贯通节理砂岩峰后变形试验研究及其在隧道支护中的应用

平 洋,李树忱,汪 雷

(山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南 250061)

贯通节理砂岩峰后变形试验研究及其在隧道支护中的应用

平 洋,李树忱,汪 雷

(山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南 250061)

深部资源开发中地下硐室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,但目前对峰值强度后的变形特征和强度特性研究不足,认识不充分,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用RLW－1000型岩石三轴伺服刚性机对不同围压贯穿裂隙圆柱体标准试件进行常规三轴压缩试验,分析裂隙岩体在不同围压下裂隙岩体的峰后强度和变形特性。试验结果表明:裂隙试件的峰值强度,残余强度和峰值应变基本上是随着围压的增大而增大;围压越小,裂隙岩石峰后扩容现象越明显,岩石扩容随围压增大而减小,且岩石可塑性和围压共同影响岩石扩容。结合试验结果分析发现将峰后非连续体变形控制在残余强度的初始阶段,能以相对较低的支护阻力有效控制过高的破裂膨胀变形发生,保证隧道围岩的稳定。

围压;峰后;隧道支护;三轴压缩试验;残余强度;最佳支护力

岩石类材料的峰后力学行为一直是岩石力学研究领域的重点,也是难点之一。现在已经有足够的证据证实:巷道围岩存在断裂带是普遍现象,巷道支护所涉及的对象正是这些处于峰后的破裂岩体,巷道地压的显现也正是峰后破裂岩体的力学表现。研究岩石材料在峰后力学行为对于指导巷道支护具有重要的意义[1－3]。

在20世纪五六十年代,Bridgeman和Handin就对剪胀进行过研究。之后,Brance等在高围压下做了系统试验,并阐明了宏观破裂之前出现微裂纹的过程[4]。W.R.Wawersik和Fairhurst对一些比较坚硬的岩石如砂岩等进行了峰后试验和研究,提出了将岩石单轴压缩试验的全过程曲线峰值后特性分为“Ⅰ型”和“Ⅱ型”两个基本类型,这种分类法似乎已成为被普遍接受的定论[5]。T.G.Joseph通过试验得出了峰值强度与残余强度的关系曲线,得到随着围压的增大,峰值强度和残余强度不断增大[6]。Fang等在岩石三轴试验基础上,提出了强度退化指数的概念,利用强度退化指数可以较好地拟合岩石峰后强度试验数据和围压的关系[7]。李晓[8]利用MTS电伺服岩石力学试验机对煤矿顶板页岩进行了峰后蠕变试验,建立了岩石峰后的统计损伤模型。陈庆敏通过改造普通试验机进行了岩石残余强度与变形特性的试验研究[9],研究指出,岩石的残余强度与残余变形不再是岩石材料的本质属性,而是岩块与岩块之间的结构属性。靖洪文等[10－11]分析不同围压下岩石应力－应变试验中完整岩石强度、剪胀力及体积应变随围压的变化情况规律,揭示了高应力作用下松动圈巷道围岩大变形的力学机理,提出了破裂岩体围岩与支护相互作用及最佳支护力位于“剪胀二期”初始点的新观点。杨米加和贺永年[12]采用预先制裂的方法,即先使岩样在单轴和三轴压力下破坏,然后测试其随荷载变形的特性,通过在伺服试验机上进行岩石破坏后强度试验,得出了岩石破坏后强度随围压的增加逐渐由不稳定向稳定过渡的特性,并得出了岩石的二次峰值强度与初次破坏状态的统计关系式。韩立军认为破碎岩峰后呈现的是结构效应,并采用套管对试件加以环向约束,应用能量耗散原理对岩石全应力应变过程进行分析,对环向约束条件下岩石破坏后的结构效应和锚注加固特性进行了细致深入的研究[13]。杨超等[14]运用Hoek提出的由主应力圆包络线确定黏聚力和内摩擦角等效数值的方法和曲线拟合的方法,研究了围压对软岩峰后软化特性的影响以及软岩峰后宏观物性参数的应变软化规律。目前对于含有节理裂隙的岩体峰后变形特性影响三轴试验的研究鲜有报道[15－16],由于岩石力学属性的复杂性以及试验设备、测试手段的限制,这方面的研究也一直是一个难点,而开展此类研究并将其应用到实际工程中具有一定的实际意义。

