張 立

（中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100089）

川藏鐵路起自四川成都，終至西藏拉薩，線路全長(zhǎng)近1 750 km，其中隧道總長(zhǎng)占比超過(guò)20%，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1-3]。然而，由于我國(guó)西部地區(qū)地形起伏大，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體多具有大范圍裂隙或軟弱夾層，不良工程地質(zhì)問(wèn)題突出，給川藏鐵路隧道工程建設(shè)帶來(lái)了很大的難題[4-5]。因此，研究軟弱夾層對(duì)隧道圍巖工程力學(xué)性質(zhì)的影響在川藏線隧道工程建設(shè)圍巖支護(hù)工作中至關(guān)重要。

受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，川藏鐵路沿線工程地質(zhì)條件較差，巖體中存在大量充填型節(jié)理，導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化，強(qiáng)度大幅降低[6-7]。此外，圍巖的力學(xué)性質(zhì)也受節(jié)理的傾角控制[8-10]。因此，研究夾層傾角對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響十分重要。張澤林等[11]研究發(fā)現(xiàn)含泥巖軟弱夾層的巖體的剪切破壞均發(fā)生在軟弱層內(nèi)部，且隨軟弱層厚度和傾角的增加，傾角在0°～60°范圍內(nèi)，試樣的剪切強(qiáng)度逐漸降低。丁恩理等[12]對(duì)某水電站泥巖-白云巖互層情況進(jìn)行研究，室內(nèi)采用相似材料制備了不同層厚比和夾層傾角條件下的互層巖體并開(kāi)展了力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)互層巖體的強(qiáng)度隨夾層傾角的增大而逐漸減小，且?guī)r體中軟層厚度越大，巖體整體強(qiáng)度越低。湯友生等[13]指出弱夾層對(duì)煤系砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度具有明顯的弱化作用，巖體的抗壓強(qiáng)度隨夾層傾角的增加呈現(xiàn)出先減小再增大的變化規(guī)律，且在傾角為30°時(shí)夾層對(duì)強(qiáng)度的弱化效應(yīng)最顯著。

由于研究區(qū)氣溫波動(dòng)較大，且隧道的建設(shè)、運(yùn)行周期較長(zhǎng)，凍融循環(huán)影響下隧道圍巖發(fā)生物理風(fēng)化，巖石內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂隙，其力學(xué)性質(zhì)均產(chǎn)生較大的損傷[14-16]。張君岳等[17]開(kāi)展了凍融循環(huán)下紅砂巖物理力學(xué)性質(zhì)研究，并指出紅砂巖在凍融損傷過(guò)程中出現(xiàn)了裂紋、顆粒脫落和片落三種劣化模式，且其孔隙率隨凍融次數(shù)增大而增大，縱波波速和抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)增大而逐漸減小。宋彥琦等[18]研究發(fā)現(xiàn)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)逐漸減小，彈性波速也逐漸減小，但巖石的塑性變形能力有所增強(qiáng)。劉新喜等[19]深入研究了凍融循環(huán)對(duì)炭質(zhì)頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的影響，并指出隨凍融循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力水平和時(shí)間增加，炭質(zhì)頁(yè)巖軸向應(yīng)變逐漸增大。綜上所述，嚴(yán)寒氣候會(huì)顯著劣化川藏鐵路隧道圍巖的安全性和穩(wěn)定性，研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)含軟弱夾層巖體力學(xué)性質(zhì)的影響具有十分重要的意義。

本文以川藏鐵路某隧道圍巖為研究對(duì)象，室內(nèi)制備了不同夾層傾角、不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下的含軟弱夾層巖體，研究夾層傾角和凍融循環(huán)對(duì)隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)及破壞特征的影響。本研究旨在為嚴(yán)寒氣候與不良地質(zhì)條件下川藏鐵路隧道圍巖支護(hù)工作提供一定的借鑒作用。

