靜力加載條件下隧道碎石變形強(qiáng)度特性及二次破碎研究

0 引言

西部地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隧道施工過程中經(jīng)常遭遇斷層破碎帶，由此引發(fā)突水、突泥、圍壓大變形等問題。茆大煒等運(yùn)用大型三軸剪切儀研究了斷層破碎帶且富含地下水的軟弱、破碎圍巖工程巖體的力學(xué)行為及發(fā)生浸水濕化后的變形特性，不同含水率試樣的峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變均隨圍壓增大而升高，干燥試樣的峰值強(qiáng)度平均比自然、飽和狀態(tài)下高含水率的改變顯著影響試樣的峰值應(yīng)變，圍壓一定時(shí)，自然含水試樣的峰值應(yīng)變最大，干燥的卻最小。黃潤秋等通過花崗巖三軸試驗(yàn)，認(rèn)為巖體卸荷破壞時(shí)擴(kuò)容現(xiàn)象及脆性特征隨卸荷初始圍壓的增大和卸荷強(qiáng)度的增強(qiáng)愈明顯，而在加載條件下隨圍壓增大巖體延性特征愈明顯。凌華等通過大型排水剪切試驗(yàn)研究了級(jí)配對(duì)粗粒土強(qiáng)度變形特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)顆粒含量的提高，黏聚力值降低，內(nèi)摩擦角值增大；Y.Q.Cai等進(jìn)行了一系列低圍壓大型循環(huán)三軸壓縮試驗(yàn)，研究了循環(huán)加載條件下顆粒級(jí)配對(duì)碎石填料永久變形的影響。于群丁等開展室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)和單調(diào)加載三軸試驗(yàn)研究了級(jí)配對(duì)碎石壓實(shí)和強(qiáng)度特性的影響。Ghanbari等基于室內(nèi)大型三軸試驗(yàn)和大型直剪試驗(yàn)研究了壩體碎石填料的力學(xué)性能，研究結(jié)果表明級(jí)配良好的碎石填料因更多的顆粒參與受力而具有更高的承載力和更大的摩擦角。秦尚林等利用大型三軸試驗(yàn)研究了巨粒土的強(qiáng)度特性，試驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài)主要依賴于圍壓的大小，巨粒土的抗剪強(qiáng)度隨應(yīng)力水平非線性變化，具體表現(xiàn)為圍壓越大其強(qiáng)度參數(shù)越低。王鵬程通過室內(nèi)大型直接剪切試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)，研究了碎石集料在動(dòng)靜荷載作用下的強(qiáng)度與變形特性。王瑞紅等根據(jù)實(shí)際邊坡工程開挖后應(yīng)力變化狀態(tài)進(jìn)行了砂巖三軸卸荷破壞試驗(yàn)，研究了卸荷狀態(tài)下巖體的應(yīng)力應(yīng)變特征、破壞特征及力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，并與加載破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。卸荷破壞時(shí)巖樣變形模量隨著卸荷量的增加而降低，巖體的峰值應(yīng)變隨圍壓線性增長。于群丁等基于顆粒堆積理論提出的不同透水性級(jí)配開展加載三軸試驗(yàn)研究，得到了不同級(jí)配的巖樣的峰值偏應(yīng)力存在差異，圍壓越大，差異越明顯。

截至目前，尚未發(fā)現(xiàn)學(xué)者對(duì)粗顆粒碎石土破碎前后的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行深入研究，然而，隧道開挖不僅會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變（如破碎帶的圍巖因開挖卸載導(dǎo)致強(qiáng)度降低），而且會(huì)導(dǎo)致水的滲流路徑發(fā)生變化（巖樣飽和進(jìn)一步弱化其強(qiáng)度加速圍巖大變形），因此，粗顆粒碎石土破碎前后的強(qiáng)度和變形特性的研究對(duì)隧道設(shè)計(jì)施工具有重要意義，基于此，本實(shí)驗(yàn)擬采用大型三軸試驗(yàn)儀器，考慮圍壓、軸向應(yīng)變、制樣及循環(huán)加卸載等因素以模擬現(xiàn)場開挖卸載、滲水飽和、施工擾動(dòng)等工況，研究獲得飽和狀態(tài)和干燥狀態(tài)下巖石的強(qiáng)度及其變化規(guī)律，研究粗顆粒碎石土加載前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線特性，再結(jié)合顆粒級(jí)配曲線，進(jìn)一步研究加載破碎與強(qiáng)度之間的關(guān)系，以期獲得有價(jià)值的研究成果，為破碎帶軟弱圍巖的施工提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