深部资源开发中地下硐室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,而对峰值强度后的变形特征和强度特性研究不足,认识不充分,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故,为了充分了解破裂岩石本身的自稳性能,本文采用室内三轴压缩试验分析了在不同围压下砂岩的峰后特性,试验结果可反映深部地下工程围岩在不同支护所形成的结构性约束条件下的承载能力和稳定性。

1 室内三轴压缩试验

1.1 试件制备

试件选用高100 mm、直径50 mm的标准圆柱形岩石试块,如图1所示(图中β为加载面与节理面间的夹角,β的取值分别为30°和50°)。

图1 含贯通节理的岩体受力分布Fig.1 The stress distribution of jointed specimen

试件采用标号425普通硅酸盐水泥、砂子、水、减水剂按照1∶2.60∶0.35∶0.02的比例进行配比,在搅拌机中搅拌120次,然后再加水搅拌120次,搅拌均匀之后将混合材料放入制作好的模具中(为了达到制作直径50 mm、高度100 mm的标准岩石试块,由于取芯后还要上、下两端打磨,所以矩形模具的尺寸也要做成稍微大些102 mm×102 mm×102 mm),然后在振动台上振动150 s,振动之后的材料已经稍微有强度和一定的和易性,再用0.1 mm厚的薄钢片沿着模具的刻槽插入预制出不同角度的裂隙,并在混合物初凝之前拔出薄钢片。养护24 h后拆模,再养护28 d。

将养护好的试件用取芯机取芯,得出节理在中间的标准圆柱体岩石试块(图2)。再用打磨机将两端打磨平整,得到含不同倾角预制贯穿节理的类岩石材料的标准试件。按照上述比例配置出的类岩石材料与现实工程中的砂岩较好地符合了相似理论的要求。通过一系列的试验得出此材料制作的完整试件的物理力学参数见表1。

图2 含贯通节理的岩石试件示意Fig.2 Schemes of jointed specimen

表1 模型材料和砂岩的物理力学参数测试指标Table 1 Physical-mechanical parameters of mortar sample and sandstone

1.2 试验设备及加载条件

试验采用山东大学RLW－1000型岩石三轴流变仪完成(图3),其主要技术参数如下:

(1)加载系统:最大轴向压力为1 000 kN,最大围压为50 MPa,测量精度为±2%。

(2)应变测量系统:最大轴向变形为8 mm;最大径向变形为4 mm;测量精度均为±0.5%。适合试样尺寸为直径50～75 mm、高度100～150 mm。

图3 RLW－1000伺服三轴压力机及位移传感器装置Fig.3 RLW－1000 servo-controlling testing machine and schemes of displacement sensor

(3)数据采集系统:可以连续工作1 000 h;试验中可以记录环境温度,实时记录绘制应力、应变和时间关系曲线;并可以随时输出数据,以便深入分析。

2 试验结果分析

整个试验过程由计算机自动采集记录应力－应变全过程,对每个节理倾角试件系列,进行了完全相同试验条件的重复试验,每个系列做出5个,选取中间值作为该角度的代表,则试验结果见表2。

表2 贯穿裂隙试件三轴压缩试验结果Table 2 The test results of the fractured specimens under triaxial compression

2.1 围压作用下峰后岩石强度基本特性

对于岩石的强度特征,国内外很多学者[15－18]已进行了多方面的研究,但对峰值后岩石强度的基本特性研究较少。对于深部巷道围岩支护来讲,岩石峰值后强度特性又显得尤为重要。

以倾角为30°和50°为例,分析围压对含贯通节理砂岩的峰值强度和残余强度的影响,如图4所示。拟合得到峰值强度和残余强度与围压变化之间的函数关系如图4中的实线(倾角为30°)和虚线(倾角为50°)。从图中可知:

