多場耦合作用下層狀含水頁巖力學特性試驗

萬燎榕

(江西省水利規(guī)劃設計研究院江，江西 南昌 330029)

工程建設必然涉及巖土工程問題，隨著科學技術的不斷發(fā)展和社會發(fā)展的需要，一些工程將穿越地質條件復雜的區(qū)域，大大增加施工難度，層狀巖體便是比較常見的復雜巖體之一，在層狀巖體區(qū)進行隧洞開挖，容易引起拱架扭曲變形、混凝土開裂以及底鼓等大變形問題，嚴重影響施工和運行。因此，有必要對層狀巖體開展力學損傷特性研究[1- 4]。

引水式發(fā)電是目前水力水電工程中較為常見的形式之一，在長距離引水隧洞開挖施工中，不可避免會遇到各種各樣的工程地質問題，層狀巖體尤為常見，其對水工隧洞的開挖、襯砌支護以及后期運行等均有不同程度的影響[5- 7]，研究層狀巖體力學性質對于水工隧洞的開挖支護安全具有重要意義。相關研究表明：層狀巖體的力學行為不僅與巖性有關，而且與其層理傾角和含水狀態(tài)密切相關，同時地下工程巖體經(jīng)常處于應力場、滲流場、溫度場等多場耦合作用環(huán)境，研究不同層理傾角和含水狀態(tài)巖體在多場耦合作用下的力學性質是當今巖土工程界的熱門話題，能夠為水利、交通、礦業(yè)等工程的施工建設提供借鑒[8- 15]。

本文以某江西水利樞紐工程引水隧洞開挖過程中遇到的層狀頁巖為例，開展了層狀含水頁巖三軸滲透試驗，對其力學損傷行為進行了探討，以期能為隧洞的開挖支護參數(shù)設計提供參考。

1 工程背景及試驗概況

1.1 工程背景

某水利工程引水隧洞第二標段全長3710km，最大埋深為450m，該洞段在穿越頁巖段施工過程中經(jīng)常發(fā)生頂拱噴射混凝土開裂、頂拱掉塊以及蠕變變形等現(xiàn)象，頂拱最大沉降值達到28.5cm，最大底鼓值達到12.6cm，導致已支護的鋼拱架不同程度發(fā)生扭曲變形等，對隧洞施工及今后的長期穩(wěn)定安全運行帶來極大的安全隱患。經(jīng)現(xiàn)場查勘，該洞段的頁巖層具有如下特征：①層理發(fā)育、厚度較小且層間含有較多膠結物，層理傾角變化復雜；②頁巖與周圍灰?guī)r巖體組成層狀復合體，巖體力學性質復雜；③節(jié)理裂隙水發(fā)育；④原設計支護剛度較弱，不滿足穩(wěn)定性要求。為了對圍巖失穩(wěn)性有一個準確判斷，需對應力-滲流-損傷(不同層理傾角和含水狀態(tài))場下頁巖的力學行為進行研究。

1.2 試驗概況

現(xiàn)場取芯并在室內打磨制成直徑×高度=50mm×100mm的圓柱形試件，含層理頁巖取芯過程分為四種情形，傾角分別為：0°、30°、60°、90°，如圖1所示。分別對試件進行烘干及浸水處理，得到平均含水率為0%、1.8%、2.7%以及3.4%的四組不同含水狀態(tài)的試驗組；為模擬埋深影響，將圍壓設置為5MPa，孔隙水壓為3MPa；圍壓加載至預定值之后，先對各試驗組的初始滲透系數(shù)進行測定，獲得多場耦合作用下層狀頁巖的滲透特性，然后再以30MPa/min對頁巖進行應力加載，直至頁巖破壞，得到多場耦合作用下頁巖的強度特性和變形特性。

圖1 不同層狀節(jié)理夾角頁巖試件

2 試驗結果分析

2.1 滲透特性

試驗測得的多場耦合作用下層狀頁巖的滲透系數(shù)變化關系如圖2所示。從圖2中可以對比看到：在相同節(jié)理夾角情況下，隨著含水率的增加，層狀頁巖的滲透性逐漸降低，這是因為在浸水過程中，水分子首先進入頁巖較大的裂隙和節(jié)理中，水分子吸附在裂隙孔隙表面，使得頁巖的滲透有效通道減少，因而滲透性降低；在相同的含水率狀態(tài)下，90°傾角下的滲透性最小，最大的為0°，60°和30°情況下的滲透系數(shù)相差不大，但均明顯大于90°，在0°夾角下，由于節(jié)理損傷最有利于頁巖滲流通道的產生和發(fā)展，因此滲透系數(shù)最大，而在90°夾角下，由于僅在頁巖試件中部產生節(jié)理損傷，但在圍壓效應的約束作用下，使得滲流作用減弱，因此滲透系數(shù)較小，這也間接證明了在相同地質環(huán)境下，巖層走向越小，傾角越大，洞室越穩(wěn)定。