云南玉楚高速12標(biāo)項(xiàng)目大栗樹隧道地勘資料顯示洞身圍巖為碎石土，強(qiáng)、中風(fēng)化板巖夾炭質(zhì)板巖、砂巖及白云巖，巖質(zhì)軟，Rc=8MPa。巖體較破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，Kv=0.45。隧道開挖易產(chǎn)生潮濕狀、點(diǎn)滴狀出水。K1=0.40、[BQ]=186。圍巖無自穩(wěn)能力，無支護(hù)時(shí)易產(chǎn)生塌方、掉塊及冒頂。

在大栗樹隧道施工（臺(tái)階法）過程中發(fā)現(xiàn)隧道初期襯砌支護(hù)沉降量較大，仰拱施工以后初期襯砌支護(hù)出現(xiàn)了嚴(yán)重的收斂，過大的沉降導(dǎo)致了ZK100+304~350段46米及YK100+307~341段34米初期襯砌支護(hù)入侵至二次襯砌范圍，隧道洞身段產(chǎn)生大變形，顯而易見，大變形發(fā)生部位表面滲水，局部有水滴，洞內(nèi)潮濕，如圖2所示，而在該區(qū)段開挖之初未支護(hù)之前，并未發(fā)現(xiàn)有如此大量的地下水滲入隧道內(nèi)。

圖2 隧道圍巖大變形及滲水

隧道洞身段大變形與地下水、斷層破碎帶等因素有關(guān)，且由于強(qiáng)風(fēng)化板巖的存在，隧道開挖導(dǎo)致圍壓的釋放，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)大范圍的松動(dòng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。為研究破碎圍巖變形強(qiáng)度特性，并模擬隧道開挖導(dǎo)致應(yīng)力釋放、洞內(nèi)滲水、施工擾動(dòng)等工況，為此根據(jù)隧道地下水和圍巖壓力測(cè)試情況，進(jìn)行破碎巖體大型三軸試驗(yàn)研究。

2 粗粒土三軸試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)采用大型高壓三軸剪切儀進(jìn)行，該試驗(yàn)儀器是由成都東華卓越科技有限公司、四川大學(xué)華西巖土儀器研究所研制的DJSZ-150動(dòng)靜三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)主要針對(duì)粒徑較大的試驗(yàn)材料試樣設(shè)計(jì)，包括碎石土、粗粒土、砂土等。DJSZ-150動(dòng)靜三軸試驗(yàn)系統(tǒng)由硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)組成，其中，硬件設(shè)備主要由主機(jī)、伺服液壓機(jī)、電控系統(tǒng)四個(gè)部分組成，還包括測(cè)控設(shè)備和計(jì)算機(jī)；軟件系統(tǒng)分試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分，操作系統(tǒng)平臺(tái)為中文Windows XP，系統(tǒng)控制軟件使用VC++語言編制。試樣尺寸：Φ300×600mm或（Φ300×750mm）；最大軸向靜態(tài)荷載：1500kN；最大軸向動(dòng)荷載；變形測(cè)量：軸向靜變形控制0.02mm/min-30mm/min，控制精度±1%；變形測(cè)量范圍：±100mm；變形測(cè)量精度：優(yōu)于±0.1%；位移測(cè)量范圍：0～300mm；最大圍壓4MPa。

根據(jù)制樣干密度（d=2.018g·cm）、試樣尺寸和計(jì)算級(jí)配（表1），試驗(yàn)過程：將破碎巖體材料用托盤裝好放在烘箱內(nèi)，把碎巖體中水分充分烘干，然后再將烘干的碎巖體用一套標(biāo)準(zhǔn)篩在振動(dòng)篩分臺(tái)上進(jìn)行篩分，分60～50，50～37.5，37.5-31.5，31.5-19，19-16，16-9.5，9.5-4.75，4.75-2.36，2.36-1.18，1.18-0.6，0.6-0.3，0.3-0.075，0.075-0mm等13種粒徑范圍稱取材料，得到試驗(yàn)所需的不同粒組的試驗(yàn)材料。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)獲得的不同級(jí)配的最大干密度，將備好的材料分成六等份，混合均勻。試驗(yàn)前清洗試驗(yàn)機(jī)，用乳膠管將乳膠膜綁扎在底座上，裝上角柱后用螺栓把護(hù)筒固定在角柱上，將乳膠膜翻轉(zhuǎn)過來套在護(hù)筒上并使護(hù)筒內(nèi)乳膠膜平順，將配置好的試驗(yàn)材料分6次裝入護(hù)筒內(nèi)，分層擊實(shí)，控制每層擊實(shí)后的高度為10cm，待6層均擊實(shí)后蓋上頂蓋、綁扎上端乳膠膜，用真空泵抽真空立樣，然后拆除護(hù)筒和角柱并把底座清洗干凈，制成直徑300mm，高度為600mm的圓柱形試樣，如圖3所示。試樣制好后蓋上壓力罩，將試樣推入反力架中放置在基座上，往壓力室內(nèi)注水。壓力室內(nèi)的水充當(dāng)圍壓傳遞媒介，圍壓是由圍壓控制器對(duì)水媒介進(jìn)行加壓施加在試樣上。采用真空飽和法使試樣完全飽和，待固結(jié)完成后，采用等應(yīng)變加載控制方式進(jìn)行靜態(tài)加載，位移剪切速率為3mm/min。當(dāng)強(qiáng)度曲線驟降或軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，即認(rèn)為試樣達(dá)到剪切強(qiáng)度，發(fā)生剪切破壞。

