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        巖石節(jié)理傾角和間距對隧道掘進(jìn)機(jī)破巖 特性影響的試驗研究

        2012-01-08 07:13:02李海波周青春莫振澤朱小明牛磊楊風(fēng)威
        巖土力學(xué) 2012年6期
        關(guān)鍵詞:壓頭節(jié)理側(cè)向

        鄒 飛 ,李海波周青春莫振澤朱小明牛 磊楊風(fēng)威

        (1. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實驗室,武漢 430071; 2. 貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測中心有限責(zé)任公司,貴陽 550000)

        1 引 言

        巖石節(jié)理特征是影響TBM(隧道全斷面掘進(jìn)機(jī))滾刀破巖性能的重要因素之一。針對這一問題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的相關(guān)研究[1-6],例如,美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院(Colorado School of Mines,CSM)通過巴西盤抗拉強(qiáng)度試驗,獲得巖石層理與加載方向不同夾角時的抗拉強(qiáng)度,以此來分析TBM 滾刀侵入方向與巖石層理面方向之間的關(guān)系對TBM 掘進(jìn)性能的影響。挪威科技大學(xué)(NTNU)則根據(jù)巖體中裂隙、節(jié)理之問的間距將其分為5 類,用裂隙因子SK(裂隙和節(jié)理類別以及弱面與隧道軸線之間的夾角的函數(shù))來評價裂隙和節(jié)理對TBM掘進(jìn)性能的影響,并建立數(shù)據(jù)庫和預(yù)測模型對實際工程的掘進(jìn)進(jìn)行有效的預(yù)測和指導(dǎo)。

        龔秋明[7-8]通過離散元軟件UDEC 對TBM 滾刀破巖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明,節(jié)理間距、方向?qū)r石破碎過程中的裂紋擴(kuò)展模式有著明顯的影響。龔秋明等[9]還研究了錦屏Ⅱ級引水隧道工程中,大理巖的層厚對TBM 破巖效果和施工進(jìn)度的影響,研究發(fā)現(xiàn),薄層巖體在滾刀下容易形成完全貫穿巖層的裂紋而形成大塊巖體,掌子面容易失穩(wěn),中層只有靠近層面才類似薄層,而厚、巨厚層巖體受巖層的影響較小,屬于正常破巖。

        Howarth[10]通過線性切割試驗研究了巖體中存在一組節(jié)理時節(jié)理的間距對破巖效果的影響,試驗結(jié)果表明,在貫入相同深度時,節(jié)理間距越小,貫入所需軸向推力越小。Wanner[11]通過現(xiàn)場調(diào)查研究認(rèn)為,含軟弱夾層的張性節(jié)理能明顯的提高鉆掘效率,其鉆掘速率將比一般平均掘進(jìn)速率高50%~100%。

        本文通過壓頭的貫入破壞試驗探討巖石節(jié)理的間距和方向?qū)侯^貫入荷載的影響,并研究不同節(jié)理傾角和間距條件下試件表面裂紋的演化模式,旨在為TBM 隧道掘進(jìn)參數(shù)確定提供參考。

        2 壓頭貫入破壞試驗

        2.1 試件材料的選取及其準(zhǔn)備

        為了使所選材料有致密的結(jié)構(gòu)和較小的孔隙率,試驗試件采用α 型高強(qiáng)石膏澆注。高強(qiáng)石膏晶粒較粗,比表面積比較小,調(diào)成石膏漿體的可塑需水量很小,硬化后孔隙率小、強(qiáng)度高,使得試件有較高的彈性模量及抗壓強(qiáng)度,并具有顯著的脆性特征。具體參數(shù)如下表1 所示

        表1 材料物理力學(xué)參數(shù) Table 1 Physico-mechanical parameters of materials

        為使試件所產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)不受到側(cè)向自由邊界的影響[12],試件尺寸采用150 mm×150 mm× 20 mm(長×寬×高)。為了保證試件力學(xué)性質(zhì)的一致性,所有試件均采用同一批次高強(qiáng)石膏。試件采用特制的鋁質(zhì)模具進(jìn)行澆注。模具內(nèi)部涂專用脫模劑,使試件脫模后的表面有很高的平整度。澆注之前在模具中插0.3 mm 的薄鋼片,澆注以后在試件初凝前抽出,利用石膏的熱膨脹性,使得裂隙閉合形成節(jié)理。