1 試樣制備與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，川藏鐵路成都—林芝段某隧道圍巖為白堊紀(jì)紅砂巖，且發(fā)育有薄層泥巖軟弱夾層，泥巖夾層厚度在2～3 cm之間，強(qiáng)度較低。對(duì)取自工程現(xiàn)場(chǎng)的紅砂巖巖塊鉆孔取芯并進(jìn)行切割，作為夾層巖體中的硬巖部分；利用石膏模擬夾層巖體中的軟弱夾層部分，設(shè)計(jì)石膏層厚20 mm。按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]將軟、硬部分組合制備為φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖體，制備完成的含夾層巖體如圖1所示，其物理參數(shù)如表1所示。

表1 含軟弱夾層巖體物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of rock mass containing weak interlayer

圖1 巖體試樣Fig.1 Rock mass specimens

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)含軟弱夾層巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，室內(nèi)設(shè)計(jì)了4種不同循環(huán)次數(shù)（n為0，10，20，30 次）下的含軟弱夾層巖體單軸壓縮試驗(yàn)。凍融循環(huán)試驗(yàn)操作流程如下：

（1）將含軟弱夾層巖體試樣全部放入真空飽和設(shè)備中進(jìn)壓飽和48 h。

（2）取出試樣并擦干后，利用TDS凍融試驗(yàn)機(jī)對(duì)含不同夾層傾角的巖體試樣進(jìn)行凍融。其中，上下限溫度分別為20，-20 ℃。每次凍融循環(huán)為12 h的冷凍后，將巖體試樣放入20 ℃水中浸泡12 h進(jìn)行常水溫融化。

利用RMTS-150型巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展含軟弱夾層巖體的單軸壓縮試驗(yàn)，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)最大軸壓為1 000 kN。利用LVDT位移計(jì)進(jìn)行軸向位移監(jiān)測(cè)，其量程為-2.50～2.50 mm，上述試驗(yàn)設(shè)備精度均在0.5%以?xún)?nèi)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞特征分析

表2展示了不同試驗(yàn)條件下含軟弱夾層巖體單軸壓縮破壞形態(tài)特征。在單軸壓縮試驗(yàn)條件下，含軟弱夾層巖體均發(fā)生了破壞，巖體的硬巖部分變形較小，而軟巖夾層部分的破壞比較強(qiáng)烈。軟巖夾層的橫向變形較硬巖部分大，巖體不同部分間表現(xiàn)出明顯的非協(xié)調(diào)變形。當(dāng)夾層傾角較小時(shí)（β=0°、30°），巖體破壞后斷裂裂紋出現(xiàn)在軟弱夾層部位，且其與夾層傾角接近平行，而硬巖部分僅出現(xiàn)細(xì)小微裂紋；當(dāng)夾層傾角較大時(shí)（β=45°、60°），巖體破裂面與夾層呈X型交叉狀，穿夾層滑移在硬巖部分與軟弱夾層均產(chǎn)生了明顯的大裂紋。凍融循環(huán)對(duì)巖體的破壞形態(tài)也有一定的影響。

由表2可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，相同夾層傾角條件下巖體的破壞模式基本一致，但其破壞程度越來(lái)越強(qiáng)烈。分析認(rèn)為，在凍融循環(huán)試驗(yàn)條件下的影響下，巖體內(nèi)部礦物顆粒產(chǎn)生了不協(xié)調(diào)膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生了微裂紋。此外，冷凍條件下巖體內(nèi)部水分結(jié)晶膨脹，并在融化過(guò)程中流失，也導(dǎo)致了巖體內(nèi)部出現(xiàn)大量微裂紋。因此，凍融循環(huán)后含軟弱夾層巖體的破壞更加強(qiáng)烈。

表2 不同試驗(yàn)條件下巖體破壞形態(tài)特征Table 2 Faliure characteristics of rock mass specimen under different testing conditions