图4 裂隙岩体强度与围压关系曲线Fig.4 Relationship between strength of fractured rock mass and confining pressure

(1)随着围压增加,类砂岩峰值强度和残余强度曲线呈非线性增大,随着围压增加,类砂岩峰值强度的增大率逐渐减小,趋于平稳。当围压从0增加到3 MPa时,峰值强度提高了3倍;当围压从0增加到5 MPa时,峰值强度提高了3～4倍;0～10 MPa时,峰值强度提高了3～6倍;表明在低围压条件下,围压对其峰值强度影响较大。表明在围岩未破坏前(未达到峰值强度时),围压对其强度影响较小。即峰值前围岩不需支护,大量的弹塑性力学(连续体)研究成果充分证明了这一点[11,19]。

(2)随着围压的增大,在不同倾角下类砂岩残余强度的变化趋势相似,增长幅度较大。当围压从0增加到10 MPa时,岩石的残余强度约提高12倍。峰值后,岩石表现出对围压变化很敏感。围岩破坏后,围压等价于破裂岩体所受的支护阻力,支护阻力可使其残余强度提高。它实质上反映出围岩松动圈内残余强度在不同支护阻力下的值。当节理倾角为30°时,经拟合得到的围岩残余强度与支护阻力的关系式为σ0=－0.245 1σ23+8.117 9σ3+5.825 7;当倾角为50°时,围岩残余强度与支护阻力的关系式为σ0=－0.308 3σ23+7.962 8σ3+3.443 9。围压和节理共同影响着岩体的强度。所以对于深部巷道支护来讲,从安全经济角度出发,支护阻力或者说围压有一最佳值,可根据实际工程情况确定。

为了充分利用围岩的自承力,在开掘巷道后应使安设支护的时间尽量推迟一些,这样,才能达到通过变形释放能量的效果和有利于减轻支护受载。但是为了保证安全,支护时间又不宜过晚[11,18]。

2.2 裂隙岩体应力-应变关系

峰值强度后的曲线揭示了岩石在强度峰值后仍具有承载能力的实质,虽然这种承载性在单轴情况下是不稳定的,但是对于地下岩石处于多向压缩条件下,却有重要意义[20]。全应力－应变曲线给岩石工程带来了重要信息,利用岩石强度峰值后承载能力的观念更是地下岩石工程稳定理论的重要部分。

巷道围岩破坏后的主要变形特征是应变软化,所以在此将三轴试验得到的应力(σ1－σ3)－轴向应变(ε1)曲线分为3阶段:峰前、峰后软化阶段、残余强度阶段。岩石应力－应变曲线峰前部分,岩石的力学性质一般较为稳定,在此将重点研究含贯穿节理类砂岩的峰后变形特性。在此以倾角为50°为例,分析地下裂隙岩体的力学特性。在不同围压条件下,裂隙岩体的应力－应变变化曲线如图5所示。可以看出在不同围压条件下,峰值应变随着围压的增大而增大。

图5 裂隙岩体应力－应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of fractured rock mass

弹性阶段的泊松比μ的计算采用峰值强度前近直线段的ε3/ε1,分别采用采用软化阶段和残余强度阶段ε3/ε1来定义峰后软化阶段的试泊松比和残余强度阶段试泊松比。峰前径向应变和轴向应变速率之比呈现近似线性关系,并且泊松比μ在0.20～0.25。在实验过程中峰值点之后很短的时间内,侧向应变ε3和轴向应变ε1之间的关系是非线性的,但其比值仍能从其曲线上取切线作为软化阶段试泊松比。图6展示了不同围压下倾角30°的裂隙岩石试件在各个阶段的泊松比,从图中可以看出围压对裂隙岩石试件的峰前弹性阶段泊松比影响非常小,而峰后软化阶段和残余强度阶段的ε3/ε1(试泊松比)随围压的增大而减小,且变化较大,围压越小,裂隙岩石峰后扩容现象越明显。在侧向应变ε3快速增大,明显大于轴向应变ε1的增长速率,表现为明显的侧向扩容。