        2.2 試驗的加載以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

        試驗采用120°角的楔形壓頭,刃口的長度為 40 mm,刃寬為3 mm。試驗在經(jīng)過改裝的RMT-150C型巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)上進(jìn)行。試件的兩側(cè)用側(cè)向千斤頂通過剛性承壓板施加一定圍壓來提供約束。模擬TBM 侵入力的法向荷載由試驗機(jī)提供,試驗中把壓頭的中心部分和試件的中心對齊,避免軸向荷載的偏心。試驗過程中侵入深度通過位移傳感器測量,法向荷載通過安裝在軸向伺服千斤頂上的壓力傳感器測量。加載過程中,用CCD 相機(jī)采集試件表面裂紋擴(kuò)展圖像。試驗裝置如圖1 所示:

        圖1 試驗裝置 Fig.1 Test equipment

        2.3 試驗方案

        試驗中采用4 種節(jié)理傾角和5 種不同的節(jié)理間距,試驗?zāi)P腿鐖D2 所示。圖中D 代表節(jié)理的間距,α 代表節(jié)理面與壓頭貫入平面(TBM 開挖中的掌子面所處平面)的夾角,當(dāng)節(jié)理為水平即α =0°時,表示壓頭與試件接觸點(diǎn)到節(jié)理面的間距??紤]到試件尺寸和邊界效應(yīng),具體參數(shù)如表2 所示。

        圖2 試驗?zāi)P?Fig.2 Test models

        表2 試件節(jié)理參數(shù) Table 2 Joint parameters of specimens

        3 試驗結(jié)果及其分析

        3.1 不同節(jié)理傾角和間距情況下貫入荷載-侵深曲線特征

        圖3~6 為不同節(jié)理傾角和間距條件下,壓頭貫入過程中的荷載-侵深曲線,荷載所反映的是試件對壓頭貫入過程中的抵抗力,侵深則是壓頭貫入試件中的深度。其基本特征為:在加載初期,荷載與侵深成比例增加,當(dāng)荷載持續(xù)增加達(dá)到躍進(jìn)點(diǎn)(荷載跌落之前達(dá)到的最大值,圖中虛線所示位置)后,主裂紋迅速擴(kuò)展,荷載明顯跌落,且跌落速率相當(dāng)快,該特征說明主裂紋擴(kuò)展的突發(fā)性。

        圖7 反映的是不同節(jié)理傾角情況下躍進(jìn)點(diǎn)荷載與節(jié)理間距的關(guān)系,可以看出,當(dāng)節(jié)理傾角一定時,節(jié)理間距越大,達(dá)到躍進(jìn)點(diǎn)的貫入荷載值越大。

        躍進(jìn)點(diǎn)荷載與節(jié)理傾角的關(guān)系如圖8 所示,為了進(jìn)行有效對比,選擇不同節(jié)理角度下節(jié)理間距相同的3 種工況進(jìn)行分析,其基本規(guī)律為:在相同節(jié)理間距條件下,隨著節(jié)理傾角的增加其躍進(jìn)點(diǎn)荷載都呈先減小后增大的趨勢,當(dāng)α 為30°時,所需荷載值最小。

        圖3 α =0°時荷載-侵深曲線 Fig.3 Load-penetration depth curves atα =0°

        圖4 α =30°時荷載-侵深曲線 Fig.4 Load-penetration depth curves atα =30°

        圖5 α =60°時荷載-侵深曲線 Fig.5 Load-penetration depth curves atα =60°

        圖6 α =90°時荷載-侵深曲線 Fig.6 Load-penetration depth curves atα =90°

        圖7 節(jié)理間距與躍進(jìn)點(diǎn)荷載關(guān)系 Fig.7 Relationships between joint space and peak load

        圖8 節(jié)理傾角與躍進(jìn)點(diǎn)荷載關(guān)系 Fig.8 Relationships between joint angle and peak load

        3.2 不同節(jié)理傾角和間距情況下侵入特征

        荷載-侵深曲線所反映的是壓頭下粉碎區(qū)、塑 性區(qū)的發(fā)展導(dǎo)致試件局部區(qū)域剛度弱化以及彈性 區(qū)域的變形的綜合表現(xiàn),曲線特征反應(yīng)了巖石抗侵入的能力。用文獻(xiàn)[13-14]中定義的抗侵入系數(shù)K(kN?mm-1),即侵入單位深度所需荷載對曲線特征進(jìn)行表述,具體定義為