2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2為典型含軟弱夾層巖體單軸加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線及變形破壞過(guò)程。由圖2中（a）可知，在低應(yīng)力作用下，含軟弱夾層巖體應(yīng)力應(yīng)變曲線呈下凹型，巖體內(nèi)部孔隙被逐漸壓密，此時(shí)巖體整體并未出現(xiàn)明顯裂紋或破壞。隨著軸向荷載的逐漸增大，巖體進(jìn)入彈性變形階段。由圖2中（b）可知，夾層巖體的破壞從軟弱夾層的變形開(kāi)始，當(dāng)進(jìn)入屈服變形階段時(shí)，硬巖部分未出現(xiàn)明顯裂紋而軟弱夾層部分開(kāi)始破碎并脫落。此外，由圖2中（c）可知，當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度后，軟巖夾層大范圍破碎脫落而硬巖部分僅出現(xiàn)局部微小裂紋。破壞后的含軟弱夾層巖體仍具有一定的承載能力，此時(shí)軟弱夾層已經(jīng)完全破碎脫落，試驗(yàn)停止。

圖2 典型夾層巖體單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線及變形破壞過(guò)程Fig.2 Typical stress-strain curves of rock mass with weak interlayer and deformation diagrams

圖3為不同夾層傾角、凍融循環(huán)次數(shù)條件下含軟弱夾層巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線，不同夾層傾角和凍融循環(huán)下巖體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征存在顯著差異。當(dāng)夾層傾角β=0°時(shí)，巖體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的孔隙壓縮階段，而隨著夾層傾角的逐漸增大，這種孔隙壓縮特征變得不明顯。結(jié)合夾層巖體的變形破壞特征圖分析認(rèn)為，在夾層傾角β=0°時(shí)，軸向荷載通過(guò)硬巖能夠均勻有效地傳導(dǎo)到孔隙率較大的軟弱夾層，因此軟弱夾層能夠大幅壓密且在后期完全破碎脫落。隨著夾層傾角的逐漸增大，巖體的破壞逐漸轉(zhuǎn)化為沿夾層角度的剪切破壞，軟弱夾層未能得到有效壓密。此外，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，含軟弱夾層巖體的塑性變形能力逐漸增強(qiáng)，但承載能力降低。分析認(rèn)為，這是由于凍融循環(huán)導(dǎo)致巖體內(nèi)部礦物顆粒產(chǎn)生了不協(xié)調(diào)膨脹，巖體內(nèi)部出現(xiàn)大量微裂紋、損傷程度增大，因此巖體的塑性變形能力增強(qiáng)而承載能力變差。

圖3 不同狀態(tài)下含軟弱夾層巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of muddy limestone under different water-bearing conditions

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度不斷降低，塑性變形能力逐漸增強(qiáng)。以含水平夾層巖體為例，未經(jīng)歷凍融循環(huán)巖體的抗壓強(qiáng)度為16.91 MPa，對(duì)應(yīng)峰值點(diǎn)軸向應(yīng)變?yōu)?.76%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度分別相對(duì)降低18.98%、30.63%和37.84%，峰值點(diǎn)軸向應(yīng)變相對(duì)增大59.21%、61.84%和97.36%。此外，巖體的彈性模量也呈逐漸降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)夾層傾角β=0°時(shí)，0，10，20，30次凍融循環(huán)下巖體的彈性模量分別為3.86，2.70，2.03，1.55 GPa。隨著夾層傾角的逐漸增大，巖體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)n=0時(shí)，夾層傾角分別為0°、30°、45°和60°下巖體的抗壓強(qiáng)度分別為16.91，14.82，11.07，15.55 MPa，彈性模量分別為3.86，3.53，3.03，3.63 GPa。

2.3 夾層傾角影響

基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下含軟弱夾層巖體力學(xué)參數(shù)隨夾層傾角變化，如表3所示。由表3可知，在相同的凍融循環(huán)次數(shù)條件下，隨著夾層傾角的增大，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均先減小后增大，當(dāng)軟弱夾層傾角β=0°時(shí)，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量最大；隨著夾層傾角的增大，巖體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量產(chǎn)生了明顯降低，軟弱夾層傾角β=30°時(shí)巖體的抗壓強(qiáng)度相對(duì)下降12.38%～25.87%，彈性模量相對(duì)下降6.50%～25.24%。當(dāng)夾層傾角β=45°時(shí)，抗壓強(qiáng)度和彈性模量均取得最小值，此時(shí)巖體的承載能力最差，軟弱夾層對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的弱化效應(yīng)最明顯。而隨著夾層傾角的進(jìn)一步增大，巖體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量出現(xiàn)一定程度的增大。以未經(jīng)歷凍融循環(huán)試驗(yàn)組為例，相較于β=45°條件下，當(dāng)β=60°時(shí)，巖體的抗壓強(qiáng)度相對(duì)提高40.47%，彈性模量相對(duì)提高19.80%。

