某地铁车站砂岩三轴力学特性试验分析

费广清，宋广辉，吴平

（1.安徽建工检测科技集团有限公司，安徽 合肥 230031；2.安徽省公路桥梁工程有限公司，安徽 合肥 230031；3.绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031）

1 引言

地铁车站等基坑开挖常遇到岩石地层，岩石的力学性质直接影响施工方案设计。如何准确获取岩石力学参数、了解开挖区域岩石破坏特征对于设计、施工单位在选择施工机械、施工工艺等过程极其重要。岩石的三轴试验是室内准确获取岩石力学参数的主要手段之一[1]，其获得的粘聚力、内摩擦角、泊松比等物理力学参数能为车站基坑开挖提供有力的数据支撑。

国内外学者应用室内三轴试验研究砂岩力学特性已取得了丰硕的研究成果，如姚华彦等[2]开展了干湿交替作用下砂岩的三轴压缩试验研究，分析了围压对砂岩峰值强度的影响，得出砂岩的峰值强度均随着围压的增大而增大；吴平等[3]考虑水对砂岩的影响，开展了干燥与饱和状态红砂岩的力学特性；张骏[4]讨论了两种风化程度砂岩的强度特征和破坏特性；依托具体工程背景，陈小伟等[5]对眼前山铁矿的磁铁石英岩、绿泥千枚岩以及混合岩开展了三轴压缩试验，分析各岩样的力学特性；余莉等[6]针对兰州市某超高层建筑通过三轴试验获取砂岩剪切强度参数，分析基坑开挖引起周围力学性质变化规律；刘海壮等[7]通过三轴试验得到了某隧道泥质砂岩围岩的力学参数。

在某地铁车站施工的工程背景下，针对车站开挖中风化砂岩，开展了不同围压下风化砂岩的三轴试验研究，通过试验分析获得了风化砂岩准确的基本力学参数，结合砂岩破坏时的状态，进一步探讨了砂岩的破坏特征，为地铁车站基坑方案设计提供重要参考依据和数据支撑。

2 工程概况

某车站为地下2 层12m 岛式车站，单柱双跨矩形框架结构，采用φ1000@1400mm 钻孔灌注桩+内支撑支护形式和明挖法施工。车站紧邻周边商住小区（最近距离不到3m），共设3 个出入口和2 组风亭。车站中心里程处顶板覆土约3.2m，标准段基坑深度约17.1m。标准段外包总宽20.7m，有效站台宽12m，车站外包总长为295m。

根据初步勘察资料，车站地层分布主要为杂填土、素填土、淤泥质粉质粘土、黏土、全风化砂岩、强风化砂岩和中等风化砂岩等。车站基坑开挖深度17.1m，开挖深度约10m 以下主要为风化砂岩，特别是中风化砂岩，岩体强度高，采用常规施工方法难以保证工期、难以控制噪声和振动对周围构筑物及居民的影响等。

为保证工程工期，选择更加合适有效的施工方案，针对车站开挖地层风化砂岩开展室内三轴试验，以准确了解和掌握岩体力学特性，为车站开挖方案的制定提供数据支撑。

3 试验概况

试验以风化砂岩为研究对象，试样采样点位于车站施工现场同一位置，尽量均质，以保证试验获得的砂岩力学参数准确可靠。试样取样后严格按照《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-2013）[8]相关要求进行加工，将原样切割、打磨制作成标准试样（直径50mm、高100mm、圆柱形），尺寸误差不超过2mm，如图1所示。

图1 砂岩试样

试样制作后用保鲜膜包裹并放置于泡沫纸箱[7]中，随后运至实验室。试验主要依托省重点实验室的GYSY-2000型伺服控制高温岩石三轴仪（图2）。三轴仪最大围压60MPa（加载速度0.01～0.5MPa/s）、最大轴力达2000kN（加载速度0.01～50mm/min），完全可以满足本项目中风化砂岩的三轴试验要求，轴向应力应变等试验数据由计算机自动采集并实时记录。

图2 GYSY-2000型伺服控制高温岩石三轴仪

为更准确地获得车站基坑岩体实际受力状况及其力学参数，试验方案设计重点考虑对砂岩在三轴压缩条件下的力学变形特征研究，以获得中风化和强风化砂岩的压缩模量、粘聚力、内摩擦角等重要力学数据和应力应变曲线，为选择合适的施工机械和工艺、准确制定开挖方案提供基础。因此，试验按强风化砂岩和中风化砂岩共16 个标准试样，按4级围压（0MPa、5MPa、10MPa、15MPa）分为4 组，每组2 个试样，以减少试验试样离散性和偶然性对结果的影响。

具体步骤如下：①试样按岩体类别和围压进行编号（如强风化砂岩QXX），测量并记录试样基本尺寸（高度和直径）；②试样底部固定在试验基座，顶部与刚性圆柱形垫块连接，采用黑色胶带密封交接面；③安装轴向引伸计（固定在基座和顶部垫块）和环向引伸计（安装在试样中部）分别测量试样轴向和环向变形；④将试样安装至三轴仪平台，基座与平台螺丝连接固定，连接引伸计数据线并清零，开始试验；⑤按《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-2013）有关规定进行三轴试验，实时记录应力应变、破坏照片等数据；⑥按②～⑤重复操作，完成所有试样的三轴试验。

