凍融循環條件下含軟弱夾層隧道圍巖力學性質及破壞特征

張 立

（中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089）

川藏鐵路起自四川成都，終至西藏拉薩，線路全長近1 750 km，其中隧道總長占比超過20%，對我國社會經濟發展具有重要意義[1-3]。然而，由于我國西部地區地形起伏大，地質條件復雜，巖體多具有大范圍裂隙或軟弱夾層，不良工程地質問題突出，給川藏鐵路隧道工程建設帶來了很大的難題[4-5]。因此，研究軟弱夾層對隧道圍巖工程力學性質的影響在川藏線隧道工程建設圍巖支護工作中至關重要。

受地質構造運動的影響，川藏鐵路沿線工程地質條件較差，巖體中存在大量充填型節理，導致巖石力學性質發生劣化，強度大幅降低[6-7]。此外，圍巖的力學性質也受節理的傾角控制[8-10]。因此，研究夾層傾角對巖體力學性質的影響十分重要。張澤林等[11]研究發現含泥巖軟弱夾層的巖體的剪切破壞均發生在軟弱層內部，且隨軟弱層厚度和傾角的增加，傾角在0°～60°范圍內，試樣的剪切強度逐漸降低。丁恩理等[12]對某水電站泥巖-白云巖互層情況進行研究，室內采用相似材料制備了不同層厚比和夾層傾角條件下的互層巖體并開展了力學試驗，發現互層巖體的強度隨夾層傾角的增大而逐漸減小，且巖體中軟層厚度越大，巖體整體強度越低。湯友生等[13]指出弱夾層對煤系砂巖的單軸抗壓強度具有明顯的弱化作用，巖體的抗壓強度隨夾層傾角的增加呈現出先減小再增大的變化規律，且在傾角為30°時夾層對強度的弱化效應最顯著。

由于研究區氣溫波動較大，且隧道的建設、運行周期較長，凍融循環影響下隧道圍巖發生物理風化，巖石內部產生大量微裂隙，其力學性質均產生較大的損傷[14-16]。張君岳等[17]開展了凍融循環下紅砂巖物理力學性質研究，并指出紅砂巖在凍融損傷過程中出現了裂紋、顆粒脫落和片落三種劣化模式，且其孔隙率隨凍融次數增大而增大，縱波波速和抗壓強度隨凍融次數增大而逐漸減小。宋彥琦等[18]研究發現隨著凍融循環次數的增加，灰巖的抗壓強度、彈性模量、泊松比等力學參數逐漸減小，彈性波速也逐漸減小，但巖石的塑性變形能力有所增強。劉新喜等[19]深入研究了凍融循環對炭質頁巖力學性質的影響，并指出隨凍融循環次數、應力水平和時間增加，炭質頁巖軸向應變逐漸增大。綜上所述，嚴寒氣候會顯著劣化川藏鐵路隧道圍巖的安全性和穩定性，研究凍融循環對含軟弱夾層巖體力學性質的影響具有十分重要的意義。

本文以川藏鐵路某隧道圍巖為研究對象，室內制備了不同夾層傾角、不同凍融循環次數條件下的含軟弱夾層巖體，研究夾層傾角和凍融循環對隧道圍巖力學性質及破壞特征的影響。本研究旨在為嚴寒氣候與不良地質條件下川藏鐵路隧道圍巖支護工作提供一定的借鑒作用。

1 試樣制備與試驗設計

1.1 試樣制備

根據現場調查結果，川藏鐵路成都—林芝段某隧道圍巖為白堊紀紅砂巖，且發育有薄層泥巖軟弱夾層，泥巖夾層厚度在2～3 cm之間，強度較低。對取自工程現場的紅砂巖巖塊鉆孔取芯并進行切割，作為夾層巖體中的硬巖部分；利用石膏模擬夾層巖體中的軟弱夾層部分，設計石膏層厚20 mm。按照《工程巖體試驗方法標準》[20]將軟、硬部分組合制備為φ50 mm×100 mm的標準巖體，制備完成的含夾層巖體如圖1所示，其物理參數如表1所示。

表1 含軟弱夾層巖體物理參數Table 1 Physical parameters of rock mass containing weak interlayer

圖1 巖體試樣Fig.1 Rock mass specimens

1.2 試驗設計

為進一步研究凍融循環對含軟弱夾層巖體力學性質的影響，室內設計了4種不同循環次數（n為0，10，20，30 次）下的含軟弱夾層巖體單軸壓縮試驗。凍融循環試驗操作流程如下：

（1）將含軟弱夾層巖體試樣全部放入真空飽和設備中進壓飽和48 h。

（2）取出試樣并擦干后，利用TDS凍融試驗機對含不同夾層傾角的巖體試樣進行凍融。其中，上下限溫度分別為20，-20 ℃。每次凍融循環為12 h的冷凍后，將巖體試樣放入20 ℃水中浸泡12 h進行常水溫融化。

