鄭萬鐵路巴東組泥巖力學(xué)試驗(yàn)研究

王國軍 朱小兵 劉保林 趙東平 季啟航

（1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 重慶 400023；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031；3.西南交通大學(xué)， 成都 610031）

鄭萬高速鐵路小三峽隧道全長18.9 km，隧道洞身段穿越三疊系中統(tǒng)巴東組一、二段（T2b1+2）、下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）、及大冶組（T1d）等地層，其中三疊系中統(tǒng)巴東組一、二段是以紫紅色泥巖為主的地層。泥巖具有強(qiáng)度低、遇水軟化明顯、膨脹等特點(diǎn)［1］，屬于軟巖類。地勘資料顯示，泥巖呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)及層狀結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性差；巖溶一般較發(fā)育，容易產(chǎn)生大量坍塌和涌水，將對隧道的施工造成較大的影響。因此，對巴東組泥巖的力學(xué)特征進(jìn)行研究，可為依托于該隧道工程的理論計(jì)算分析工作提供基礎(chǔ)。

泥巖物理力學(xué)參數(shù)方面，殷躍平［2-4］等對三峽庫區(qū)內(nèi)巴東組泥巖的膨脹性、崩解性、干濕循環(huán)強(qiáng)度弱化特性等力學(xué)特性進(jìn)行了研究；張家銘［5］等通過三軸試驗(yàn)得到了巴東組泥巖的全應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，并將其劃分為4個階段，提出了每一段的本構(gòu)方程；王閆超［6］等建立了巴東組泥巖的流變本構(gòu)模型，準(zhǔn)確描述了巖石的3個典型流變階段。

目前，針對巴東組泥巖的自身特性已有部分研究，但其試驗(yàn)所得參數(shù)與現(xiàn)場實(shí)際巖體的參數(shù)存在較大區(qū)別，而且對于如何將試驗(yàn)得到的巖樣參數(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場巖體參數(shù)尚未提及。本文通過單軸和三軸壓縮試驗(yàn)對巴東組泥巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測試，并基于Hoek-Brown準(zhǔn)則將試驗(yàn)參數(shù)轉(zhuǎn)化為了現(xiàn)場巖體參數(shù)。研究成果可為后期研究的理論及數(shù)值分析提供依據(jù)，也可為其他工程提供參考。

1 試驗(yàn)方案

巴東組泥巖巖樣采自鄭萬高速鐵路小三峽隧道的多個區(qū)段，按規(guī)范要求加工為直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。利用MTS-815型程控伺服剛性試驗(yàn)機(jī)對巴東組泥巖的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試。該試驗(yàn)機(jī)用于巖石及混凝土的試驗(yàn)，可以在常溫、高溫條件下進(jìn)行巖石及混凝土材料單軸、三軸壓縮試驗(yàn)，在多種控制模式之間可隨意切換，是現(xiàn)在國內(nèi)較為先進(jìn)的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備。

試驗(yàn)共制144個巴東組泥巖巖樣，試驗(yàn)測得的巴東組泥巖巖樣最大密度為2.77 g／cm3，最小密度為2.61 g／cm3，平均密度為2.70 g／cm3。依據(jù)完整度和密度對巖樣進(jìn)行分組，分別對烘干和飽水狀態(tài)下試驗(yàn)巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)與三軸壓縮試驗(yàn)，得到烘干和飽水狀態(tài)下巴東組泥巖的彈性模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力以及泊松比。試驗(yàn)分組如表1所示。

表1 巴東組泥巖力學(xué)試驗(yàn)分組表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 巴東組泥巖單軸壓縮試驗(yàn)

常規(guī)單軸壓縮試驗(yàn)包括烘干狀態(tài)和飽水狀態(tài)各6組，根據(jù)試驗(yàn)過程中MTS試驗(yàn)機(jī)的控制計(jì)算機(jī)自動采集的原始數(shù)據(jù)計(jì)算軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變，并由式（1）計(jì)算得到巴東組泥巖的彈性模量。

