某地鐵車站砂巖三軸力學(xué)特性試驗(yàn)分析

費(fèi)廣清，宋廣輝，吳平

（1.安徽建工檢測(cè)科技集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230031；2.安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230031；3.綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

1 引言

地鐵車站等基坑開挖常遇到巖石地層，巖石的力學(xué)性質(zhì)直接影響施工方案設(shè)計(jì)。如何準(zhǔn)確獲取巖石力學(xué)參數(shù)、了解開挖區(qū)域巖石破壞特征對(duì)于設(shè)計(jì)、施工單位在選擇施工機(jī)械、施工工藝等過(guò)程極其重要。巖石的三軸試驗(yàn)是室內(nèi)準(zhǔn)確獲取巖石力學(xué)參數(shù)的主要手段之一[1]，其獲得的粘聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比等物理力學(xué)參數(shù)能為車站基坑開挖提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用室內(nèi)三軸試驗(yàn)研究砂巖力學(xué)特性已取得了豐碩的研究成果，如姚華彥等[2]開展了干濕交替作用下砂巖的三軸壓縮試驗(yàn)研究，分析了圍壓對(duì)砂巖峰值強(qiáng)度的影響，得出砂巖的峰值強(qiáng)度均隨著圍壓的增大而增大；吳平等[3]考慮水對(duì)砂巖的影響，開展了干燥與飽和狀態(tài)紅砂巖的力學(xué)特性；張駿[4]討論了兩種風(fēng)化程度砂巖的強(qiáng)度特征和破壞特性；依托具體工程背景，陳小偉等[5]對(duì)眼前山鐵礦的磁鐵石英巖、綠泥千枚巖以及混合巖開展了三軸壓縮試驗(yàn)，分析各巖樣的力學(xué)特性；余莉等[6]針對(duì)蘭州市某超高層建筑通過(guò)三軸試驗(yàn)獲取砂巖剪切強(qiáng)度參數(shù)，分析基坑開挖引起周圍力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律；劉海壯等[7]通過(guò)三軸試驗(yàn)得到了某隧道泥質(zhì)砂巖圍巖的力學(xué)參數(shù)。

在某地鐵車站施工的工程背景下，針對(duì)車站開挖中風(fēng)化砂巖，開展了不同圍壓下風(fēng)化砂巖的三軸試驗(yàn)研究，通過(guò)試驗(yàn)分析獲得了風(fēng)化砂巖準(zhǔn)確的基本力學(xué)參數(shù)，結(jié)合砂巖破壞時(shí)的狀態(tài)，進(jìn)一步探討了砂巖的破壞特征，為地鐵車站基坑方案設(shè)計(jì)提供重要參考依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2 工程概況

某車站為地下2 層12m 島式車站，單柱雙跨矩形框架結(jié)構(gòu)，采用φ1000@1400mm 鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)形式和明挖法施工。車站緊鄰周邊商住小區(qū)（最近距離不到3m），共設(shè)3 個(gè)出入口和2 組風(fēng)亭。車站中心里程處頂板覆土約3.2m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約17.1m。標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬20.7m，有效站臺(tái)寬12m，車站外包總長(zhǎng)為295m。

根據(jù)初步勘察資料，車站地層分布主要為雜填土、素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、黏土、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中等風(fēng)化砂巖等。車站基坑開挖深度17.1m，開挖深度約10m 以下主要為風(fēng)化砂巖，特別是中風(fēng)化砂巖，巖體強(qiáng)度高，采用常規(guī)施工方法難以保證工期、難以控制噪聲和振動(dòng)對(duì)周圍構(gòu)筑物及居民的影響等。

為保證工程工期，選擇更加合適有效的施工方案，針對(duì)車站開挖地層風(fēng)化砂巖開展室內(nèi)三軸試驗(yàn)，以準(zhǔn)確了解和掌握巖體力學(xué)特性，為車站開挖方案的制定提供數(shù)據(jù)支撐。

3 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)以風(fēng)化砂巖為研究對(duì)象，試樣采樣點(diǎn)位于車站施工現(xiàn)場(chǎng)同一位置，盡量均質(zhì)，以保證試驗(yàn)獲得的砂巖力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確可靠。試樣取樣后嚴(yán)格按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266-2013）[8]相關(guān)要求進(jìn)行加工，將原樣切割、打磨制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣（直徑50mm、高100mm、圓柱形），尺寸誤差不超過(guò)2mm，如圖1所示。