        式中:P 為躍進(jìn)點(diǎn)荷載(kN);U 為躍進(jìn)點(diǎn)刀具貫入深度(mm)。

        侵入功A(kN?mm)所反應(yīng)的是試件從加載到主裂紋擴(kuò)展形成荷載跌落整個過程所消耗的能量,即圖9 中 OAUΔ 面積,其表達(dá)式為:

        由于荷載的跌落與主裂紋的擴(kuò)展有關(guān),建立主裂紋擴(kuò)展與能量釋放之間的關(guān)系: 裂紋擴(kuò)展所需要的能量E(kN?mm)為圖9 中 OABΔ 的面積。

        根據(jù)試驗得到的荷載-侵深曲線,得到不同節(jié)理傾角和間距條件下的K、A、E 值的統(tǒng)計見表3。

        K、A、E 值的基本變化規(guī)律為:節(jié)理傾角一定時,節(jié)理間距越大,巖石的抗侵入系數(shù)越大,達(dá)到躍進(jìn)破碎時所需侵入功越多,裂紋擴(kuò)展所需能量越大。具體分析如下:

        不同節(jié)理傾角下,節(jié)理間距對K 值的影響如圖10 所示:(1)α = 0°時,壓頭下應(yīng)力場呈對稱分布。在達(dá)到躍進(jìn)點(diǎn)之前,5 種不同節(jié)理間距試件的抗侵入系數(shù)基本一致,都在19 左右,可見水平節(jié)理對抗侵入系數(shù)的影響很小。(2)α = 30°時,壓頭到節(jié)理面的垂直距離從1 cm 增加到4 cm,抗侵入系數(shù)呈逐漸增大趨勢,最小值為8.14,最大值為17.06,節(jié)理傾角的變化對試件抵抗侵入的能力產(chǎn)生明顯的影響,節(jié)理間距越小抗侵入系數(shù)越小。(3)α = 60°時,壓頭到節(jié)理面的垂直距離從1 cm 增加到4 cm,抗侵入系數(shù)呈逐漸增大趨勢,D = 8 cm 時抗侵入系數(shù)與D = 6 cm 時的抗侵入系數(shù)基本一致,表明在該節(jié)理角度下節(jié)理間距超過一定的值,對K 值影響明顯降低。(4)α = 90°時,D = 2 cm 時,K 值為12.91。當(dāng)D 增加到4、6、8 cm 時,K 值分別為25.00、26.19、26.00,K 值的變化波動不大,基本一致。

        不同節(jié)理傾角下,節(jié)理間距對侵入功A 以及主裂紋擴(kuò)展所需能量E 的影響如圖11、12 所示。A、E 值的變化規(guī)律為:在達(dá)到躍進(jìn)點(diǎn)之前,節(jié)理間距越大,所需侵入功越多,裂紋擴(kuò)展所需能量越大。除D = 2 cm,α = 90°外,其余工況下侵入功與節(jié)理間距線性相關(guān),主裂紋擴(kuò)展所需能量是關(guān)于節(jié)理間距的冪函數(shù)。

        不同節(jié)理間距下,節(jié)理傾角對A、E、K 值的影響如圖13~15 所示。其基本規(guī)律為:在相同節(jié)理間距條件下,隨著節(jié)理傾角的增加,A、E、K 值都呈先減小后增大的趨勢,在α = 30°時,A、E、K 值最小。

        α = 90°時,裂紋擴(kuò)展模式與其他角度不相同,對抗侵入系數(shù)、侵入功以及主裂紋擴(kuò)展所需能量的影響有著本質(zhì)的區(qū)別,在此進(jìn)行說明:由于節(jié)理與貫入方向平行,側(cè)向裂紋的擴(kuò)展被節(jié)理限制,不能有效擴(kuò)展,增加了抵抗壓頭貫入的能力。中間主裂紋則是從壓頭端部起裂,向試件內(nèi)部擴(kuò)展,所受約束越來越大,其他角度則是從節(jié)理面處起裂,向壓頭端部發(fā)展,所受約束越來越小。尤其是D = 2 cm,由于節(jié)理間距偏小,側(cè)向裂紋的擴(kuò)展被節(jié)理所限制,導(dǎo)致壓頭下應(yīng)力集中,材料過度破碎,使得K 值偏小、A 值則偏大,由于該工況的特殊性,在圖10、11 中用圓圈標(biāo)識。

