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        巖質(zhì)邊坡砂巖裂隙特征對應力應變特征的影響試驗研究

        2023-05-09 13:13:39李華
        西部交通科技 2023年12期
        關(guān)鍵詞:裂隙砂巖邊坡

        李華

        摘要:為研究含初始裂隙的巖質(zhì)邊坡砂巖的力學特征,文章設計了裂隙傾角、裂隙數(shù)量、裂隙深度三個因素影響下的含初始裂隙砂巖三軸力學試驗,并基于試驗結(jié)果開展了應力應變分析。結(jié)果表明:裂隙傾角、裂隙數(shù)量兩因素均不會影響砂巖應變破壞特征,保持同一圍壓下,兩因素下的試樣應力應變曲線趨勢具有一致性;裂隙深度會影響試樣破壞特征,裂隙深度>0.08 mm時,試樣塑性強化顯著;圍壓效應仍是試樣變形破壞的最主要因素;裂隙數(shù)量、裂隙深度與試樣破壞強度呈負相關(guān),裂隙數(shù)量增多,試樣破壞強度受之影響愈顯著,但裂隙深度梯次變化下,破壞強度降幅具有均衡變化特征,各深度下試樣降幅接近;而裂隙傾角與試樣破壞強度呈正相關(guān),裂隙傾角與加載面的分布關(guān)系改變了破壞強度的變化趨勢。研究成果可為巖質(zhì)邊坡危害處理提供試驗依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:邊坡;砂巖;裂隙;應力應變;試驗

        中圖分類號:U416.03 A 23 070 4

        0 引言

        水利、交通等行業(yè)中,常遇見巖質(zhì)邊坡工程[1-2],其坡體安全穩(wěn)定性與巖層分布特征、巖體力學特性密切相關(guān),探討巖體力學特征變化,對巖質(zhì)邊坡整治具有理論依據(jù)。王繼虎、何川[3-4]為研究邊坡基巖或巖層力學特征,通過開展單、三軸等室內(nèi)力學試驗,基于試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析,探討了巖石試樣應力應變特征,從宏觀力學角度評價了工程巖體穩(wěn)定性。張安琪、趙光明等[5-6]認為,工程巖體不能僅看重室內(nèi)試驗樣品,模擬現(xiàn)場巖體狀態(tài)也很重要,因而開展了不同尺寸、不同含水率的巖石試樣力學試驗,分析了尺寸效應、含水特征等對巖石試樣力學水平的影響,豐富了巖石試驗力學研究成果。自然界中巖石本體常含初始裂隙,而在室內(nèi)試驗中模擬初始裂隙特征,對揭示巖石裂隙損傷很有意義,陳超、王星辰等[7-8]通過人工預制裂隙方法,對預制裂隙巖石試樣的拉、壓宏觀力學進行了對比,分析了預制裂隙方式以及物理特征對試樣應變破壞、應力水平影響,總結(jié)了巖石試樣強度特征與裂隙因素的理論關(guān)系,為工程巖體力學分析提供試驗依據(jù)。本文從巖質(zhì)邊坡砂巖試樣預制裂隙入手,探討了三個裂隙特征因素下的應力、應變影響,為邊坡整治設計提供試驗參考。

