杜春雷

(中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司, 遼寧 遼陽 111000)

0 引言

深部巖體多處于高地應(yīng)力狀態(tài)下，自身存儲變形勢能較高，隧道開挖及地下工程等均可視為巖體能量的釋放過程。能量釋放的主要方向即為隧道等地下工程開挖后所產(chǎn)生的臨空面，因此隧道開挖是一個經(jīng)典的形變能卸荷過程，此時巖石的抗拉能力遠(yuǎn)小其抗壓能力，且隧道臨空面在卸載過程中的張拉變形在掌子面及洞周各個方向上是不同的，此原因是產(chǎn)生隧道圍巖失穩(wěn)破壞的主要因素[1-2]。由于隧道的開挖方式與施工機(jī)械的差異使得隧道圍巖的卸荷情況不同，致使隧道圍巖出現(xiàn)不同的張拉破壞模式，如果不能及時對隧道圍巖進(jìn)行有效支護(hù)，則有可能導(dǎo)致隧道圍巖發(fā)生塌落、巖爆等安全事故[3-4]。

為了安全、及時、有效地進(jìn)行隧道開挖施工，對隧道圍巖開挖后的卸荷蠕變特性的研究勢在必行，部分國內(nèi)外學(xué)者對此種情況下的巖石力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。盧自立等[5]通過卸荷蠕變試驗(yàn)對變質(zhì)砂巖在卸圍壓情況下的蠕變破壞規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明該類巖石在峰前卸荷時表現(xiàn)為張剪性破壞模式，且隨著圍壓的逐漸增大，其脆性程度顯著降低。張雪穎等[6]基于能量理論對大理巖在卸圍壓條件下的能量特征及變形規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，大理巖在高圍壓條件下更易發(fā)生破壞，且峰前卸荷較峰后卸荷表現(xiàn)出更明顯脆性；孔隙水壓對巖石的脆性破壞起到了促進(jìn)作用，使巖石強(qiáng)度降低。

綜上分析可知，前人多在等卸荷量前提下展開試驗(yàn)研究，而隧道開挖后圍巖體應(yīng)力釋放所產(chǎn)的卸荷量在每一開挖內(nèi)并不相同，因此，開展不同卸荷量條件下的分級卸荷蠕變試驗(yàn)研究，對于隧道圍巖的卸荷蠕變破壞特性具有較大工程實(shí)際意義。本文通過對海棠山隧道砂巖進(jìn)行非等卸荷量三軸卸荷蠕變試驗(yàn)，研究分析該隧道砂巖的蠕變特性及變形破壞規(guī)律，為隧道支護(hù)與隧道開挖過程中圍巖的卸荷破壞特性分析提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

1 砂巖卸圍壓蠕變試驗(yàn)

本文巖樣為采自海棠山隧道施工現(xiàn)場的致密砂巖，無裂隙、節(jié)理等天然缺陷，整體呈灰白色。試樣在現(xiàn)場粗加工后運(yùn)至室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行細(xì)加工，經(jīng)切割、鉆孔取芯、打磨，最終加工出直徑50 mm、高100 mm的滿足國際巖石力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的圓柱試件，見圖1(a)。通過X射線衍射儀對試樣檢測可知，本文所選砂巖的主要礦物成分包括：石英、長石、方解石和蒙脫石，同時還包含微量白云石、綠泥石、赤鐵礦等物質(zhì)，巖樣粒徑為0.01～0.43 mm，干容重為28.74 kN/m3。

圖1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)巖樣

為研究非等卸荷量條件下的砂巖卸荷蠕變力學(xué)特性，試驗(yàn)均在MTS815.02多功能三軸伺服試驗(yàn)機(jī)上完成。該試驗(yàn)機(jī)是由美國生產(chǎn)的專門針對巖石類材料力學(xué)特性測試的多功能全自動伺服試驗(yàn)機(jī)，具有獨(dú)立的圍壓、軸壓和孔隙水壓加載系統(tǒng)，同時試驗(yàn)機(jī)可對試樣的軸向變形和徑向變形進(jìn)行同步測量。通過MTS815.02多功能三軸伺服試驗(yàn)機(jī)(見圖1(b))對海棠上隧道砂巖進(jìn)行定軸壓卸圍壓蠕變試驗(yàn)，在進(jìn)行卸圍壓蠕變試驗(yàn)之前先通過相應(yīng)條件下的卸圍壓三軸壓縮試驗(yàn)對每組試件所施加的荷載水平進(jìn)行確定。

首先以特定加載速率對巖樣施加圍壓至預(yù)先設(shè)定值，為研究恒軸壓分級非等卸荷量卸圍壓砂巖的蠕變特性，待變形達(dá)到穩(wěn)定后，對軸、側(cè)向變形進(jìn)行清零，按200 N/s的加載速率施加軸向荷載。當(dāng)荷載滿足第一級荷載水平且變形趨于穩(wěn)定之后，施加圍壓至預(yù)定值并保持恒定，記錄此時軸向應(yīng)變隨時間的分布規(guī)律，之后按試驗(yàn)方案逐級卸圍壓，并保持卸圍壓過程中軸向荷載σ1不變，以此來實(shí)現(xiàn)如圖2所示的卸荷應(yīng)力路徑。重復(fù)上述步驟，直至試樣失穩(wěn)破壞。