        圖9 荷載-侵深曲線 Fig.9 Load-penetration depth curves

        表3 K、A、E 值的統(tǒng)計 Table 3 Statistics of the value of K, A and E

        圖10 節(jié)理間距與K 值關(guān)系 Fig.10 Relationships between joint space and values of K

        圖11 節(jié)理間距與A 值關(guān)系 Fig.11 Relationships between joint space and values of A

        圖12 節(jié)理間距與E 值關(guān)系 Fig.12 Relationships between joint space and values of E

        圖13 節(jié)理傾角與K 值關(guān)系 Fig.13 Relationships between joint angle and values of K

        圖14 節(jié)理傾角與A 值關(guān)系 Fig.14 Relationships between joint angle and values of A

        圖15 節(jié)理傾角與E 值關(guān)系 Fig.15 Relationships between joint angle and values of E

        3.3 不同節(jié)理傾角和間距情況下試樣破壞特征

        圖16 為不同節(jié)理傾角和間距條件下試樣破壞區(qū)域的裂紋素描圖,虛線表示節(jié)理,實線表示宏觀裂紋。試件編號約定:節(jié)理間距+節(jié)理傾角,為了體現(xiàn)裂紋細(xì)節(jié)各圖比例尺未進(jìn)行統(tǒng)一,以間距D 的長度體現(xiàn)。如2-30 表示節(jié)理間距D 為2 cm,節(jié)理傾角為30°。當(dāng)節(jié)理傾角為0 時,D 表示節(jié)理到壓頭的距離。

        從圖16 可以看出:節(jié)理的空間位置對裂紋的擴(kuò)展有著明顯的控制作用,節(jié)理面既是拉破壞裂紋的起裂位置,同時也對裂紋的擴(kuò)展起到了阻隔作用。節(jié)理面平行或垂直貫入方向時,裂紋空間分布近似對稱,當(dāng)呈一定角度時,裂紋則發(fā)生大的偏轉(zhuǎn)。具體分析如下:

        (1)α = 0°時:在刀具荷載作用下,試件所受力呈對稱分布,由于節(jié)理的水平分割,節(jié)理面上與侵入方向相交點(diǎn)的拉應(yīng)力迅速集中,當(dāng)節(jié)理間距偏小時,首先達(dá)到抗拉極限,裂紋起裂,并迅速向壓頭端部擴(kuò)展。

        D = 2 cm 時,環(huán)形裂紋所包圍的破壞剝離區(qū)僅限于壓頭與節(jié)理之間部分,中間拉裂紋首先從節(jié)理面上表面起裂向壓頭端部擴(kuò)展,隨后在節(jié)理面下表面起裂向試件內(nèi)部發(fā)展。

        D = 3、4、5 cm 時,發(fā)育明顯的側(cè)向裂紋以及環(huán)形裂紋,兩2 條中間裂紋近似平行發(fā)展。其順序為:中間裂紋首先從節(jié)理面向壓頭擴(kuò)展,在密實核邊緣終止,隨后刀頭兩側(cè)出現(xiàn)明顯的側(cè)向裂紋。

        D = 6 cm 時,中間裂紋從壓頭向節(jié)理擴(kuò)展,隨后出現(xiàn)環(huán)形裂紋,最后出現(xiàn)側(cè)向裂紋,最終裂紋擴(kuò)展貫通導(dǎo)致破碎塊體剝離。

        (2)α = 30°時:節(jié)理的存在破壞了應(yīng)力場的對稱性,差異變形引起的拉應(yīng)力在節(jié)理面處垂直于微裂隙表面,并使裂紋尖端產(chǎn)生大的拉應(yīng)力場,隨著荷載的增加,裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。