        1 工程介紹

        為加強北部灣城市群與南寧、柳州地區(qū)交通的聯(lián)通性,計劃在北部灣城市群與桂北地區(qū)擬建一重要交通干道,活躍地區(qū)人口、經(jīng)濟交流。在該干道K4+235區(qū)段處,存在有一巖質(zhì)邊坡,其位于公路東側(cè),整體呈南北向展開,坡體朝向正西,經(jīng)開挖后,在該坡體內(nèi)可形成橫貫面320 m長、2~40 m寬的巖質(zhì)邊坡面,坡度約為30°~35°,坡體內(nèi)巖層埋深較淺,厚度為3~8.5 m,上覆土層主要為人工種植土、粉質(zhì)黏土等,基巖材料為弱風化砂巖。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測量,該巖質(zhì)邊坡巖層傾角為45°~60°,傾向與坡向呈銳角相交,具有順層滑移面,坡體形態(tài)如圖1所示。從邊坡地形測量來看,該邊坡最高處為337.9 m,設計開挖后相對高程約為35~40 m,從巖層滑移面分布考慮,控制原始地形線與坡面線之間關(guān)系很有必要,能夠減弱邊坡滑移面與巖層軟弱面夾角。從該公路建設全域考慮,不僅在區(qū)段K4+235處,在沿線其他區(qū)段處也有類似砂巖順層邊坡,但巖質(zhì)物理狀態(tài)特征各有差異。從總體全區(qū)段順層巖質(zhì)邊坡分析,基巖破裂面特征存在一定差異,K8+126段砂巖破裂面傾角為40°,而在K6+125處砂巖破裂面傾角為60°,因而這也是全區(qū)段各巖質(zhì)邊坡出現(xiàn)滑移破壞面差異的內(nèi)在影響因素。從邊坡鉆孔地質(zhì)資料得知,所在地區(qū)最大地應力為25 MPa,地下基巖埋深深度可達4 000 m,巖土層孔隙特征包括了裂隙傾角、裂隙數(shù)量等,在不同區(qū)段各有差異,粉質(zhì)黏土分布較廣的地區(qū),所在區(qū)段的砂巖裂隙傾角較小,≤60°。結(jié)合巖質(zhì)邊坡與公路建設安全性,考慮邊坡砂巖在不同裂隙特征下力學特性,有助于揭示邊坡滑移面失穩(wěn)位移內(nèi)在機理,也能夠更清晰地了解砂巖宏觀承載力學影響變化。

        2 試驗方法

        為確保試驗結(jié)果可靠性,采用基礎巖石力學試驗方法,對含裂隙面砂巖開展力學破壞試驗,由試驗數(shù)據(jù)反映含裂隙面砂巖宏觀力學特征。試驗采用RMS-1500力學加載試驗設備,該試驗系統(tǒng)經(jīng)改良升級后,具有24通道數(shù)據(jù)采集通道,可同時進行軸、環(huán)向以及體積變形監(jiān)測,也可實現(xiàn)包括軸荷、圍壓等力學荷載更高精度的實時程控。該試驗設備最大軸荷可達1 500 kN,單級荷載最大波動頻率≤0.01 Hz,不論是軸荷或是圍壓加載,均為實時程控,誤差≤0.1%。為匹配含裂隙面砂巖力學加載,采用了圓柱式加載平臺,直徑可達45 cm,可適應不同尺寸體型的圓柱體巖石試樣,加載平臺內(nèi)所有構(gòu)件均視為剛性構(gòu)件,強度、剛度均超過巖石試樣。試驗中軸向位移采用LVDT通道數(shù)據(jù),量程為-15~15 mm,環(huán)向位移為-20~20 mm,基于不同荷載、位移等數(shù)據(jù)監(jiān)測反饋,探討砂巖試樣加載破壞過程中強度、變形特征。

        根據(jù)公路沿線典型順層巖質(zhì)邊坡鉆孔取樣,獲得了巖質(zhì)邊坡內(nèi)不同裂隙特征的砂巖樣品,從裂隙分布特征來看,其傾角最大≤90°,裂隙分布主要在試樣表面的中部區(qū)域,裂隙深度各有差異,最深裂隙深度為1.2 mm,裂隙數(shù)量也存在一定差異,現(xiàn)場鉆孔的樣品中裂隙數(shù)量最多的可達100條/m2。室內(nèi)物理力學測定表明,該巖質(zhì)邊坡砂巖含水率為0.5%~2%,經(jīng)室內(nèi)飽和試驗得到該砂巖含水率與浸泡時間關(guān)系,如圖2所示,臨界飽和度約為58%,含水率在到達臨界飽和度后并無較顯著增長,本文試驗樣品中飽和時間即以此為參照。為模擬巖質(zhì)邊坡砂巖裂隙特征影響,采用人工預制裂隙方法[7-9],按照裂隙傾角、裂隙數(shù)量以及裂隙深度三個因素進行對比分析,所有預制裂隙寬度取邊坡鉆孔樣品的裂隙平均寬度與長度,分別為3 mm、15 mm,且均分布在試樣周身中部,經(jīng)室內(nèi)加工、打磨后,制作成加載試樣,如圖3所示即為不同裂隙傾角的代表性試樣。

