后云台山隧道围岩力学试验研究

后云台山隧道围岩力学试验研究

李　浩¹　徐永福²　张志泉¹

（1江苏省交通规划设计院有限公司　南京　200004；2上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院　上海　200240）

摘　要　采用单轴压缩试验和三轴试验确定云台山隧道围岩岩石的无侧限抗压强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比，为分析隧道围岩稳定性、隧道结构与围岩相互作用提供设计参数。岩石力学试验结果表明，后云台山隧道围岩等级为Ⅱ级。

关键词　隧道　岩石强度　弹性模量　泊松比　围岩分级

1　前　言

云台山自太古代以来一直在隆起、上升，经受长期剥蚀、侵蚀和历次地质构造运动，形成地垒、断块。区域地质构造位于秦岭造山带之武当—大别隆起的东延部分，北接中朝准地台，南邻扬子准地台。基岩均为中—晚元古代云台群，均为区域变质岩，岩性单一，主要为二长浅粒岩、钠长浅粒岩及各类变粒岩、片岩。后云台山隧址区附近岩层产状均向南东方向倾斜，倾角21．6°～32°。

连云港东疏港高速公路采用公路隧道方案穿越后云台山，采用双洞分离式隧道方案，右线和左线中线间距40～60 m，隧道建筑限界净宽14．00 m，建筑限界净高5．0 m，隧道长度为3．7 km，属于特长隧道。隧道施工采用新奥法。岩石力学参数是新奥法分析围岩稳定性的重要参数，本文采用单轴压缩和三轴压缩试验测量岩石力学参数，供设计参考使用。

2　试样制作

岩石试样取自地下深度125．8～160 m处，现场钻取的试样用保鲜膜包好、编号后运回实验室，用切石机、磨石机制作试样。试样要求^［1］：试样形状为圆柱形，高度与直径之比为2．0，上、下端面平行，平面度公差要求小于0．05 mm，端面与轴线垂直度偏差不超过0．25°，试样尺寸列于表1中。

试样与加压板之间加入润滑剂，减少试样的端部效应。试验加压过程中，加压板与试样之间存在摩擦力，试样端部存在剪应力，约束试样端部的侧向变形，试样端部的应力状态不是非限制性的，只有在离开端部一定距离的部位才是均匀应力状态。在试样与加压板之间加入润滑剂，减少加压板与试样断面之间的摩擦力，减少端部效应对试验结果的影响^［2］。

3　单轴压缩试验

单轴压缩试验在RMT-150B试验上完成。RMT-150B试验是国内研制的伺服刚性压力机，专为岩石和混凝土类工程材料的力学试验设计。试验系统由加载部分、测试部分和控制部分组成，允许的最大轴压为100 t。单轴抗压强度试验的单轴压缩试验加载采用位移速率控制，位移速率为0．005 mm/s。

3．1　单轴压缩应力—应变全过程曲线

单轴压缩试验的应力—应变关系曲线如图1所示。试验过程中，4号试样在加载到峰值强度一半的地方出现了细微的破裂声，随着结构面的扩展，试样承载力继续上升，应力接近100 MPa时，试样开始出现局部脱落，到达峰值强度以后，产生通体的垂直裂纹并发出清脆的破裂声。试样5号和8号在加载过程中出现了闷胀的声音，岩体强度大，峰值后表现为快速的应力降低或崩溃性破坏，发生了类似岩爆的现象，岩体四分五裂，没有规则的断裂面，出现了很多粉碎的岩块。

图1　岩石单轴压缩应力—应变曲线

从图1可以看出，虽然岩体的应力—应变关系曲线形式差别大，但大致分为4个阶段：压密阶段、弹性阶段、屈服塑性强化阶段和破坏阶段。

①压密阶段：在起始部分，曲线较为平坦，略微下凹，岩石试样内部存在一定的微裂隙、节理面，试样受到外部压力后被压密，此后曲线进入直线阶段。

②弹性阶段：应力—应变曲线进入直线阶段，岩样表现为弹性特征，弹性阶段占主要部分。

③屈服阶段：弹性阶段后即进入屈服阶段，岩石开始产生塑性变形或者破裂，伴有结构面剪切滑移变形。横向应变速率增加，岩石体积增大，继续加荷，导致岩样破坏。单轴压缩试验中多数岩样的塑性不明显，弹性阶段后达到峰值强度，强度迅速降低；个别岩样表现出较强的塑性特征，出现明显的塑性平台期，如7号试样。应力—应变曲线差异的主要原因可能是岩石矿物成分和内部微裂隙分布不同造成。

④破坏阶段：超过峰值强度后，试样破裂，应力—应变曲线急剧下降。

单轴压缩试验中，加在初期岩石内部微裂隙、微孔洞压密，岩样表现出明显的弹性特征，应力—应变曲线呈直线；随着荷载增加，达到峰值，岩石内部原生微裂隙的边沿尖角处产生应力集中，导致了原生微裂隙扩展，微裂隙增大，同时岩石结构的某些薄弱处萌生新的微裂隙，应力—应变曲线随着微裂隙的发展而向下弯曲，表现为塑性特征。试样单轴压缩破坏模式如图2所示。

图2　单轴压缩试验试样破坏模式

3．2　单轴抗压强度

单轴压缩试验的单轴抗压强度为σ_c＝P/A，这里σ_c为岩石单轴抗压强度，P为试样破坏荷载，A为试样截面积。

岩石弹性模量和泊松比采用下列各式计算：

E＝（σ_b－σ_a）/（ε_1b－ε_1a）　μ＝（ε_3b－ε_3a）/（ε_1b－ε_1a）

式中，E为岩石平均弹性模量；μ为岩石平均泊松比；σ_a和σ_b分别为应力—应变曲线上直线段起点和终点的应力值；ε_la和ε_lb分别为应力σ_a和σ_b所对应的轴向应变值；ε_3a和ε_3b分别为应力σ_a和σ_b所对应的径向应变值。