表1 顆粒級(jí)配

圖3 三軸試驗(yàn)儀器

為獲得破碎巖樣的抗剪切強(qiáng)度，本試驗(yàn)采用固結(jié)不排水（CU Test）試驗(yàn)方式，并設(shè)置3種圍壓值，即200kPa，500kPa和1000kPa等。試驗(yàn)中采用軸向加載的方式模擬隧道開挖導(dǎo)致應(yīng)力釋放工況；為模擬隧道洞內(nèi)滲水對(duì)破碎圍巖的強(qiáng)度影響，本試驗(yàn)選取干燥和飽和2種狀態(tài)，并對(duì)比兩種狀態(tài)下的圍巖強(qiáng)度值；為模擬施工擾動(dòng)對(duì)隧道破碎圍巖的強(qiáng)度影響，本試驗(yàn)考慮制樣、單級(jí)加載和循環(huán)加載三種因素對(duì)顆粒級(jí)配的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)同一級(jí)配試樣進(jìn)行兩次重復(fù)的三軸試驗(yàn)，對(duì)比第一次和第二次試樣的強(qiáng)度。試驗(yàn)加載方案如表2所示。

表2 加載方案

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 固結(jié)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果

飽和狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4所示，由圖4可知，飽和狀態(tài)下破碎巖樣的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增大，其彈性模量的變化較大，在應(yīng)變達(dá)到3%以前，其彈性模量較大，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加較快，在應(yīng)變達(dá)到3%以后，其彈性模量突變減小，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加較慢。

圖4 飽和狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

干燥狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示，由圖5可知，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大而增大，其彈性模量的變化較平緩，應(yīng)力隨應(yīng)變曲線較光滑，圍壓越大偏應(yīng)力越大，當(dāng)軸向應(yīng)變接近某一值時(shí)，偏應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到最大值。對(duì)比圖4和圖5可知，圍壓越大，試樣的峰值強(qiáng)度越大；飽和狀態(tài)下破碎巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線成臺(tái)階狀，有突變點(diǎn)，而干燥狀態(tài)下破碎巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化比較均勻，峰值強(qiáng)度高。

圖5 干燥狀態(tài)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6和圖7分別為飽和狀態(tài)下和干燥狀態(tài)下試樣的抗剪切強(qiáng)度線，由圖可知，飽和狀態(tài)下試樣的內(nèi)摩擦角24.7°，粘聚力為117kPa，干燥狀態(tài)下試樣的內(nèi)摩擦角為38°，粘聚力為180kPa。由此說明，試樣飽和狀態(tài)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于試樣干燥狀態(tài)強(qiáng)度。

圖6 飽和狀態(tài)下破碎巖石的抗剪切強(qiáng)度線

圖7 干燥狀態(tài)下破碎巖石的抗剪切強(qiáng)度線

圖8為飽和狀態(tài)下偏應(yīng)力-孔隙水壓力曲線，由圖可知，孔隙水壓力隨著偏應(yīng)力的增加而增大，在達(dá)到一定強(qiáng)度后孔隙水壓力隨著偏應(yīng)力的增加而減??；圍壓越大，孔隙水壓力峰值越大。

圖8 飽和狀態(tài)下偏應(yīng)力-孔隙水壓力曲線

圖9為軸向應(yīng)變與孔隙水壓力關(guān)系，由圖可知，圍壓越大，孔隙水壓力峰值越大；孔隙水壓力隨著軸壓的增大先迅速增大，到達(dá)峰值后，緩慢減少。