4 试验结果分析

根据试验结果，计算得到所有试样的基本力学参数，如表1所示。

表1 试验结果

4.1 应力应变特征

为模拟砂岩在实际工程中的力学状态，特按4 级不同围压开展三轴压缩试验研究。不同围压下强风化砂岩和中风化砂岩的全应力-应变关系曲线如图3所示。

图3 试样全应力-应变曲线

由表1和图3可见，试样的峰值强度和压缩强度随围压增大而增大，但泊松比几乎不受围压影响。考虑风化程度影响，相同围压下，中风化砂岩的峰值强度和压缩模量均显著大于强风化砂岩，其泊松比略大于强风化砂岩。具体来说，对于强风化砂岩，围岩压力0MPa 时其偏应力为10.26MPa，围压增大至15MPa 时，其偏应力增大至29.16MPa；而对于中风化砂岩，围压分别在上述两级时其偏应力为 130.18MPa 和200.68MPa。围岩15MPa 强风化砂岩压缩模量是围岩0MPa 的1.72 倍，而围岩15MPa 中风化砂岩压缩模量是围岩0MPa的1.66倍。

由全应力-应变曲线（图3）可见，无论是强风化还是中风化砂岩，其应力应变关系主要经历以下4 个阶段。①荷载加载初期，砂岩内部孔隙和微裂纹被压密，曲线上表现出轴向压力增大幅度小但轴向应变迅速增大的趋势，且轴向应变量变化速度快，称为压密阶段。②经压密阶段后，砂岩内部初步孔隙和微裂纹已趋于稳定，即裂纹和孔隙闭合，随轴向荷载增大，轴向应变随之线性增加，称为弹性阶段。③随轴向荷载继续增大，砂岩内薄弱部位如孔隙、裂隙等缺陷会再次出现裂纹，宏观表现出试样表面或内部出现微裂纹。微裂纹在轴向荷载的不断作用下发展、延伸、贯穿，产生塑性变形，此时轴向应变速率变慢，轴向应力逐步达到峰值，称为塑性破坏阶段。④轴向荷载继续增大超过峰值应力后，应力应变曲线突然陡降，宏观表现为试样发生脆性破坏，称为脆性破坏阶段。中风化砂岩均表现为峰值应力后突然脆性破坏，但强风化砂岩试样在围压5MPa作用下，峰值应力后呈现出二次强化阶段，可能是由试样内部结构差异引起。

根据试验结果，运用摩尔-库伦准则[9]，绘制出强风化砂岩和中风化砂岩的应力摩尔圆，如图4 所示。通过数据拟合可得到强风化砂岩的粘聚力为2.59MPa，内摩擦角为25.24°；而中风化砂岩的粘聚力为26.63MPa，内摩擦角为41.93°。

图4 应力摩尔圆

4.2 破坏特征

不同围岩下强风化砂岩和中风化砂岩试样的破坏情况如图5 所示。由图5可见，整体上看，中风化砂岩破坏时的破碎程度低于强风化砂岩。由于强风化砂岩破坏时试样破碎程度太高，无法真实分析破坏特征，特选取中风化砂岩试样进行分析。

图5 不同围岩下砂岩试样破坏情况

中风化砂岩试样破坏形式包括脆性破坏、延性破坏和剪切破坏。当周围无约束时（围压为0MPa 时），试样只在轴向应力作用下发生变形，试样顶部到底部出现多条贯通裂缝，试样发生脆性破坏（图5 中Z1-1 和Z1-2）。当周围约束增大，即围压为5MPa 时，试样破坏时出现与试样底面呈现60°的剪切破坏面（图5 中Z2-2）。当周围约束继续增加至10MPa 时，试样顶部出现楔形锥体，沿试样中间向下劈开，将试样切割为对称两部分（图5 中Z3-1）。当围压为15MPa 时，试样破坏时呈现试样对角剪切面，将试样剪切破坏（图5 中Z4-1）。可见，随着围岩压力增大，即岩石周围约束增大，砂岩破坏形式由脆性崩坏转为剪切破坏，且剪切面随着围压的增大逐渐发展至对角面。

5 结论

为给某车站基坑开挖提供准确的岩体力学参数，本文开展了不同围压作用下强风化和中风化砂岩三轴压缩试验研究，主要结论如下。

①试验得到强风化砂岩粘聚力为2.59MPa，内摩擦角为25.24°；而中风化砂岩的粘聚力为26.63MPa，内摩擦角为41.93°。

②试样的全应力-应变曲线主要经历压密阶段、弹性阶段、塑性破坏阶段和脆性破坏阶段，且试样的峰值强度和压缩强度随围压增大而增大，但泊松比几乎不受围压影响。

③砂岩试样破坏形式主要为脆性破坏和剪切破坏，且破坏形式随着围压变化而不同。