图6 不同围压下裂隙岩体各个阶段的泊松比Fig.6 Poisson’s ratio of the various stages of fractured rock mass under different confining pressure

巷道的主要支护对象是围岩的碎胀变形,支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。岩石在其承载能力达到峰值强度后破裂,破碎岩在峰后区将产生显著的体积膨胀效应,表现为岩石扩容。把岩石扩容定义为:岩石在偏差应力作用下其体积由压缩转变为膨胀的转折点起直到岩石破坏为止的体积增量[19]。因此,研究岩石扩容与支护作用力之间的相互关系是确定岩石稳定状态的重要手段。在岩石力学室内试验时,则表现为岩石扩容与围压的关系。

根据试验得到试件的轴向和径向应变,由εV= ε1+2ε3,计算得到试件的体积应变。体积应变是巷道围岩收敛变形的原因。在不同围压条件下,裂隙岩体的体积应变变化曲线如图7所示。结合图5和7分析发现:随着轴向应变的增大,体积应变首先表现为弹性压缩;当岩石应力达到岩石峰值强度的1/2或2/3处时,体积应变由压缩逐渐向膨胀过渡即扩容(岩石扩容起始点定义为在弹性收缩和体积扩容两线性部分的交叉点),应力发生跌落;岩石扩容的起始点随围压的增加所需要的轴向应变也增加;岩石扩容随围压的增大而减小。从试件试验结果中可以看出:当围压小于10 MPa时,峰后由破裂和破裂岩块滑移引起的变形占总体积应变的90%～98%,而峰值前由弹塑性引起的变形量较小,占2%～10%。这再次说明巷道围岩支护对象是岩石弱化及残余强度段变形量。围压等价于破裂岩体所受的支护阻力,如果降低支护阻力至某一临界值,围岩则产生很大的变形量直至失稳,此时的临界值就是维持巷道稳定的最小支护力[11,21]。

把岩石扩容线段与水平轴线夹角定义为扩容角θ,(图7)则扩容角[21]可由以下表达式确定:

将εV=ε1+2ε3代入式(1),可以推导出扩容角与应变的关系式:

图7 不同围压裂隙岩体应变－体积应变曲线Fig.7 Strain-volume strain curves of fractured rock mass under different confining pressure

3 硐室围岩与支护相互作用机理分析

隧道围岩与支护的共同作用,与围岩状态是密切相关的。一般开巷后应及时进行支护,但由于它在时间上的滞后性和支护与围岩间存在一定量的“自然间隙”,因此,它对围岩的弹塑性扩容变形起不到实质上的支护作用。岩石试件试验结果证实峰值前(弹塑性阶段)岩石体积应变处于压缩状态,峰值点基本为其转折点[3]。围岩破裂将使巷道稳定性降低,围岩破裂范围越大,围岩稳定性越差,但地下工程与地面结构不同,围岩破裂并不意味围岩失稳。是否失稳取决于力能否平衡,围岩破裂意味着围岩处于峰值后岩石弱化或残余强度段状态(此时围岩应力值很小),而且破裂围岩仍然具有一定的承载能力[21－22]。认清这点有利于在客观的基础上研究支护问题。

通过试验得到:围压越大,残余强度越大,则破裂围岩承载能力也越大。巷道主要支护对象是围岩的破裂膨胀及破裂后岩石块体非连续变形。巷道周边附近围岩松动圈(断裂带)的切向应力等价于岩石试件的残余强度,径向应力等价于岩石试件所受围压,也可以说破裂岩体所受的支护阻力。有效地利用围岩的自承力,又保证围岩不发生松动破坏,一个可行的办法就是使巷道支护向围岩提供一定的阻力,使围岩在承受一定阻力时有限制地向巷道空间内变形[11]。