圖2 滲透系數(shù)變化特征

2.2 變形特征

不同層理夾角和含水率頁巖在三向應力狀態(tài)下的應力-應變曲線特征如圖3所示。從圖3中可以觀察到：在同等含水率狀態(tài)下，垂直方向層理(0°)情況下的頁巖的形變能力最差，表現(xiàn)為脆延性破壞特征，破裂面呈剪劈狀；在水平方向理(90°)情況下，頁巖的塑性形變能力最強，表現(xiàn)為延性破壞特征，破裂面呈四周環(huán)繞張裂，即類似于鼓狀大變形破壞；而在30°和60°情況下，兩者的變形能力介于0°和90°之間，且呈典型的剪切破壞形式，角度越大，塑性變形能力越強。相同層理夾角時，隨著含水率的升高，頁巖的變形能力越強，延塑性越明顯，這是因為在經(jīng)歷不同時間的浸泡后，水對頁巖有一定的軟化作用，使得其顆粒之間的孔隙率增加、膠結力降低(彈模減小)，因此脆性程度減小，而延性程度增加，這也是某些洞段出現(xiàn)蠕變大變形的主要原因之一。

2.3 強度特征

試驗獲得的層狀頁巖強度變化特征如圖4所示。由圖4可以看到：在相同含水率狀態(tài)下，頁巖的強度隨著層理夾角的增加呈遞增趨勢，這是因為在夾角為豎向或者偏豎向時，頁巖在受到外力作用時，其損傷會沿著原有的層理面進行擴展，并最終形成宏觀裂縫，導致試件失穩(wěn)破壞(類似于沿晶破壞)；而在水平方向時，由于受到圍壓應力的束縛，若要使試件發(fā)生損傷破壞，則需要顆粒之間的相對破壞，即類似于穿晶破壞，穿晶破壞需要的應力值在一般情況下大于沿晶破壞，因此強度更高。隨著含水率的增加，頁巖的強度越低，這主要是由水的軟化作用導致的。

圖3 應力-變形特征

圖4 層狀頁巖強度變化特征

3 力學參數(shù)與層理、含水率之間的關系

為了進一步分析層狀頁巖滲透性以及強度受層理夾角和含水狀態(tài)的影響，參照前人研究理論和經(jīng)驗，假設層狀頁巖的力學參數(shù)(滲透系數(shù)k、強度σ)與層理夾角(φ)和含水率(ω)之間符合如下模型關系：

k/σ=a+bφ+cφ2+dω+eω2+fφω

(1)

式中，a—計算常數(shù)；b，c—與層理夾角相關系數(shù)；d，e—與含水率相關系數(shù)；f—綜合影響系數(shù)。

將滲透系數(shù)k、強度σ、層理夾角φ以及含水率ω分別代入公式(1)，并采用DataFit非線性數(shù)值分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，分別得到了滲透系數(shù)與層理夾角以及含水率、強度與層理夾角以及含水率之間的關系模型，如圖5所示，統(tǒng)計結果見表1。從圖5中和表1中可以看到：對于滲透系數(shù)、層理夾角以及含水率三者之間的關系，基本呈扭曲型平面，相關系數(shù)R2=0.913，對于強度、層理夾角以及含水率三者之間的關系，基本呈上凸型，相關系數(shù)R2=0.980，可見本文所提出的多場耦合作用下層狀含水頁巖力學模型能很好地模擬不同地質環(huán)境下頁巖的力學特征，可為該段隧洞的開挖支護設計參數(shù)提供較為準確的參數(shù)，具有一定的工程實踐意義。

表1 模型擬合情況統(tǒng)計

圖5 模型擬合效果

4 結論

(1)層狀頁巖的滲透性與層理夾角和含水率息息相關，夾角越大，含水率越高，滲透系數(shù)越小。

(2)在三向應力狀態(tài)下，垂直層理試件呈脆延性剪劈破壞，水平層理試件呈鼓狀塑性大變形破壞，而斜向層理呈剪切破壞；含水率越高，頁巖的塑性變形特征越明顯。

(3)垂直向層理時，試件主要以沿晶破壞為主，水平向層理時，試件主要以穿晶破壞為主，因此，后者的強度大于前者；水對頁巖有軟化作用，含水率越高，強度越低。

(4)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，分別獲得了層狀頁巖滲透系數(shù)、強度與層理夾角和含水率的關系，并擬合得到相關模型，可為工程開挖支護設計提供參考和借鑒。