岩石单轴抗压强度、弹性模量和泊松比列于表1。从表1可看出，单轴抗压强度变化范围为80．6～240．9 MPa，平均值为127．8 MPa；弹性模量变化范围为17．0～57．7 GPa，平均值为36．6 GPa；泊松比变化范围为0．11～0．24，值为0．18。验结果表明，后云台山隧道区岩体质量整体较好。

表1　岩石试验参数

4　三轴压缩试验

岩石常规三轴压缩（σ₁＞σ₂＝σ₃）试验是在南京大学TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机上完成的。该系统具有轴压、围岩、孔隙水压和温度独立闭环控制系统，主机采用美国MTS三轴主机结构，刚度＞10 GN/m，轴压2 000 kN，围压100 MPa，孔压60 MPa，温度－50～200℃，试样直径25～100 mm，数据最小采集时间间隔为1 ms，加荷速度为0．05 MPa/s。

4．1　三轴压缩应力—应变关系曲线

每组试验采用3个不同围岩：10 MPa，20 MPa和30 MPa。试样外包裹塑料纸，用电吹风熨平紧贴试样表面；施加侧向压力和轴向压力至预定围压值，并保持为常数，按0．05 MPa/s的加荷速度施加轴向荷载，直至试样完全破坏。试样的三轴压缩应力—应变曲线如图3所示。

图3中，11号、12号和13号试样的抗压强度明显大于16号、17号和18号，11号、12号和13号试样曲线的切线斜率受围压影响很小，曲线斜率基本保持一致，说明高强度的岩石弹性模量随围压增大变化不明显；强度小的试样（16号，17号和18号）曲线的斜率随着围压的增大明显变陡，说明弹性模量随着围压的增大提高，原因主要是由于围压使得岩石内部的原生微裂隙和微孔洞得到压密，围压越大，压密效果越明显，随着围压增加，岩石的峰值强度和极限应变都相应提高。随着围压的增大，岩石的变形能力提高。

从图3看出，围压对岩石强度和变形的影响明显。在线弹性阶段，低围压时，峰值强度小。峰值后岩石迅速被压坏，破坏时应力急剧降低，随着围压的增大，岩石的弹性阶段明显延长，岩石变形能力增强；峰值强度增加，岩样破坏时的峰值强度与围岩成线性正相关关系，如图4所示。

图3　岩石的三轴应力—应变曲线

岩石三轴应力—应变曲线大致可分为3个阶段：

①压密阶段：岩石内部微裂隙被外力压密，围压的作用使曲线的初始阶段没有出现下凹形态，近似为直线，直线斜率和弹性模量近似相等。

②弹性变形阶段：岩石内部微裂隙完全闭合后，随着压力增加，岩石进入弹性阶段，曲线斜率代表裂隙完全闭合下岩石的固有弹性模量，应力快速增加，应变则缓慢增加，达到峰值强度，新的裂纹快速产生、扩展。

③非线性应变发展阶段：峰值强度以后，裂纹很快扩展成裂缝，岩石试样破坏。试样破坏形式多样，部分试样沿剪切面破坏，破坏面倾角35°左右。三轴压缩试验中试样的破坏模式如图5所示。

图4　岩样围压与轴压关系

图5　三轴压缩试验试样破坏模式

4．2　粘聚力和内摩擦角

岩石三轴试验结果可用Mohr-Coulomb准则分析。Mohr-Column准则认为岩石破坏沿剪切面破坏，岩石内某个平面上的剪应力达到抗剪强度，岩石就发生破坏。岩石的内摩擦角和粘聚力由Mohr-Coulomb破坏准则确定，岩石三轴试验的Mohr圆及其包络线如图6所示，粘聚力C和内摩擦角φ列于表1中。两组试样的粘聚力分别为15．0 MPa和2．4 MPa，内摩擦角分别为58°和43°。

图6　岩石Mohr-Coulomb强度参数

5　岩体分类

云台山岩体分类如图7所示，在γ—σ_c图上，云台山岩体为Ⅰ级岩体。在μ—E图上，云台山岩体为Ⅰ和Ⅱ级岩体。综上所述，云台山岩体属Ⅱ级围岩。

6　结　论

①岩石单轴压缩试验的应力—应变关系曲线分为4个阶段：压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。云台山岩石的单轴抗压强度为80．6～240．9 MPa，弹性模量为17．0～57．7 GPa，泊松比为0．11～0．24。试验结果表明，后云台山隧道区岩体质量整体好，围岩岩体等级为Ⅱ级。岩石单轴压缩试验破坏面较为规则，破坏面倾角在35°左右。

②岩石三轴压缩试验的应力—应变关系曲线分为4个阶段：压密阶段、弹性阶段、非线性应变阶段和破坏阶段。三轴压缩试验结果表明，围压对岩石的变形和强度影响明显。随着围压的增大，岩石的弹性阶段明显延长，岩石变形能力增强；随着围压的增大，峰值强度增加，岩样破坏时的峰值强度与围岩成线性正相关关系。

图7　围岩分类图

③云台山两组岩石试样的粘聚力分别为15．0 MPa和2．4 MPa，内摩擦角分别为58°和43°，围岩岩体等级为Ⅱ级。

参考文献

［1］中交第二公路勘察设计研究院．公路工程岩石试验规程（JTG E41—2005）［S］．北京：人民交通出版社，2005．

［2］张永兴．岩石力学［M］．北京：中国建筑工业出版社，2004．