圖2 恒軸壓分級卸圍壓應(yīng)力路徑

本次恒軸壓分級卸圍壓蠕變試驗(yàn)采用加載速率為200 N/s的荷載控制方式施加圍壓及軸壓至預(yù)定值，且以同樣的速率進(jìn)行卸圍壓。為分析巖石在不同卸荷量下的蠕變變形規(guī)律，選取4組不同卸荷量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表1。試驗(yàn)結(jié)束以后，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。繪制各蠕變階段蠕變?nèi)^程曲線，其中σ1恒為60 MPa，σ3初始值為30 MPa。

表1 卸荷蠕變試驗(yàn)方案 (單位：MPa)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為非等卸荷量三軸蠕變試驗(yàn)曲線。根據(jù)表1與圖3可知，試件S1～S4卸荷量等差比分別為2、3、5和10 MPa，圍壓隨卸荷量等差比逐漸減小，相同試驗(yàn)條件下，瞬時應(yīng)變量隨每級卸荷量Δσ3的增大而逐漸遞增，卸荷等差比越大，巖石進(jìn)入加速蠕變前的蠕變時間越短，巖石失穩(wěn)破壞后所產(chǎn)生的形變量越大，巖石破壞得更徹底。在恒軸壓卸圍壓蠕變試驗(yàn)過程中，偏應(yīng)力逐漸遞增，且隨著偏應(yīng)力的逐漸增大，瞬時應(yīng)變在加載瞬間顯著遞增，隨著第一級圍壓的卸載，瞬時應(yīng)變增幅顯著降低，之后呈逐漸增大趨勢，巖石蠕變形變量先減小再增大，巖石蠕變變形量與瞬時應(yīng)變的比值同樣先減小再增大，且卸荷等差比越大，巖石在失穩(wěn)破壞時的應(yīng)變值越大，最后一級蠕變的變形量越大。以試樣S1為例，在圍壓卸荷至第六級時巖石出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，破壞時圍壓約為3.7 MPa；在第一級荷載作用下，蠕變歷時約38.7 h，其軸向蠕變量占軸向瞬時應(yīng)變的27.24%，徑向蠕變量占徑向瞬時應(yīng)變的32.475%，二者差別較小，表明巖石在卸荷蠕變剛開始階段軸向與徑向變形差別不大，隨著圍壓逐級遞減，巖石軸、徑向蠕變量占瞬時應(yīng)變的比值之差逐漸增大，在圍壓卸載至第五級荷載水平時，軸向、徑向蠕變量占瞬時應(yīng)變的百分比分別為70.28%和91.364%，與三軸加載蠕變相比，在卸荷蠕變過程中巖石的變形能力明顯增強(qiáng)，且徑向變形能力要強(qiáng)于軸向變形能力。

圖3 不同卸荷量軸向、徑向卸荷蠕變曲線

根據(jù)圖3可得非等卸荷量條件下的瞬時應(yīng)變與蠕變應(yīng)變數(shù)據(jù)，見表2。表中ε0為瞬時蠕變，ε為蠕變應(yīng)變?？芍S著卸荷量的逐漸增大，巖石在蠕變過程中，瞬時應(yīng)變與蠕變應(yīng)變均逐漸增大。

表2 卸圍壓試驗(yàn)結(jié)果(軸向)

以試樣S3為例，按照上述將時間劃分為t=0，2，4，8，12，16，20，24 h，繪制出等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。由圖可知，加載初期巖石的軸向與徑向變形相差不大，幾乎在同一點(diǎn)集中，隨著時間的逐漸延長，應(yīng)變變化量逐漸增大，隨著圍壓的逐漸減小，等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始呈發(fā)散趨勢，且增幅顯著增大，同樣在前幾級荷載作用下，應(yīng)變值逐漸趨于穩(wěn)定，巖石經(jīng)歷了衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變兩個階段，而在最后一級卸載荷載作用下，應(yīng)變值逐漸增大，表明此時巖石開始進(jìn)入加速蠕變階段，并逐漸失穩(wěn)破壞。根據(jù)文獻(xiàn)[7]所指出的確定巖石長期強(qiáng)度的方法，取等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)散點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力作為巖石的長期強(qiáng)度，由圖4可知，海棠山隧道砂巖的長期強(qiáng)度為45 MPa。

圖4 試樣S3等時應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

(1)在相同試驗(yàn)工況下，隨著每級卸荷量Δσ3的逐漸增大，其瞬時應(yīng)變量也逐漸增大，隨著卸荷量等差比的逐漸增大，巖石進(jìn)入加速蠕變的時間逐漸縮短，最終巖石破壞變形量越大，巖石破壞更徹底。

(2)恒軸壓條件下，隨著偏應(yīng)力的逐漸增大，巖石瞬時應(yīng)變在加載瞬間會產(chǎn)生一個較大應(yīng)變值，隨著第一級圍壓卸載，其增長值與開始時相比，減幅度較大，隨著時間的延長，增長值逐漸趨于穩(wěn)定；同樣，蠕變量及其與瞬時應(yīng)變的比值同瞬時應(yīng)變變化規(guī)律基本相同，且卸荷量越大，最終破壞應(yīng)變值越大，最后一級蠕變量也越大。

(3)巖石在初始加載時軸向與徑向應(yīng)變值波動較小，基本集中于某一定值，隨著時間推移波動逐漸明顯，且隨著圍壓逐漸卸載，應(yīng)變開始逐漸發(fā)散，增幅顯著提升。