多场耦合作用下层状含水页岩力学特性试验

万燎榕

(江西省水利规划设计研究院江，江西 南昌 330029)

工程建设必然涉及岩土工程问题，随着科学技术的不断发展和社会发展的需要，一些工程将穿越地质条件复杂的区域，大大增加施工难度，层状岩体便是比较常见的复杂岩体之一，在层状岩体区进行隧洞开挖，容易引起拱架扭曲变形、混凝土开裂以及底鼓等大变形问题，严重影响施工和运行。因此，有必要对层状岩体开展力学损伤特性研究[1- 4]。

引水式发电是目前水力水电工程中较为常见的形式之一，在长距离引水隧洞开挖施工中，不可避免会遇到各种各样的工程地质问题，层状岩体尤为常见，其对水工隧洞的开挖、衬砌支护以及后期运行等均有不同程度的影响[5- 7]，研究层状岩体力学性质对于水工隧洞的开挖支护安全具有重要意义。相关研究表明：层状岩体的力学行为不仅与岩性有关，而且与其层理倾角和含水状态密切相关，同时地下工程岩体经常处于应力场、渗流场、温度场等多场耦合作用环境，研究不同层理倾角和含水状态岩体在多场耦合作用下的力学性质是当今岩土工程界的热门话题，能够为水利、交通、矿业等工程的施工建设提供借鉴[8- 15]。

本文以某江西水利枢纽工程引水隧洞开挖过程中遇到的层状页岩为例，开展了层状含水页岩三轴渗透试验，对其力学损伤行为进行了探讨，以期能为隧洞的开挖支护参数设计提供参考。

1 工程背景及试验概况

1.1 工程背景

某水利工程引水隧洞第二标段全长3710km，最大埋深为450m，该洞段在穿越页岩段施工过程中经常发生顶拱喷射混凝土开裂、顶拱掉块以及蠕变变形等现象，顶拱最大沉降值达到28.5cm，最大底鼓值达到12.6cm，导致已支护的钢拱架不同程度发生扭曲变形等，对隧洞施工及今后的长期稳定安全运行带来极大的安全隐患。经现场查勘，该洞段的页岩层具有如下特征：①层理发育、厚度较小且层间含有较多胶结物，层理倾角变化复杂；②页岩与周围灰岩岩体组成层状复合体，岩体力学性质复杂；③节理裂隙水发育；④原设计支护刚度较弱，不满足稳定性要求。为了对围岩失稳性有一个准确判断，需对应力-渗流-损伤(不同层理倾角和含水状态)场下页岩的力学行为进行研究。

1.2 试验概况

现场取芯并在室内打磨制成直径×高度=50mm×100mm的圆柱形试件，含层理页岩取芯过程分为四种情形，倾角分别为：0°、30°、60°、90°，如图1所示。分别对试件进行烘干及浸水处理，得到平均含水率为0%、1.8%、2.7%以及3.4%的四组不同含水状态的试验组；为模拟埋深影响，将围压设置为5MPa，孔隙水压为3MPa；围压加载至预定值之后，先对各试验组的初始渗透系数进行测定，获得多场耦合作用下层状页岩的渗透特性，然后再以30MPa/min对页岩进行应力加载，直至页岩破坏，得到多场耦合作用下页岩的强度特性和变形特性。

图1 不同层状节理夹角页岩试件

2 试验结果分析

2.1 渗透特性

试验测得的多场耦合作用下层状页岩的渗透系数变化关系如图2所示。从图2中可以对比看到：在相同节理夹角情况下，随着含水率的增加，层状页岩的渗透性逐渐降低，这是因为在浸水过程中，水分子首先进入页岩较大的裂隙和节理中，水分子吸附在裂隙孔隙表面，使得页岩的渗透有效通道减少，因而渗透性降低；在相同的含水率状态下，90°倾角下的渗透性最小，最大的为0°，60°和30°情况下的渗透系数相差不大，但均明显大于90°，在0°夹角下，由于节理损伤最有利于页岩渗流通道的产生和发展，因此渗透系数最大，而在90°夹角下，由于仅在页岩试件中部产生节理损伤，但在围压效应的约束作用下，使得渗流作用减弱，因此渗透系数较小，这也间接证明了在相同地质环境下，岩层走向越小，倾角越大，洞室越稳定。