圖1 砂巖試樣

試樣制作后用保鮮膜包裹并放置于泡沫紙箱[7]中，隨后運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)主要依托省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的GYSY-2000型伺服控制高溫巖石三軸儀（圖2）。三軸儀最大圍壓60MPa（加載速度0.01～0.5MPa/s）、最大軸力達(dá)2000kN（加載速度0.01～50mm/min），完全可以滿足本項(xiàng)目中風(fēng)化砂巖的三軸試驗(yàn)要求，軸向應(yīng)力應(yīng)變等試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集并實(shí)時(shí)記錄。

圖2 GYSY-2000型伺服控制高溫巖石三軸儀

為更準(zhǔn)確地獲得車站基坑巖體實(shí)際受力狀況及其力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮對(duì)砂巖在三軸壓縮條件下的力學(xué)變形特征研究，以獲得中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化砂巖的壓縮模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等重要力學(xué)數(shù)據(jù)和應(yīng)力應(yīng)變曲線，為選擇合適的施工機(jī)械和工藝、準(zhǔn)確制定開挖方案提供基礎(chǔ)。因此，試驗(yàn)按強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖共16 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，按4級(jí)圍壓（0MPa、5MPa、10MPa、15MPa）分為4 組，每組2 個(gè)試樣，以減少試驗(yàn)試樣離散性和偶然性對(duì)結(jié)果的影響。

具體步驟如下：①試樣按巖體類別和圍壓進(jìn)行編號(hào)（如強(qiáng)風(fēng)化砂巖QXX），測(cè)量并記錄試樣基本尺寸（高度和直徑）；②試樣底部固定在試驗(yàn)基座，頂部與剛性圓柱形墊塊連接，采用黑色膠帶密封交接面；③安裝軸向引伸計(jì)（固定在基座和頂部墊塊）和環(huán)向引伸計(jì)（安裝在試樣中部）分別測(cè)量試樣軸向和環(huán)向變形；④將試樣安裝至三軸儀平臺(tái)，基座與平臺(tái)螺絲連接固定，連接引伸計(jì)數(shù)據(jù)線并清零，開始試驗(yàn)；⑤按《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266-2013）有關(guān)規(guī)定進(jìn)行三軸試驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄應(yīng)力應(yīng)變、破壞照片等數(shù)據(jù)；⑥按②～⑤重復(fù)操作，完成所有試樣的三軸試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到所有試樣的基本力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

為模擬砂巖在實(shí)際工程中的力學(xué)狀態(tài)，特按4 級(jí)不同圍壓開展三軸壓縮試驗(yàn)研究。不同圍壓下強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖的全應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 試樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由表1和圖3可見(jiàn)，試樣的峰值強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度隨圍壓增大而增大，但泊松比幾乎不受圍壓影響。考慮風(fēng)化程度影響，相同圍壓下，中風(fēng)化砂巖的峰值強(qiáng)度和壓縮模量均顯著大于強(qiáng)風(fēng)化砂巖，其泊松比略大于強(qiáng)風(fēng)化砂巖。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化砂巖，圍巖壓力0MPa 時(shí)其偏應(yīng)力為10.26MPa，圍壓增大至15MPa 時(shí)，其偏應(yīng)力增大至29.16MPa；而對(duì)于中風(fēng)化砂巖，圍壓分別在上述兩級(jí)時(shí)其偏應(yīng)力為 130.18MPa 和200.68MPa。圍巖15MPa 強(qiáng)風(fēng)化砂巖壓縮模量是圍巖0MPa 的1.72 倍，而圍巖15MPa 中風(fēng)化砂巖壓縮模量是圍巖0MPa的1.66倍。