式中：E——彈性模量（MPa）；

σ——軸向應(yīng)力（MPa）；

εd——軸向應(yīng)變。

巴東組泥巖單軸應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線如圖1所示。從圖1可以看出，單軸壓縮試驗(yàn)過程中巴東組泥巖在烘干與飽水狀態(tài)下應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線形態(tài)基本一致，峰值前可分為3個階段：裂隙壓密階段、彈性階段以及塑性變形階段。在裂隙壓密階段，由于巖樣內(nèi)部存在微小裂隙或節(jié)理面，巖樣內(nèi)部受壓閉合，應(yīng)力應(yīng)變曲線有向上彎曲的趨勢；在彈性階段，巖樣的裂隙受壓密實(shí)后，應(yīng)力應(yīng)變曲線近似于直線，表明該階段泥巖的性質(zhì)較為穩(wěn)定；在塑性變形階段，由于巖樣承受較大的外部荷載，內(nèi)部裂隙起裂擴(kuò)展，并最終在荷載作用下裂隙貫通導(dǎo)致巖樣發(fā)生破壞。

圖1 巴東組泥巖單軸應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線圖

巴東組泥巖在烘干與飽水狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及泊松比如表2所示。相較于烘干狀態(tài)，飽水狀態(tài)下巴東組泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量有所降低，泊松比有所增大，即飽水條件下巴東組泥巖的變形更為顯著。

表2 巴東組泥巖參數(shù)均值統(tǒng)計(jì)表

2.2 巴東組泥巖三軸壓縮試驗(yàn)

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)包括烘干轉(zhuǎn)臺和飽水狀態(tài)各6組，每 組 5個 試 樣 分 別 按 2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa及10 MPa圍壓進(jìn)行試驗(yàn)。圍壓以0.05 MPa／s加載速率至預(yù)定側(cè)壓力，軸向加載方式以0.1 mm／min的速度進(jìn)行加載，得到不同圍壓下的破壞強(qiáng)度，并利用式（2）、式（3）求出每組的峰值內(nèi)摩擦角（φ）和粘聚力（c）。

式中：σc——軸向應(yīng)力 - 圍壓關(guān)系曲線縱坐標(biāo)的應(yīng)力截距（MPa）；

m——軸向應(yīng)力 - 圍壓關(guān)系曲線的斜率；

φ——內(nèi)摩擦角（°）；

c——粘聚力（MPa）；

烘干狀態(tài)巴東組泥巖（第一組）主應(yīng)力差 - 軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。隨著圍壓的增大，主應(yīng)力差 - 應(yīng)變曲線的斜率明顯增大，破壞狀態(tài)下的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變明顯提高，巴東組泥巖的強(qiáng)度隨著側(cè)壓力的增大而有所提高。

圖2 烘干狀態(tài)巴東組泥巖（第一組）主應(yīng)力差 - 軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖

烘干狀態(tài)與飽水狀態(tài)下巴東組泥巖彈性模量如表3和圖3所示。隨著圍壓的增大，巴東組泥巖的彈性模量逐漸增大；烘干狀態(tài)下巴東組泥巖彈性模量的增長速率明顯大于飽水狀態(tài)，相對于烘干狀態(tài)，飽水狀態(tài)下巴東組泥巖彈性模量的減幅由10.33%（圍壓2 MPa）增長到19.91%（圍壓10 MPa），即圍壓較大時(shí)水對巴東組泥巖彈性模量的削弱作用更為顯著。巴東組泥巖內(nèi)摩擦角、粘聚力、泊松比如表4所示。由表4可知，相較于烘干狀態(tài)，飽水狀態(tài)下巴東組泥巖內(nèi)摩擦角降低9.39%，粘聚力降低10.07%，泊松比提高9.09%。

表3 巴東組泥巖彈性模量統(tǒng)計(jì)表（GPa）

表4 巴東組泥巖內(nèi)摩擦角、粘聚力、泊松比統(tǒng)計(jì)表

圖3 巴東組泥巖彈性模量與圍壓的變化關(guān)系曲線圖

3 現(xiàn)場巖體參數(shù)轉(zhuǎn)化

試驗(yàn)所用的巖樣取自完整巖塊，根據(jù)TB 1003 -2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］可將上述試驗(yàn)的巴東組泥巖劃分為Ⅱ級圍巖，而小三峽隧道現(xiàn)場巖體較為破碎，圍巖等級僅為Ⅳ級，現(xiàn)場巖體的力學(xué)參數(shù)與試件測試所得參數(shù)相差較大。