圖9 軸向應(yīng)變與孔隙水壓力關(guān)系圖

圖10-圖12為不同圍壓下偏應(yīng)力與孔隙水壓力隨軸向應(yīng)變變化圖，由圖可知，孔隙水壓力的峰值點(diǎn)與偏應(yīng)力的突變點(diǎn)接近，但孔隙水壓力的峰值點(diǎn)比偏應(yīng)力的突變點(diǎn)滯后，滯后大約1個(gè)微應(yīng)變。

圖1 軟弱破碎圍壓

圖10 圍壓0.2MPa下偏應(yīng)力與孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系

圖11 圍壓0.5MPa下偏應(yīng)力與孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系

圖12 1MPa圍壓下偏應(yīng)力與孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系

圖13為不同圍壓下有效應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系圖，由圖可知，有效應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的增加而逐漸增大，增大的速率先大后下，中間存在突變點(diǎn)；有效應(yīng)力峰值強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。

圖13 不同圍壓下有效應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系

3.2 固結(jié)條件下逐級(jí)加卸載循環(huán)不排水剪試驗(yàn)結(jié)果

圖14為循環(huán)加卸載條件下軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力關(guān)系圖。如圖所示，循環(huán)加卸載條件下，圍壓越大，峰值強(qiáng)度越低，0.2MPa時(shí)，試樣峰值強(qiáng)度是單級(jí)加載峰值強(qiáng)度的95%，0.5MPa時(shí)，試樣峰值強(qiáng)度是單級(jí)加載峰值強(qiáng)度的85%，在1MPa時(shí)，試樣峰值強(qiáng)度是單級(jí)加載峰值強(qiáng)度的76%。由此說明，破碎圍巖強(qiáng)度受施工擾動(dòng)影響，擾動(dòng)越頻繁，強(qiáng)度下降越多。

圖14 軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力關(guān)系圖

圖15為循環(huán)加卸載條形下孔隙水壓力與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系，如圖所示，孔隙水壓力隨著軸向應(yīng)變的增大而增大，達(dá)到峰值后，略微有下降，基本上保值在峰值壓力附近；圍壓越大，孔隙水壓力峰值強(qiáng)度越大；圍壓越大，卸載條件下孔隙水壓力增加幅度越大；應(yīng)變幅度越大，循環(huán)加卸載對(duì)孔隙水壓力的影響越明顯。

圖15 循環(huán)加卸載條件下孔壓與軸向應(yīng)變的關(guān)系圖

圖16為循環(huán)加卸載條件下有效應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系圖，軸向應(yīng)變小于6%時(shí)，圍壓越大，有效應(yīng)力越大，軸向應(yīng)變位于7%和15%之間，圍壓1MPa時(shí)，有效應(yīng)力最小。

圖16 循環(huán)加卸載條件下有效應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系圖

4 試驗(yàn)導(dǎo)致的碎石二次破碎分析

4.1 初次樣不同含水率和加載方式下破碎巖體級(jí)配分析

分別取上述試驗(yàn)飽和樣單級(jí)加載、飽和樣循環(huán)加卸載、干燥樣單級(jí)加載在1MPa、0.5MPa、0.2MPa下加載完后的試驗(yàn)，卸樣后用盤裝好（如圖17所示）放入烘箱，烘干后樣如圖18所示，用搖篩機(jī)進(jìn)行篩分，篩分完結(jié)果如圖19所示，看加載后的破碎巖體級(jí)配變化情況由此判斷加載對(duì)破碎巖體試樣的影響。

圖17 試驗(yàn)完后濕試樣

圖18 試驗(yàn)完后烘干樣

圖19 試驗(yàn)完后試樣篩分圖

圖20為不同圍壓下加載后顆粒級(jí)配曲線圖，由圖可知，試樣加載導(dǎo)致試樣二次破碎，影響原級(jí)配曲線，干燥樣單級(jí)加載組的巖樣破碎程度最嚴(yán)重，其次是飽和樣循環(huán)加載，飽和樣單級(jí)加載對(duì)巖樣的破碎程度影響最小。

圖20 不同圍壓下加載后顆粒級(jí)配曲線圖

4.2 初次樣和二次樣在相同狀態(tài)下加載破碎巖體二次破碎分析

選取一個(gè)試樣在圍壓1MPa飽和狀態(tài)下進(jìn)行三軸試驗(yàn)完成之后，再將破碎巖樣烘干，再進(jìn)行制作試樣，進(jìn)行第二次相同條件下的大三軸試驗(yàn)，在每次做完試驗(yàn)后將巖樣烘干進(jìn)行篩分，看兩次加載后的級(jí)配變化情況，由此判斷二次破碎對(duì)巖樣應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律。