图2 渗透系数变化特征

2.2 变形特征

不同层理夹角和含水率页岩在三向应力状态下的应力-应变曲线特征如图3所示。从图3中可以观察到：在同等含水率状态下，垂直方向层理(0°)情况下的页岩的形变能力最差，表现为脆延性破坏特征，破裂面呈剪劈状；在水平方向理(90°)情况下，页岩的塑性形变能力最强，表现为延性破坏特征，破裂面呈四周环绕张裂，即类似于鼓状大变形破坏；而在30°和60°情况下，两者的变形能力介于0°和90°之间，且呈典型的剪切破坏形式，角度越大，塑性变形能力越强。相同层理夹角时，随着含水率的升高，页岩的变形能力越强，延塑性越明显，这是因为在经历不同时间的浸泡后，水对页岩有一定的软化作用，使得其颗粒之间的孔隙率增加、胶结力降低(弹模减小)，因此脆性程度减小，而延性程度增加，这也是某些洞段出现蠕变大变形的主要原因之一。

2.3 强度特征

试验获得的层状页岩强度变化特征如图4所示。由图4可以看到：在相同含水率状态下，页岩的强度随着层理夹角的增加呈递增趋势，这是因为在夹角为竖向或者偏竖向时，页岩在受到外力作用时，其损伤会沿着原有的层理面进行扩展，并最终形成宏观裂缝，导致试件失稳破坏(类似于沿晶破坏)；而在水平方向时，由于受到围压应力的束缚，若要使试件发生损伤破坏，则需要颗粒之间的相对破坏，即类似于穿晶破坏，穿晶破坏需要的应力值在一般情况下大于沿晶破坏，因此强度更高。随着含水率的增加，页岩的强度越低，这主要是由水的软化作用导致的。

图3 应力-变形特征

图4 层状页岩强度变化特征

3 力学参数与层理、含水率之间的关系

为了进一步分析层状页岩渗透性以及强度受层理夹角和含水状态的影响，参照前人研究理论和经验，假设层状页岩的力学参数(渗透系数k、强度σ)与层理夹角(φ)和含水率(ω)之间符合如下模型关系：

k/σ=a+bφ+cφ2+dω+eω2+fφω

(1)

式中，a—计算常数；b，c—与层理夹角相关系数；d，e—与含水率相关系数；f—综合影响系数。

将渗透系数k、强度σ、层理夹角φ以及含水率ω分别代入公式(1)，并采用DataFit非线性数值分析软件对试验数据进行拟合，分别得到了渗透系数与层理夹角以及含水率、强度与层理夹角以及含水率之间的关系模型，如图5所示，统计结果见表1。从图5中和表1中可以看到：对于渗透系数、层理夹角以及含水率三者之间的关系，基本呈扭曲型平面，相关系数R2=0.913，对于强度、层理夹角以及含水率三者之间的关系，基本呈上凸型，相关系数R2=0.980，可见本文所提出的多场耦合作用下层状含水页岩力学模型能很好地模拟不同地质环境下页岩的力学特征，可为该段隧洞的开挖支护设计参数提供较为准确的参数，具有一定的工程实践意义。

表1 模型拟合情况统计

图5 模型拟合效果

4 结论

(1)层状页岩的渗透性与层理夹角和含水率息息相关，夹角越大，含水率越高，渗透系数越小。

(2)在三向应力状态下，垂直层理试件呈脆延性剪劈破坏，水平层理试件呈鼓状塑性大变形破坏，而斜向层理呈剪切破坏；含水率越高，页岩的塑性变形特征越明显。

(3)垂直向层理时，试件主要以沿晶破坏为主，水平向层理时，试件主要以穿晶破坏为主，因此，后者的强度大于前者；水对页岩有软化作用，含水率越高，强度越低。

(4)根据试验数据，分别获得了层状页岩渗透系数、强度与层理夹角和含水率的关系，并拟合得到相关模型，可为工程开挖支护设计提供参考和借鉴。