品在飽和過程中沿節(jié)理面發(fā)生開裂，為了模擬天然條件下的巖石狀態(tài)特征，本文選取6個未開裂的樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗，其中5個有貫穿節(jié)理，1個為完整巖塊，代表性樣品如圖1所示。

圖1 粉砂巖樣品照片

將樣品裝入壓力室中，施加圍壓至設(shè)定水平后再施加軸壓，軸向加載過程中保持圍壓穩(wěn)定，并記錄軸向應(yīng)力-應(yīng)變值，試驗操作嚴(yán)格執(zhí)行SL 264—2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》相關(guān)規(guī)定。

試驗分2種情形：

(1)單軸壓縮試驗

為了進(jìn)行對比分析，分別對不含節(jié)理和含節(jié)理的樣品進(jìn)行單軸循環(huán)加載抗壓試驗。

(2)三軸壓縮試驗

將含節(jié)理的巖樣用熱縮管包裹后放進(jìn)三軸儀壓力室，當(dāng)試驗中記錄的曲線上應(yīng)力過峰值后，進(jìn)入殘余階段或出現(xiàn)應(yīng)力陡降現(xiàn)象時，卸除軸向荷載并結(jié)束試驗。

2 試驗結(jié)果

單軸循環(huán)加載每級荷載增量為2～3MPa，加載至巖樣破壞后得巖石樣品應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全過程曲線及包絡(luò)線，如圖2所示。

圖2 巖石單軸循環(huán)加載壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

試驗中圍壓設(shè)置為2、6、10、15MPa，節(jié)理面與最大主應(yīng)力面夾角為51°～67°。根據(jù)三軸壓縮試驗記錄，在ε-σ坐標(biāo)系中繪制不同圍壓下含節(jié)理樣品應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。分析結(jié)果表明，一般隨圍壓增大，巖石峰值抗壓強(qiáng)度逐漸增大，其中圍壓為2、15MPa時，峰值后有明顯的應(yīng)力降。根據(jù)破壞后樣品特征，含節(jié)理的樣品破壞后剪切面均沿所包含節(jié)理面剪切錯動，樣品破壞后照片如圖4所示，表明節(jié)理對巖石變形和強(qiáng)度起控制作用。

圖3 三軸壓縮加載應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4 破壞后樣品

含節(jié)理的巖石均沿節(jié)理面發(fā)生剪切破壞，而在單軸壓縮試驗中，不含節(jié)理的完整巖塊發(fā)生剪切的破壞面與加載平面夾角約為50°～70°，如圖4(b)所示，破壞面不平整。從巖石破壞的情況來看，破壞面與最大主應(yīng)力面夾角大于45°，可認(rèn)為巖石發(fā)生剪切破壞，而非拉裂破壞，故可認(rèn)為樣品強(qiáng)度特征服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

試驗完成后測量發(fā)生剪切破壞的節(jié)理面與最大主應(yīng)力(σ1)面的夾角(β)，由應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得巖塊在不同圍壓(σ3)下破壞時軸向的峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力結(jié)果見表1。試驗前從巖石外觀上來看，巖樣側(cè)面出露的節(jié)理近平直，但從破壞后結(jié)構(gòu)面形態(tài)來看，原本緊密結(jié)合的節(jié)理面表面有被粉碎痕跡，剪切錯動過程中，節(jié)理面上有小凸起被剪斷，表明結(jié)構(gòu)面表面粗糙起伏，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度受兩側(cè)壁巖的強(qiáng)度影響，上部靠近壓力機(jī)承壓板處完整巖塊中有與節(jié)理交叉的剪切裂紋出現(xiàn)。

表1 試驗三軸壓縮試驗成果

3 強(qiáng)度特征

3.1 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度

若節(jié)理面AB與最大主應(yīng)力面夾角為β(°)，巖石沿節(jié)理面發(fā)生剪切破壞時(圖5)，則圖中結(jié)構(gòu)面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為：

圖5 含節(jié)理巖石樣品示意圖

(1)

(2)

式中，σj、τj—節(jié)理面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，MPa；σ1、σ3—最大和最小主應(yīng)力，MPa。

根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，極限狀態(tài)下，剪切面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力關(guān)系如下：

τj=σjtanφj+cj

(3)

式中，φj—節(jié)理面的摩擦角，(°)；cj—粘聚力，MPa。

根據(jù)式(1)和(2)計算巖石三軸壓縮破壞時不同樣品節(jié)理面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力關(guān)系，如圖6所示，對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行線性擬合得結(jié)構(gòu)面摩擦角和內(nèi)聚力指標(biāo)峰值(φjp=39.4°，cjp=4.0MPa)和殘余值(φjr=38.1°，cjr=3.58MPa)。線性擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99以上，表明試驗結(jié)果線性相關(guān)性好。