圖21為初次試樣、二次試樣加載后的軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力之間關(guān)系，由圖可知，二次試樣的偏應(yīng)力峰值強(qiáng)度小于初次樣的峰值強(qiáng)度，減少了近600kPa，約占峰值強(qiáng)度的三分之一。圖22為兩次試樣的軸向應(yīng)變與孔隙水壓力之間關(guān)系，由圖可知，二次破碎導(dǎo)致孔隙水壓力峰值強(qiáng)度增大，顆粒越破碎，有效應(yīng)力降低越多。如圖23為二次試樣加載后的級(jí)配情況，由圖可知，三軸試驗(yàn)對(duì)試樣二次加載的影響比初次試樣加載的影響大，顆粒級(jí)配曲線上移幅度二次樣大于一次樣，二次加載后中顆粒和細(xì)顆粒明顯增多，說明三軸試驗(yàn)導(dǎo)致巖樣二次破碎，且二次破碎對(duì)巖樣的峰值強(qiáng)度影響較大。

圖21 軸向應(yīng)變與偏應(yīng)力之間關(guān)系

圖22 軸向應(yīng)變與孔隙水壓力之間關(guān)系

圖23 試樣兩次加載后的顆粒級(jí)配曲線

4.3 制樣導(dǎo)致的碎石二次破碎分析

三軸試驗(yàn)制樣采用錘擊法將試樣壓實(shí)，在此過程中，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致粗顆粒破碎變細(xì)，中細(xì)顆粒因錘擊變得更細(xì)，這種現(xiàn)象能夠在顆粒級(jí)配曲線中體現(xiàn)。為研究制樣本身對(duì)碎石樣破碎程度的影響，本文采用相同的原級(jí)配碎石樣，相同的制樣工藝條件下制作了3個(gè)試樣，試樣完成后再取出做級(jí)配曲線，所得結(jié)果如圖24所示，如圖所示，3個(gè)試樣的顆粒級(jí)配曲線位于原級(jí)配曲線之上，由此說明，制樣本身會(huì)導(dǎo)致試樣級(jí)配微小變化，其中，制樣后中細(xì)顆粒明顯增多，但是，由于制樣過程受人為因素及其他因素影響，3次試樣的級(jí)配都存在微小差異。

圖24 制樣前后顆粒級(jí)配曲線對(duì)比圖

為進(jìn)一步研究加載和制樣兩因素對(duì)顆粒級(jí)配影響的程度，特將不同加載條件、不同含水率狀態(tài)下及制樣不加載條件下級(jí)配曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖25所示，由圖可知，制樣不加載條件對(duì)顆粒級(jí)配影響最較弱，加載條件對(duì)顆粒級(jí)配影響較大，制樣不加載條件對(duì)顆粒粒徑小于1.18mm的細(xì)顆粒影響較大，而制樣及干燥樣單級(jí)加載和飽和樣循環(huán)加卸載條件對(duì)顆粒粒徑小于19mm的顆粒都有顯著影響。

圖25 顆粒級(jí)配曲線對(duì)比圖

5 結(jié)論

①飽和狀態(tài)下破碎巖樣的應(yīng)力和狀態(tài)下破碎巖樣的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而增大，在應(yīng)變達(dá)到3%以前，其彈性模量較大，應(yīng)力隨應(yīng)變的變化較大，在應(yīng)變達(dá)到3%以后，其彈性模量突變減小，應(yīng)力隨應(yīng)變的變化減緩；試樣飽和狀態(tài)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于試樣干燥狀態(tài)強(qiáng)度；②破碎圍巖強(qiáng)度受施工擾動(dòng)影響，擾動(dòng)越頻繁，強(qiáng)度下降越多；③二次破碎導(dǎo)致巖樣的峰值強(qiáng)度減少了近600kPa，約占峰值強(qiáng)度的三分之一，二次破碎導(dǎo)致孔隙水壓力峰值強(qiáng)度增大。④干燥樣單級(jí)加載組的巖樣破碎程度最嚴(yán)重，其次是飽和樣循環(huán)加載，飽和樣單級(jí)加載對(duì)巖樣的破碎程度影響最小。⑤制樣不加載條件對(duì)顆粒級(jí)配影響較弱，加載條件對(duì)顆粒級(jí)配影響較大。