利用RMTS-150型巖石力學測試系統開展含軟弱夾層巖體的單軸壓縮試驗，該設備可實現最大軸壓為1 000 kN。利用LVDT位移計進行軸向位移監測，其量程為-2.50～2.50 mm，上述試驗設備精度均在0.5%以內。

2 試驗結果分析

2.1 破壞特征分析

表2展示了不同試驗條件下含軟弱夾層巖體單軸壓縮破壞形態特征。在單軸壓縮試驗條件下，含軟弱夾層巖體均發生了破壞，巖體的硬巖部分變形較小，而軟巖夾層部分的破壞比較強烈。軟巖夾層的橫向變形較硬巖部分大，巖體不同部分間表現出明顯的非協調變形。當夾層傾角較小時（β=0°、30°），巖體破壞后斷裂裂紋出現在軟弱夾層部位，且其與夾層傾角接近平行，而硬巖部分僅出現細小微裂紋；當夾層傾角較大時（β=45°、60°），巖體破裂面與夾層呈X型交叉狀，穿夾層滑移在硬巖部分與軟弱夾層均產生了明顯的大裂紋。凍融循環對巖體的破壞形態也有一定的影響。

由表2可知，隨著干濕循環次數的增加，相同夾層傾角條件下巖體的破壞模式基本一致，但其破壞程度越來越強烈。分析認為，在凍融循環試驗條件下的影響下，巖體內部礦物顆粒產生了不協調膨脹，進而產生了微裂紋。此外，冷凍條件下巖體內部水分結晶膨脹，并在融化過程中流失，也導致了巖體內部出現大量微裂紋。因此，凍融循環后含軟弱夾層巖體的破壞更加強烈。

表2 不同試驗條件下巖體破壞形態特征Table 2 Faliure characteristics of rock mass specimen under different testing conditions

2.2 應力應變曲線

圖2為典型含軟弱夾層巖體單軸加載應力-應變曲線及變形破壞過程。由圖2中（a）可知，在低應力作用下，含軟弱夾層巖體應力應變曲線呈下凹型，巖體內部孔隙被逐漸壓密，此時巖體整體并未出現明顯裂紋或破壞。隨著軸向荷載的逐漸增大，巖體進入彈性變形階段。由圖2中（b）可知，夾層巖體的破壞從軟弱夾層的變形開始，當進入屈服變形階段時，硬巖部分未出現明顯裂紋而軟弱夾層部分開始破碎并脫落。此外，由圖2中（c）可知，當達到峰值強度后，軟巖夾層大范圍破碎脫落而硬巖部分僅出現局部微小裂紋。破壞后的含軟弱夾層巖體仍具有一定的承載能力，此時軟弱夾層已經完全破碎脫落，試驗停止。

圖2 典型夾層巖體單軸應力-應變曲線及變形破壞過程Fig.2 Typical stress-strain curves of rock mass with weak interlayer and deformation diagrams

圖3為不同夾層傾角、凍融循環次數條件下含軟弱夾層巖體應力-應變曲線，不同夾層傾角和凍融循環下巖體的應力-應變曲線特征存在顯著差異。當夾層傾角β=0°時，巖體的應力-應變曲線具有明顯的孔隙壓縮階段，而隨著夾層傾角的逐漸增大，這種孔隙壓縮特征變得不明顯。結合夾層巖體的變形破壞特征圖分析認為，在夾層傾角β=0°時，軸向荷載通過硬巖能夠均勻有效地傳導到孔隙率較大的軟弱夾層，因此軟弱夾層能夠大幅壓密且在后期完全破碎脫落。隨著夾層傾角的逐漸增大，巖體的破壞逐漸轉化為沿夾層角度的剪切破壞，軟弱夾層未能得到有效壓密。此外，隨著凍融循環次數的增加，含軟弱夾層巖體的塑性變形能力逐漸增強，但承載能力降低。分析認為，這是由于凍融循環導致巖體內部礦物顆粒產生了不協調膨脹，巖體內部出現大量微裂紋、損傷程度增大，因此巖體的塑性變形能力增強而承載能力變差。

圖3 不同狀態下含軟弱夾層巖體應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of muddy limestone under different water-bearing conditions

隨著凍融循環次數的增長，巖石的單軸抗壓強度不斷降低，塑性變形能力逐漸增強。以含水平夾層巖體為例，未經歷凍融循環巖體的抗壓強度為16.91 MPa，對應峰值點軸向應變為0.76%。隨著凍融循環次數的增加，巖體的單軸抗壓強度分別相對降低18.98%、30.63%和37.84%，峰值點軸向應變相對增大59.21%、61.84%和97.36%。此外，巖體的彈性模量也呈逐漸降低的變化趨勢。當夾層傾角β=0°時，0，10，20，30次凍融循環下巖體的彈性模量分別為3.86，2.70，2.03，1.55 GPa。隨著夾層傾角的逐漸增大，巖體的抗壓強度和彈性模量呈先增大后減小的變化趨勢。當凍融循環次數n=0時，夾層傾角分別為0°、30°、45°和60°下巖體的抗壓強度分別為16.91，14.82，11.07，15.55 MPa，彈性模量分別為3.86，3.53，3.03，3.63 GPa。