        根據(jù)試驗對比要求,砂巖預制裂隙三個因素分別按照邊坡實際鉆孔取樣現(xiàn)狀,其中裂隙傾角分別設定為0°~90°,梯次為15°,裂隙深度按照現(xiàn)場鉆樣上限值,設計為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm、1.2 mm,裂隙數(shù)量根據(jù)試樣表面積換算最多為10條,對比組分別設定為2條、4條、6條、8條、10條。每一組試驗方案均按照單一變量因素進行試驗結(jié)果對比,評價含裂隙砂巖力學特征差異,試驗圍壓設定為5 MPa、15 MPa、25 MPa,三組試驗參數(shù)如表1所示。

        3 預制裂隙特征對砂巖力學特性影響

        3.1 裂隙傾角影響

        基于不同裂隙傾角組砂巖試樣力學試驗,獲得了預制裂隙物理特征下試樣力學特性,如下頁圖4所示。依據(jù)圖中應力應變變化特征可知,同一圍壓組下,各試樣的峰值應變以及峰值應力后破壞特征同化性較顯著,圍壓5 MPa、25 MPa下兩組試樣峰值應變分別為1.25%、1.42%。對比兩圍壓下差異可看出,圍壓增大,最主要的影響集中在峰值應力后應變特征,圍壓5 MPa、25 MPa下峰值后應力回落幅度以前者為更大,同為裂隙傾角30°試樣在圍壓5 MPa、25 MPa下峰值應力后降幅分別為78.7%、18.6%,殘余應力分別為9.6 MPa、46.7 MPa。由此可知,初始裂隙傾角特征不會影響砂巖變形破壞形態(tài)[10],圍壓效應對其破壞特征影響更值得關(guān)注。

        從裂隙傾角影響砂巖試樣應力水平可知,在圍壓5 MPa下,傾角0°、15°、60°、90°下4個試樣破壞強度分別為34.3 MPa、39.4 MPa、60.5 MPa、80.7 MPa,而在總體上隨裂隙傾角15°變化,試樣破壞強度平均提高了14.4%。當圍壓增大至25 MPa后,傾角0°~90°的試樣破壞強度分布為37.6~131.2 MPa,較之圍壓5 MPa下分別提高了9.6%~62.5%;隨裂隙傾角梯次變化,破壞強度具有平均增幅24.6%。進行宏觀對比可知,圍壓愈大,含裂隙砂巖試樣不僅應力水平可增大,且受裂隙特征影響敏感性也會提高;裂隙分布逐步靠攏于加載方向,試樣有效承載面愈大,破壞強度得到提高,巖質(zhì)邊坡中應重點關(guān)注水平向裂隙巖層的穩(wěn)定性[11]。

        3.2 裂隙數(shù)量影響

        基于裂隙傾角45°試樣組力學試驗結(jié)果,獲得了裂隙數(shù)量對砂巖試樣應力應變特征影響,如圖5所示。根據(jù)圖中應變趨勢可知,與裂隙傾角特征影響性類似,不論裂隙數(shù)量如何增長,試樣的應力應變曲線具有相似性:兩圍壓下各裂隙數(shù)量試樣均呈應變脆化特征,但后者圍壓下應力水平降幅低于前者。同為裂隙數(shù)量6條下,圍壓5 MPa、25 MPa下峰值后降幅分別為79%、9.9%,前者圍壓下殘余應力為7.7 MPa,圍壓效應可約束砂巖試樣的脆性變形。