針對上述情況，將試驗(yàn)所得參數(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場巖體參數(shù)，以便后續(xù)的研究。Hoek-Brown準(zhǔn)則可基于地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）評價(jià)巖體的強(qiáng)度，并估算巖體破碎狀態(tài)下的彈性模量、粘聚力以及內(nèi)摩擦角，其表達(dá)式為：

式中：σ1、σ3——分別為最大、最小主應(yīng)力（MPa）；

σc——完整巖體的單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；

mb、a——巖石經(jīng)驗(yàn)參數(shù)（量綱為1）；

s——反映巖體的破碎程度。

mb、a、s可通過式（5）～式（7）計(jì)算得出。

式中：mi——巖石經(jīng)驗(yàn)參數(shù)（量綱為1），反映巖石的軟硬程度；

GSI——地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；

D——巖石的擾動系數(shù)。

基于Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則，Rocscience開發(fā)的RocLab程序可以利用完整巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）、巖體參數(shù)mi以及巖體擾動系數(shù)D計(jì)算得出現(xiàn)場破碎巖體的彈性模量、內(nèi)摩擦角與粘聚力。

地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)可根據(jù)現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)面表面進(jìn)行判斷。由現(xiàn)場掌子面揭示情況可知，掌子面表面巖體包含許多不連續(xù)集形成的角狀塊體褶層與斷層，結(jié)構(gòu)面中度風(fēng)化且較為平整。根據(jù)GSI分級表［8］可大致估算現(xiàn)場巖體的GSI值為40，泥巖的mi值可根據(jù)參考值取7，由于現(xiàn)場采用機(jī)械開挖，對圍巖的擾動較小，巖體干擾系數(shù)可取0。利用巴東組泥巖單軸試驗(yàn)測得的單軸抗壓強(qiáng)度平均值39.74 MPa，彈性模量平均值8.84 GPa，以及現(xiàn)場隧道埋深情況、巖體重度，利用RocLab程序得出現(xiàn)場巖體的相關(guān)系數(shù)如圖4所示。

圖4 RocLab程序計(jì)算結(jié)果圖

根據(jù)RocLab程序的計(jì)算結(jié)果可以看出：小三峽隧道現(xiàn)場巴東組泥巖巖體的彈性模量為1.41 GPa，內(nèi)摩擦角為33.89°，粘聚力為0.716 MPa。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對各級圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)的參考值，Ⅳ級圍巖的彈性模量為1.3～6 GPa，內(nèi)摩擦角為27°～39°，粘聚力為 0.2～0.7 MPa，換算得到的小三峽隧道巴東組泥巖的物理力學(xué)參數(shù)，可將現(xiàn)場圍巖等級劃分為Ⅳ級，該結(jié)果與地質(zhì)勘測結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本文基于單軸、三軸壓縮試驗(yàn)對巴東組泥巖的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試，并利用Hoek-Brown準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場巖體參數(shù)，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)，得出的主要結(jié)論如下：

（1）巴東組泥巖的破壞可大致分為3個階段：裂隙壓密階段、彈性階段、塑性變形階段。在塑性變形階段，隨著巖樣內(nèi)部裂隙的起裂擴(kuò)展，最終在荷載作用下裂隙貫通引起巖樣破壞。

（2）在飽水狀態(tài)下，巴東組泥巖的彈性模量、內(nèi)摩擦角以及粘聚力有所減小，泊松比有所增大。

（3）隨著圍壓的增大，巴東組泥巖的彈性模量逐漸增大，破壞狀態(tài)下的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變明顯提高，強(qiáng)度有所增大；在圍壓較大時(shí)，水對巴東組泥巖彈性模量的削弱作用更為顯著。

（4）基于Hoek-Brown準(zhǔn)則，利用RocLab程序，根據(jù)完整巖樣單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）、巖體參數(shù)mi以及巖體擾動系數(shù)D，得到現(xiàn)場巖體的彈性模量、內(nèi)摩擦角以及粘聚力，與Ⅳ級圍巖物理力學(xué)參數(shù)參考值基本對應(yīng)。