原狀軟碎巖體室內(nèi)被動三軸變形特性研究

夏 維 學(xué)，張 巨 會

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

工程巖體的物理力學(xué)特性是地下工程開挖和支護(hù)設(shè)計的前提，合理、準(zhǔn)確地獲取工程巖體的物理力學(xué)性能參數(shù)，一方面可以據(jù)此制定合理、有效的施工開挖方案，以保證施工安全；另一方面，準(zhǔn)確的巖體物理力學(xué)性能參數(shù)用于圍巖支護(hù)設(shè)計，在保證支護(hù)效果的同時，將顯著降低工程冗余造成的浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

長期以來，以板巖為代表的各向異性軟巖一直受到工程界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注，鐘志彬等采用天然裂隙發(fā)育的流紋巖開展常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，并且引入Oda裂隙結(jié)構(gòu)張量對巖石內(nèi)天然隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特征進(jìn)行定量描述，據(jù)此評價裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特征與巖石彈性模量、泊松比等變形參數(shù)影響特征[1～3]。

固增水電站所在場址的工程巖體受不同尺度復(fù)雜的區(qū)域構(gòu)造作用及成巖過程的影響，使得巖體呈碎裂狀。筆者所進(jìn)行的研究系針對固增水電站炭質(zhì)板巖、千枚巖等為代表的軟弱巖體開展。

2 試驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)室按照圍壓是否相等可分為常規(guī)三軸和真三軸試驗(yàn)。針對軟碎巖體，利用自制的內(nèi)外鋼筒通過CSS-JXE1000 kN電液伺服試驗(yàn)機(jī)在室內(nèi)開展被動型常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，探究軟碎巖體在被動常規(guī)三軸壓縮下的變形特征并獲取壓縮模量等參數(shù)[4]，同時佐證現(xiàn)場試驗(yàn)獲取的巖體變形參數(shù)。

按照普通巖石的取樣方法，軟碎巖體難以取得試樣進(jìn)行室內(nèi)或室外試驗(yàn)。為此，參考細(xì)粒土原狀試樣取樣筒和環(huán)刀取樣及制樣方法取得軟碎巖體(斷層巖)的原狀試樣[5]。選取并制作了3個試樣依次命名為Y01，Y02，Y03進(jìn)行室內(nèi)被動型常規(guī)三軸加載試驗(yàn)。

3 軟碎巖體原狀樣室內(nèi)試驗(yàn)分析

3.1 分級加載應(yīng)力應(yīng)變分析

試驗(yàn)過程中，CSS-JXE1000 kN電液伺服試驗(yàn)機(jī)計算機(jī)主機(jī)自動采集軸向荷載、軸向位移數(shù)據(jù)，應(yīng)變箱所連計算機(jī)自動采集內(nèi)外鋼筒不同部位軸向和環(huán)向兩向應(yīng)變數(shù)據(jù)。軸向荷載通過原狀樣面積換算變成軸向應(yīng)力，軸向位移也通過原狀樣原長換算成軸向應(yīng)變。圖1～8為不同軸向壓力下軟碎巖體軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 第1級

圖2 第2級

圖3 第3級

圖4 第4級

圖5 第5級

從不同軸壓作用下軟碎巖體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出：整個8級加載過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線可視為S型，分為3個階段。第1階段為第1級加載，曲線表現(xiàn)為上凹型。第2階段為第2級加載，曲線表現(xiàn)為近似直線型。第3階段為第3級加載～第8級加載，曲線表現(xiàn)為下凹型。

由擬合曲線整體上看軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變呈正相關(guān)關(guān)系。第1級加載擬合曲線為2參數(shù)斜率遞增型指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，第2級加載擬合曲線雖為3參數(shù)斜率遞增型指數(shù)關(guān)系，但斜率遞增極其緩慢，可以認(rèn)為近似直線型關(guān)系。第3級加載～第8級加載擬合函數(shù)雖偶有變化，但均表現(xiàn)為斜率遞減型指數(shù)正相關(guān)關(guān)系。