        D = 2 cm 時,共出現(xiàn)3 條主裂紋,其中一條的起裂點(diǎn)位于節(jié)理面上,且該點(diǎn)為節(jié)理到壓頭距離最近點(diǎn),裂紋近似垂直于節(jié)理。側(cè)向裂紋擴(kuò)展到一定程度后發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn),平行節(jié)理方向繼續(xù)擴(kuò)展。D = 4 cm 時與D = 2 cm 時基本相似,只是側(cè)向裂紋未發(fā)生偏轉(zhuǎn),擴(kuò)展到節(jié)理處終止。

        D = 5 cm 時,除環(huán)形裂紋以及垂直節(jié)理面并擴(kuò)展到壓頭的一條裂紋外,在壓頭下部處發(fā)育3 條明顯側(cè)向裂紋,2 條擴(kuò)展到節(jié)理面處終止,另外1 條平行節(jié)理方向擴(kuò)展,其末端發(fā)育垂直節(jié)理面的次級裂紋。

        圖16 試件破壞后裂紋擴(kuò)展素描圖 Fig.16 Crack sketches of the damage specimens

        D = 6、8 cm 時,基本一致,壓頭下部由剪切破壞形成的環(huán)形裂紋,并伴隨有少量次生裂紋以及1 條從節(jié)理面到密實核邊緣的拉裂紋。

        (3)α = 60°時:D = 2 cm 時,由于節(jié)理間距偏小,限制了裂紋的擴(kuò)展,導(dǎo)致壓頭下小區(qū)域內(nèi)裂紋數(shù)量明顯偏多,發(fā)育多條側(cè)向裂紋,同時發(fā)育1 條中間裂紋平行節(jié)理方向擴(kuò)展。

        D = 4、6、8 cm 時,裂紋發(fā)育形態(tài)基本一致,除部分次級裂紋以外,主裂紋發(fā)育規(guī)律如下:1 條由節(jié)理面處擴(kuò)展到壓頭的裂紋,1 條從壓頭下部的密實核區(qū)域邊緣擴(kuò)展的中間裂紋,該裂紋的最大特點(diǎn)是擴(kuò)展方向逐漸平行節(jié)理方向。

        (4)α = 90°時:試件所受力呈對稱分布,節(jié)理對側(cè)向裂紋的擴(kuò)展有明顯的控制作用,對中間裂紋的影響則較小。D = 2、4、6 cm 時,側(cè)向裂紋終止于節(jié)理面處,中間裂紋張性明顯。D = 8 cm 時,除環(huán)形裂紋和側(cè)向裂紋發(fā)育外,中間裂紋開始擴(kuò)展就出現(xiàn)大的偏轉(zhuǎn),可能是試件受力不對稱,導(dǎo)致差異變形造成的。

        4 結(jié) 論

        (1)當(dāng)節(jié)理傾角一定時,隨著節(jié)理間距增大,達(dá)到躍進(jìn)點(diǎn)的貫入荷載值增加,侵入功以及主裂紋擴(kuò)展能量也都呈增大趨勢。α =0°、90°時,抗侵入系數(shù)基本一致(除α =90°,D = 2 cm 時,抗侵入系數(shù)明顯偏低),α = 30°、60°時,抗侵入系數(shù)呈增大趨勢。

        (2)當(dāng)節(jié)理間距一定時,隨著α 角度的增加,躍進(jìn)點(diǎn)荷載、抗侵入系數(shù)、侵入功以及主裂紋擴(kuò)展能量都呈先減小后增大趨勢。在α = 30°時,各值都為其最小值,即節(jié)理面與侵入方向的夾角為60°時,最有利于刀具破巖,該工況下TBM 的掘進(jìn)速率能有效提高

        (3)節(jié)理面的空間位置控制著壓頭下試件的變形及破壞過程,節(jié)理面有利于拉裂紋的起裂,但同時又對裂紋的擴(kuò)展起到了阻隔作用,當(dāng)節(jié)理面平行或垂直貫入方向時,裂紋擴(kuò)展分布近似對稱,當(dāng)呈一定角度時,裂紋則發(fā)生大的偏轉(zhuǎn)。

        實際工程表明,節(jié)理對TBM 掘進(jìn)速率有著重要影響。本文通過試驗研究節(jié)理面參數(shù)對抗侵入系數(shù)、侵入功以及主裂紋擴(kuò)展能量的影響,對指導(dǎo)TBM 在節(jié)理巖體隧道施工中采取合理掘進(jìn)參數(shù)有著一定的參考意義。

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