由全應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖3）可見(jiàn)，無(wú)論是強(qiáng)風(fēng)化還是中風(fēng)化砂巖，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系主要經(jīng)歷以下4 個(gè)階段。①荷載加載初期，砂巖內(nèi)部孔隙和微裂紋被壓密，曲線上表現(xiàn)出軸向壓力增大幅度小但軸向應(yīng)變迅速增大的趨勢(shì)，且軸向應(yīng)變量變化速度快，稱為壓密階段。②經(jīng)壓密階段后，砂巖內(nèi)部初步孔隙和微裂紋已趨于穩(wěn)定，即裂紋和孔隙閉合，隨軸向荷載增大，軸向應(yīng)變隨之線性增加，稱為彈性階段。③隨軸向荷載繼續(xù)增大，砂巖內(nèi)薄弱部位如孔隙、裂隙等缺陷會(huì)再次出現(xiàn)裂紋，宏觀表現(xiàn)出試樣表面或內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋。微裂紋在軸向荷載的不斷作用下發(fā)展、延伸、貫穿，產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)軸向應(yīng)變速率變慢，軸向應(yīng)力逐步達(dá)到峰值，稱為塑性破壞階段。④軸向荷載繼續(xù)增大超過(guò)峰值應(yīng)力后，應(yīng)力應(yīng)變曲線突然陡降，宏觀表現(xiàn)為試樣發(fā)生脆性破壞，稱為脆性破壞階段。中風(fēng)化砂巖均表現(xiàn)為峰值應(yīng)力后突然脆性破壞，但強(qiáng)風(fēng)化砂巖試樣在圍壓5MPa作用下，峰值應(yīng)力后呈現(xiàn)出二次強(qiáng)化階段，可能是由試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異引起。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則[9]，繪制出強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖的應(yīng)力摩爾圓，如圖4 所示。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可得到強(qiáng)風(fēng)化砂巖的粘聚力為2.59MPa，內(nèi)摩擦角為25.24°；而中風(fēng)化砂巖的粘聚力為26.63MPa，內(nèi)摩擦角為41.93°。

圖4 應(yīng)力摩爾圓

4.2 破壞特征

不同圍巖下強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖試樣的破壞情況如圖5 所示。由圖5可見(jiàn)，整體上看，中風(fēng)化砂巖破壞時(shí)的破碎程度低于強(qiáng)風(fēng)化砂巖。由于強(qiáng)風(fēng)化砂巖破壞時(shí)試樣破碎程度太高，無(wú)法真實(shí)分析破壞特征，特選取中風(fēng)化砂巖試樣進(jìn)行分析。

圖5 不同圍巖下砂巖試樣破壞情況

中風(fēng)化砂巖試樣破壞形式包括脆性破壞、延性破壞和剪切破壞。當(dāng)周圍無(wú)約束時(shí)（圍壓為0MPa 時(shí)），試樣只在軸向應(yīng)力作用下發(fā)生變形，試樣頂部到底部出現(xiàn)多條貫通裂縫，試樣發(fā)生脆性破壞（圖5 中Z1-1 和Z1-2）。當(dāng)周圍約束增大，即圍壓為5MPa 時(shí)，試樣破壞時(shí)出現(xiàn)與試樣底面呈現(xiàn)60°的剪切破壞面（圖5 中Z2-2）。當(dāng)周圍約束繼續(xù)增加至10MPa 時(shí)，試樣頂部出現(xiàn)楔形錐體，沿試樣中間向下劈開，將試樣切割為對(duì)稱兩部分（圖5 中Z3-1）。當(dāng)圍壓為15MPa 時(shí)，試樣破壞時(shí)呈現(xiàn)試樣對(duì)角剪切面，將試樣剪切破壞（圖5 中Z4-1）?？梢?jiàn)，隨著圍巖壓力增大，即巖石周圍約束增大，砂巖破壞形式由脆性崩壞轉(zhuǎn)為剪切破壞，且剪切面隨著圍壓的增大逐漸發(fā)展至對(duì)角面。

5 結(jié)論

為給某車站基坑開挖提供準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)，本文開展了不同圍壓作用下強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化砂巖三軸壓縮試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下。

①試驗(yàn)得到強(qiáng)風(fēng)化砂巖粘聚力為2.59MPa，內(nèi)摩擦角為25.24°；而中風(fēng)化砂巖的粘聚力為26.63MPa，內(nèi)摩擦角為41.93°。

②試樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要經(jīng)歷壓密階段、彈性階段、塑性破壞階段和脆性破壞階段，且試樣的峰值強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度隨圍壓增大而增大，但泊松比幾乎不受圍壓影響。

③砂巖試樣破壞形式主要為脆性破壞和剪切破壞，且破壞形式隨著圍壓變化而不同。