圖6 第6級

圖7 第7級

圖8 第8級

3.2 分級加載模量-應(yīng)變關(guān)系

通過試驗(yàn)獲得分級加載軟碎巖體全過程壓縮模量Eq-應(yīng)變關(guān)系曲線和加載階段切線模量Ej-應(yīng)變關(guān)系曲線，分別采用不同函數(shù)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。試驗(yàn)過程中，計算機(jī)每隔1 s記錄一個軸向荷載值和一個應(yīng)變值。其中全過程變形模量Eq系指加載中全部所施加的應(yīng)力與產(chǎn)生的總應(yīng)變之比，因此計算時直接采用軸向荷載面積換算變成的軸向應(yīng)力除以計算機(jī)記錄到的總應(yīng)變即可得到Eq。加載階段的切線模量Ej系指各級荷載加載階段應(yīng)力增量與應(yīng)變增量之比，利用每相鄰兩秒的軸向應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)可以算得加載階段的切線模量。圖9～16為分級加載軟碎巖體全過程壓縮模量-應(yīng)變關(guān)系曲線和加載階段切線模量-應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖9 第1級加載軟碎巖體壓縮模量或切線模量-應(yīng)變曲線圖

圖10 第2級加載軟碎巖體壓縮模量或切線模量-應(yīng)變曲線圖

從分級加載軟碎巖體全過程壓縮模量-應(yīng)變關(guān)系曲線和加載階段切線模量-應(yīng)變關(guān)系曲線可以得出：在被動三軸應(yīng)力條件下，固增水電站軟弱軟碎巖體的應(yīng)力-應(yīng)變特征整體上表現(xiàn)為：起始的壓密階段和后期的彈塑性變形過程，在此過程中，隨著軸向壓力的增大，環(huán)向約束力亦相應(yīng)增大，巖體的變形特征參數(shù)也相應(yīng)呈不同的變化特征，這些特征表明：對于軟弱軟碎巖體，其變形量大且與圍壓呈相應(yīng)關(guān)系，圍巖對變形的影響顯著。

圖11 第3級加載軟碎巖體壓縮模量或切線模量-應(yīng)變曲線圖

圖 12 第4級加載軟碎巖體壓縮模量或切線模量-應(yīng)變曲線圖

圖13 第 5級加載軟碎巖體壓縮模量或切線模量-應(yīng)變曲線圖

4 軟碎巖體原狀樣變形參數(shù)分析

4.1 被動三軸試驗(yàn)理論

為通過原狀樣室內(nèi)被動約束三軸壓縮試驗(yàn)成果獲得巖體的變形參數(shù)，研究中將內(nèi)外鋼筒受力問題看做平面應(yīng)變問題。利用彈性力學(xué)原理，從外向內(nèi)一步步進(jìn)行計算，求得等效圍壓q3，同時考慮鋼筒和試樣之間的摩擦力，經(jīng)側(cè)壓力系數(shù)轉(zhuǎn)換求出試樣泊松比,并利用壓縮模量定義求出試樣似壓縮模量。

圖14 第 6級加載軟碎巖體壓縮模量或切線模量-應(yīng)變曲線圖

圖15 第7級加載軟碎巖體壓縮模量或切線模量-應(yīng)變曲線圖

圖16 第8級加載軟碎巖體壓縮模量或切線模量-應(yīng)變曲線圖

4.2 軟碎巖體變形參數(shù)的計算分析

軟碎巖體似壓縮模量及泊松比計算過程為以下5步：(1)求外筒環(huán)向應(yīng)變值εθe； (2)求內(nèi)鋼筒環(huán)向應(yīng)變值εθi；(3)求內(nèi)鋼筒軸向應(yīng)變ε⊥2；(4)將上述εθe，εθi及ε⊥2的起點(diǎn)應(yīng)變值代入彈性力學(xué)原理推導(dǎo)出的公式，求得的巖體壓縮模量和泊松比即為起點(diǎn)應(yīng)變法下的計算結(jié)果；(5)分別取εθe，εθi及ε⊥2的終點(diǎn)應(yīng)變值和中點(diǎn)應(yīng)變值，仿照起點(diǎn)應(yīng)變法，分別求出終點(diǎn)應(yīng)變法及中點(diǎn)應(yīng)變法下巖體壓縮模量和泊松比的值。

筆者在文中僅列舉了采用中點(diǎn)法計算巖體的似壓縮模量和泊松比。表1為采用中點(diǎn)法計算的Y01原狀軟碎巖體應(yīng)變表。

表1 中點(diǎn)法Y01原狀軟碎巖體應(yīng)變表

由表1可以看出：

(1)Y01原狀軟碎巖體內(nèi)筒環(huán)向應(yīng)變εθi和外筒環(huán)向應(yīng)變εθe均為拉應(yīng)變，而內(nèi)筒軸向應(yīng)變ε⊥2多為壓應(yīng)變。內(nèi)筒環(huán)向應(yīng)變εθi普遍比外筒環(huán)向應(yīng)變εθe數(shù)值要大，說明環(huán)氧樹脂砂漿對原狀樣有約束效果。