图8为典型的硐室围岩与支护结构共同作用的关系曲线,图中p为支护力,u为围岩变形;曲线a′b′c′d′是典型隧道围岩的开挖过程的特征曲线,开挖后,围岩应力急剧减小,后趋于平稳,变形逐渐增大;直线aa′,bb′,cc′和dd′表示支护结构的特征曲线,施加支护后,支护结构的抗力近似按线弹性增加。分析aa′,bb′,cc′和dd′曲线,可见支护结构的施作时间是围岩和支护结构受力的重要影响因素之一,适当延后支护结构的施工时间可以充分发挥围岩的自承能力,有效降低支护结构的受力;而施工不及时会导致围岩的变形显著增加,产生安全隐患;比较bb′和bc′曲线可知支护刚度也会影响相互作用的因素,在同等工况下,选择支护刚度较低的柔性支护可以更大程度的发挥围岩的自承能力[23－24]。

图8 典型围岩与支护结构相互作用的关系曲线Fig.8 The interaction relation curve of typical surrounding rock and supporting structure

因此将峰后非连续体变形控制在残余强度的初始阶段,能以相对较低的支护阻力有效控制过高的破裂膨胀变形发生,保证隧道围岩的稳定。

4 结 论

(1)随着围压增加,类砂岩峰值强度和残余强度曲线呈非线性增大,峰值后,岩石表现出对围压变化很敏感。

(2)在不同围压条件下,峰值应变随着围压的增大而增大;围压对裂隙岩石试件的峰前弹性阶段泊松比影响非常小,而峰后软化阶段和残余强度阶段的泊松比随围压的增大而减小,且变化较大。

(3)体积应变是巷道围岩收敛变形的主要原因。围压越小,裂隙岩石峰后扩容现象越明显,岩石扩容随围压增大而减小,且岩石可塑性和围压共同影响岩石扩容。

(4)将峰后非连续体变形控制在残余强度的初始阶段,能以相对较小的支护阻力有效控制过高的破裂膨胀变形发生,保证隧道围岩的稳定。

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Experimental study of post-peak deformation of sandstone with pre-existing transfixion joint and its application in tunnel support

PING Yang,LI Shu-chen,WANG Lei
(Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,China)

Stability control of surrounding rock of underground caverns in deep resources development must face the post-peak deformation and failure problems of cataclastic rock mass,but the research of the post-peak deformation and strength characteristics is insufficient at the moment,so often leading to the large volume collapse,large deformation and other major projects accident.The conventional triaxial compression test of pre-existing transfixion jointed rock cylindrical standard specimen was made by using RLW-1000 type triaxial servo rigid machine in order to study the postpeak strength and deformation characteristics of fractured rock masses in different confining pressures.The results show that the peak strength,residual strength and peak strain of the fractured specimens essentially increases with the confining pressure;The smaller the confining pressure,the more obvious post-peak expansion of fractured rock,rocks expansion with confining pressure decreases,and the combined of rock plasticity and confining pressure effect rock expansion.Combined with the test results analysis found that the post-peak discontinuous deformation control in the initial stage of the residual strength,and relatively low support resistance can effectively control the excessive rupture expan-sion deformation,to ensure the stability of tunnel surrounding rock.

confining pressures;pro-peak;tunnel support;triaxial compression test;residual strength;best supporting force

TD315;TD353

A

0253－9993(2014)04－0644－07

平 洋,李树忱,汪 雷.贯通节理砂岩峰后变形试验研究及其在隧道支护中的应用[J].煤炭学报,2014,39(4):644－650.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0498

Ping Yang,Li Shuchen,Wang Lei.Experimental study of post-peak deformation of sandstone with pre-existing transfixion joint and its application in tunnel support[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):644－650.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0498

2013－04－16 责任编辑:常 琛

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB732002);国家自然科学基金面上基金资助项目(51179098);国家自然科学基金重点资助项目(51134001)

平 洋(1986—),女,湖北洪湖人,博士研究生。E－mail:pingyang.1019@163.com。通讯作者:李树忱(1973—),男,教授,博士生导师,博士。E－mail:shuchenli@sdu.edu.cn