2.3 夾層傾角影響

基于應力-應變曲線得到不同凍融循環次數下含軟弱夾層巖體力學參數隨夾層傾角變化，如表3所示。由表3可知，在相同的凍融循環次數條件下，隨著夾層傾角的增大，巖體的單軸抗壓強度和彈性模量均先減小后增大，當軟弱夾層傾角β=0°時，巖體的單軸抗壓強度和彈性模量最大；隨著夾層傾角的增大，巖體的抗壓強度和彈性模量產生了明顯降低，軟弱夾層傾角β=30°時巖體的抗壓強度相對下降12.38%～25.87%，彈性模量相對下降6.50%～25.24%。當夾層傾角β=45°時，抗壓強度和彈性模量均取得最小值，此時巖體的承載能力最差，軟弱夾層對巖體力學性質的弱化效應最明顯。而隨著夾層傾角的進一步增大，巖體的抗壓強度和彈性模量出現一定程度的增大。以未經歷凍融循環試驗組為例，相較于β=45°條件下，當β=60°時，巖體的抗壓強度相對提高40.47%，彈性模量相對提高19.80%。

表3 不同條件下含軟弱夾層巖體力學參數Table 3 Mechanical parameters of rock mass with weak interlayer under different conditions

2.4 凍融循環影響

圖4為不同夾層傾角下含軟弱夾層巖體力學參數隨凍融循環次數變化關系。由圖可知，在相同的軟弱夾層傾角條件下，隨著凍融循環次數的增加，巖體的單軸抗壓強度和彈性模量均逐漸減小。未經歷凍融循環的巖體承載能力最強，此時巖體的單軸抗壓強度和彈性模量最大；而隨著凍融循環次數的增多，巖體的承載能力逐漸劣化，巖體的抗壓強度和彈性模量產生了明顯降低；巖體的變形能力增強，峰值點應變逐漸增大。相較于未經歷凍融循環的巖體，當凍融循環次數達到30次時巖體的抗壓強度相對下降37.84%～47.43%，彈性模量相對降低59.85%～71.62%，而峰值點軸向應變則相對增大87.84%。由此可見，凍融循環過程能夠大幅降低工程巖體的力學性質，且隨著凍融循環次數的增加，巖體的力學參數不斷劣化，這為川藏鐵路工程的長期穩定性帶來一定的威脅。

圖4 巖體力學參數隨凍融循環次數變化關系Fig.4 Mechanical parameters of rock mass evolves with freezing thawing cycles

進一步分析巖體的力學參數與凍融循環次數之間的關系，擬合結果如圖4所示。由圖可知，單軸抗壓強度、彈性模量和凍融循環次數之間呈負指數相關，即在凍融循環的影響下，巖體的抗壓強度和彈模逐漸減小但減小速率越來越慢。峰值點應變與凍融循環次數之間呈線性正相關，隨著凍融循環次數的增大，巖體的峰值點應變呈線性增大趨勢。

由于試驗條件限制，本次研究僅針對不同夾層傾角（β=0°、30°、45°、60°）和凍融循環次數條件下（n=0，10，20，30）的含夾層巖體展開了單軸壓縮試驗，而川藏鐵路沿線穿越地區的地質條件更加復雜，隧道工程所面臨的還有地應力和地下水影響，因此，后續開展不同圍壓、孔隙水壓和干濕循環等條件下的試驗研究具有深刻意義。

3 結論

（1）含軟弱夾層巖體破壞后其硬巖部分變形較小，而軟巖夾層部分的破壞較為強烈。軟巖夾層的橫向變形較硬巖部分大，巖體軟、硬夾層表現出明顯的非協調變形。當夾層傾角較小時，巖體破壞后斷裂裂紋出現在軟弱夾層部位，而硬巖部分僅出現細小微裂紋；當夾層傾角較大時，巖體破裂面與夾層呈X型交叉狀，巖體硬巖部分與軟弱夾層均產生了明顯的大裂紋。

（2）夾層傾角對巖體力學性質影響顯著。隨著軟弱夾層傾角的增大，巖體的抗壓強度和彈性模量先減小后增大，且當夾層傾角為45°時，抗壓強度和彈性模量最小，抗壓強度較含水平軟弱夾層巖體降低35.27%，彈性模量降低34.84%。

（3）在凍融循環作用的影響下，巖體的承載能力減弱而塑性變形能力增強。當凍融循環次數達到30次時巖體的抗壓強度相對下降37.84%～47.43%，彈性模量相對降低59.85%～71.62%，而峰值點軸向應變則相對增大87.84%。巖體的抗壓強度、彈性模量呈負指數型遞減，峰值點應變則呈線性增加。