(2)Y01原狀軟碎巖體內(nèi)筒環(huán)向應(yīng)變εθi在30～441 με之間，且隨著加載級數(shù)的增加呈先減后增的趨勢，外筒環(huán)向應(yīng)變εθe在14.4～111.5 με之間，且隨著加載級數(shù)的增加呈先減后增的趨勢。內(nèi)筒軸向應(yīng)變ε⊥2在-900 ～-176.5 με之間。應(yīng)變的小值均是由第5～8級加載測得，內(nèi)筒環(huán)向應(yīng)變εθi的大值由第7級加載測得，外筒環(huán)向應(yīng)變εθe的大值由第2級加載測得，內(nèi)筒軸向應(yīng)變ε⊥2的大值由第4級加載測得。

表2為中點(diǎn)法Y01原狀軟碎巖體變形參數(shù)，由表2可以看出：

(1)壓縮模量并非一個常數(shù)，其在279.09～11 457 MPa之間變化，且隨著加載級數(shù)的增加呈先增后減的趨勢。模量的小值系由第1級加載算得，模量的大值系由第6級加載算得。

表2 中點(diǎn)法Y01原狀軟碎巖體變形參數(shù)表

(2)壓縮模量與加載級數(shù)或與軸向壓力σ1顯著相關(guān)。總體上表現(xiàn)為：加載級數(shù)越高，軸向壓力σ1越大，所算得的Es越大。并且第6級加載所得模量幾乎是第1級加載所得模量的41倍。第2級加載和第3級加載是整個加載過程中模量相差最小的，第7級加載和第8級加載算得的模量值相差小于57%，反映了軟碎巖體由原狀到密實(shí)的變化過程。

(3)泊松比并非一個定值，其在0.07～0.42之間變化，且隨著加載級數(shù)的增加呈遞減的趨勢。泊松比的大值是由第2級加載測得，泊松比的小值是由第8級加載測得。泊松比隨加載級數(shù)的變化大體上和模量隨加載級數(shù)的變化趨勢相反。

(4)泊松比與加載級數(shù)或與軸向壓力σ1顯著相關(guān)。總體上表現(xiàn)為：加載級數(shù)越高或軸向壓力σ1越大，所算得的泊松比μ越小。并且第2級加載所得泊松比最大，是第8級加載所得泊松比的6倍。第5級加載～第8級加載每兩級加載增量比剛開始第2級加載～第5級加載小，到第8級加載時原狀樣已很難被壓縮，μ取到最小值反映了軟碎巖體由原狀到密實(shí)的變化過程。表3及表4為原狀軟碎巖體各級載荷下的變形參數(shù)。

從表3和表4對軟碎巖體原狀樣進(jìn)行的壓縮試驗(yàn)結(jié)果中可以總結(jié)出軟碎巖體的以下特征：

(1)原狀軟碎巖體試樣總應(yīng)變較大，試樣總應(yīng)變達(dá)3.93%，由總應(yīng)變所得的變形模量Eq介于22.7～1 005 MPa，變形模量值隨著軸向壓力的增加而變大；

(2)加載階段的變形模量Ej亦隨軸向壓力增加而變大，且波動較大；

表3 原狀軟碎巖體各級載荷下的變形參數(shù)表

表4 原狀軟碎巖體各級載荷下的變形參數(shù)表

(3)似壓縮模量Es隨著軸向壓力的增加明顯變大，呈似線性關(guān)系；

(4)泊松比隨著軸向壓力的增加而減小；

(5)各級荷載下，穩(wěn)壓階段的試樣仍出現(xiàn)較大的時效變形，說明軟碎巖體具有固結(jié)變形特征。

5 結(jié) 語

研究結(jié)果表明：環(huán)向約束作用對軟碎巖體變形特性的影響十分顯著，隧洞開挖后圍巖的約束作用減小，軟碎巖體變形參數(shù)顯著劣化，圍巖穩(wěn)定性顯著降低。因此合理、及時的初期支護(hù)措施能夠有效提高圍巖的環(huán)向約束作用，從而提高圍巖的穩(wěn)定性。

軟弱碎裂巖體力學(xué)參數(shù)的有效測試是巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域的一個難題，軟碎巖體現(xiàn)場原狀取樣和室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)了隧洞軟碎巖體的原狀取樣和室內(nèi)被動三軸壓縮試驗(yàn)，獲得了原狀軟碎巖體的壓縮變形特性及相關(guān)變形參數(shù)，為水工隧洞的設(shè)計和施工提供了可靠的依據(jù)。