圖6 節(jié)理面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力關(guān)系

3.2 巖體抗剪強(qiáng)度

巖石力學(xué)理論中[13]將不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石稱為巖塊，而含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石稱為巖體，為了進(jìn)行對比，本文對不考慮結(jié)構(gòu)面影響的巖體強(qiáng)度做簡要分析。根據(jù)強(qiáng)度理論，巖石在3向壓力下破壞時的主應(yīng)力關(guān)系可用下式表示：

σ1=mσ3+b

(4)

式中，m=tan2(45+φ/2)；b=2ctan(45+φ/2)；c、φ—巖體的內(nèi)聚力和摩擦角。

巖體的強(qiáng)度指標(biāo)(φ，c)與m、b的關(guān)系可用下式表示：

(5)

(6)

巖石破壞后的主應(yīng)力峰值和殘余值如圖7所示，線性擬合后可得m和b的值，與結(jié)構(gòu)面擬合結(jié)果相似，相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.99以上，線性相關(guān)性程度高。由(4)和(5)式反算后即可得巖體的強(qiáng)度指標(biāo)峰值(φp，cp)和殘余值(φr，cr)分別為：φp=39.9°，cp=5.0MPa和φr=38.2°，cr=4.75MPa。

圖7 巖石破壞時主應(yīng)力關(guān)系

3.3 巖體強(qiáng)度特征

從試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，巖石節(jié)理面和巖體的2個強(qiáng)度指標(biāo)中，摩擦角的數(shù)值非常接近，而內(nèi)聚力則有一定差距，節(jié)理面的內(nèi)聚力比巖體小1.0MPa以上，該類巖石屬于軟巖到極軟巖，總體強(qiáng)度偏低，結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖體的內(nèi)聚力，巖石顆粒之間膠結(jié)引起的粘結(jié)強(qiáng)度大于結(jié)構(gòu)面膠結(jié)強(qiáng)度。雖然黃馬青組地層巖石屬軟巖類型，但巖體開挖后沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞的可能性更大。

三軸壓縮條件下，當(dāng)巖體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞時，根據(jù)強(qiáng)度理論，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)由下式計算在圍壓作用下巖體的抗壓強(qiáng)度(σ1c)：

(7)

同時，不考慮巖體中節(jié)理影響時，可根據(jù)巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，可由式(3)計算巖體抗壓強(qiáng)度。

結(jié)合前文分析得到的結(jié)構(gòu)面和巖體的強(qiáng)度指標(biāo)，由式(3)和(7)兩種方法計算得到的巖石三軸壓縮強(qiáng)度結(jié)果見表2。結(jié)果表明理論值與實測值之間有一定的誤差，特別是考慮圍壓為0時，誤差接近30%，表明由上述公式計算得的強(qiáng)度比實際值偏高。而圍壓較高時(10～15MPa)誤差則相對小很多，表明圍壓對巖體強(qiáng)度影響較大，且高圍壓條件下，由結(jié)構(gòu)面相關(guān)參數(shù)計算得到的巖體三軸壓縮強(qiáng)度誤差要小于由巖體強(qiáng)度參數(shù)計算的結(jié)果。低圍壓條件下Mohr-Coulomb準(zhǔn)則高估了巖石節(jié)理剪切強(qiáng)度，而隨著圍壓增大，結(jié)構(gòu)面對巖體抗壓強(qiáng)度的影響逐漸降低。這一結(jié)論也與前文所提到的參考文獻(xiàn)中認(rèn)為低應(yīng)力條件下線性Mohr-Coulomb準(zhǔn)則高估巖石節(jié)理剪切強(qiáng)度的結(jié)論一致。

4 結(jié)論

本文通過對南京秦淮東河工程中黃馬青組泥質(zhì)粉砂巖取樣進(jìn)行三軸壓縮試驗研究，分析了含節(jié)理巖石的變形和強(qiáng)度特征，得到如下結(jié)論：

(1)黃馬青組泥質(zhì)粉砂巖在分類上屬于軟巖，三軸壓縮試驗和強(qiáng)度特征分析結(jié)果表明，節(jié)理面對巖石的強(qiáng)度影響顯著。

(2)結(jié)構(gòu)面和巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中，摩擦角數(shù)值上非常接近，而內(nèi)聚力則相差達(dá)1MPa以上，表明節(jié)理面膠結(jié)強(qiáng)度小于巖石顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度。

(3)低圍壓下，三軸試驗得到的巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)誤差較大，隨著圍壓增大，結(jié)構(gòu)面對巖體的強(qiáng)度影響減小。

表2 巖石破壞時強(qiáng)度實測值和理論值比較