        在圍壓5 MPa下裂隙數(shù)量2~10條試樣破壞強度分布為15.8~52.1 MPa,隨裂隙數(shù)量每梯次增長2條,試樣破壞強度平均減少了25.1%,當圍壓增大至15 MPa后,試樣破壞強度提高了41.1%~138.2%,受裂隙數(shù)量梯次影響,其破壞強度平均下降了15.2%??傮w上看,裂隙數(shù)量對砂巖試樣破壞強度影響為逐步增大的過程,在裂隙數(shù)量為2~6條時,試樣破壞強度受之影響仍較弱,圍壓5 MPa下分別具有降幅13%、19.2%,而圍壓15 MPa下平均降低了8.9 MPa,圍壓15 MPa下裂隙數(shù)量為8條、10條時,試樣破壞強度分別為50.1 MPa、37.6 MPa,平均降幅可達26.2%。分析認為,裂隙數(shù)量對砂巖承載強度影響為逐步加深,巖質(zhì)邊坡中應盡快處理分布較多的含裂隙巖層。

        3.3 裂隙深度影響

        同理,基于不同裂隙深度組試樣力學試驗,獲得了該裂隙物理因素影響下的砂巖力學特性,如圖6所示。由圖中應力應變演變可知,不論是圍壓5 MPa或是圍壓15 MPa,當裂隙深度≤0.8 mm時,試樣峰后應力回落現(xiàn)象顯著,部分試樣下降段更快、更陡;當裂隙深度為1 mm、1.2 mm時,試樣峰值應力后具有一定的應變塑性強化特征,圍壓5 MPa下此兩裂隙試樣在應變0.94%后呈現(xiàn)長期的應力降幅慢、應變高的發(fā)展段特征。由試驗結(jié)果分析可知,初始裂隙深度特征會影響砂巖加載變形破壞特征,裂隙深度過大,試樣的加載破壞實質(zhì)上是處于閉合裂隙、打開裂隙的微觀力學“循環(huán)”[12-13]。

        從裂隙深度影響破壞強度量值來看,在圍壓為5 MPa時,裂隙深度0.2~0.8 mm的試樣強度分布為33.5~58.5 MPa,而裂隙深度1 mm、1.2 mm兩試樣強度分別為27.2 MPa、22.7 MPa,總體上看,裂隙深度對砂巖試樣破壞強度影響具有均衡性,每梯次裂隙深度在0.2 mm變化,試樣破壞強度平均下降7.2 MPa,降幅為17.2%,各方案間較為接近,如裂隙深度0.6~1.2 mm間,降幅依次為16.6%、18.9%、16.5%,與該圍壓組下平均降幅接近。圍壓為15 MPa時,此種現(xiàn)象仍然如此,隨裂隙深度梯次變化,試樣破壞強度平均減少了9.3 MPa,降幅為14.8%,整體上破壞強度分布為29.5~76 MPa。綜合可知,裂隙深度會改變砂巖試樣應變破壞特征,但對試樣破壞強度的削弱效應具有均衡變化性。

        4 結(jié)語

        (1)裂隙傾角不會影響砂巖變形破壞特征,圍壓增大會改變試樣破壞特征;圍壓效應不僅可提高試樣強度,也能提高試樣破壞強度受裂隙傾角影響的敏感性。

        (2)裂隙數(shù)量同樣不影響砂巖破壞特征,同一圍壓下裂隙數(shù)量不同的試樣應力應變曲線一致;裂隙數(shù)量愈多,試樣破壞強度削弱愈顯著,圍壓15 MPa下裂隙數(shù)量每梯次變化2條,強度平均降低了15.2%,而在裂隙數(shù)量8條、10條時,強度平均降幅可達26.2%。

        (3)裂隙深度會影響砂巖試樣應變破壞特征,在裂隙深度<0.8 mm時,試樣具有脆性應變特征,反之具有塑性強化特點;裂隙深度增大,試樣強度變化具有均衡性,圍壓5 MPa下裂隙深度0.2~1.2 mm下強度平均減少了17.2%,而各裂隙深度試樣對比下強度降幅基本接近。

        參考文獻

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        收稿日期:2023-07-20

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