表3 不同條件下含軟弱夾層巖體力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of rock mass with weak interlayer under different conditions

2.4 凍融循環(huán)影響

圖4為不同夾層傾角下含軟弱夾層巖體力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系。由圖可知，在相同的軟弱夾層傾角條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量均逐漸減小。未經(jīng)歷凍融循環(huán)的巖體承載能力最強(qiáng)，此時(shí)巖體的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量最大；而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，巖體的承載能力逐漸劣化，巖體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量產(chǎn)生了明顯降低；巖體的變形能力增強(qiáng)，峰值點(diǎn)應(yīng)變逐漸增大。相較于未經(jīng)歷凍融循環(huán)的巖體，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到30次時(shí)巖體的抗壓強(qiáng)度相對(duì)下降37.84%～47.43%，彈性模量相對(duì)降低59.85%～71.62%，而峰值點(diǎn)軸向應(yīng)變則相對(duì)增大87.84%。由此可見(jiàn)，凍融循環(huán)過(guò)程能夠大幅降低工程巖體的力學(xué)性質(zhì)，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖體的力學(xué)參數(shù)不斷劣化，這為川藏鐵路工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性帶來(lái)一定的威脅。

圖4 巖體力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系Fig.4 Mechanical parameters of rock mass evolves with freezing thawing cycles

進(jìn)一步分析巖體的力學(xué)參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，擬合結(jié)果如圖4所示。由圖可知，單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和凍融循環(huán)次數(shù)之間呈負(fù)指數(shù)相關(guān)，即在凍融循環(huán)的影響下，巖體的抗壓強(qiáng)度和彈模逐漸減小但減小速率越來(lái)越慢。峰值點(diǎn)應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)之間呈線性正相關(guān)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，巖體的峰值點(diǎn)應(yīng)變呈線性增大趨勢(shì)。

由于試驗(yàn)條件限制，本次研究?jī)H針對(duì)不同夾層傾角（β=0°、30°、45°、60°）和凍融循環(huán)次數(shù)條件下（n=0，10，20，30）的含夾層巖體展開(kāi)了單軸壓縮試驗(yàn)，而川藏鐵路沿線穿越地區(qū)的地質(zhì)條件更加復(fù)雜，隧道工程所面臨的還有地應(yīng)力和地下水影響，因此，后續(xù)開(kāi)展不同圍壓、孔隙水壓和干濕循環(huán)等條件下的試驗(yàn)研究具有深刻意義。

3 結(jié)論

（1）含軟弱夾層巖體破壞后其硬巖部分變形較小，而軟巖夾層部分的破壞較為強(qiáng)烈。軟巖夾層的橫向變形較硬巖部分大，巖體軟、硬夾層表現(xiàn)出明顯的非協(xié)調(diào)變形。當(dāng)夾層傾角較小時(shí)，巖體破壞后斷裂裂紋出現(xiàn)在軟弱夾層部位，而硬巖部分僅出現(xiàn)細(xì)小微裂紋；當(dāng)夾層傾角較大時(shí)，巖體破裂面與夾層呈X型交叉狀，巖體硬巖部分與軟弱夾層均產(chǎn)生了明顯的大裂紋。

（2）夾層傾角對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)影響顯著。隨著軟弱夾層傾角的增大，巖體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量先減小后增大，且當(dāng)夾層傾角為45°時(shí)，抗壓強(qiáng)度和彈性模量最小，抗壓強(qiáng)度較含水平軟弱夾層巖體降低35.27%，彈性模量降低34.84%。

（3）在凍融循環(huán)作用的影響下，巖體的承載能力減弱而塑性變形能力增強(qiáng)。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到30次時(shí)巖體的抗壓強(qiáng)度相對(duì)下降37.84%～47.43%，彈性模量相對(duì)降低59.85%～71.62%，而峰值點(diǎn)軸向應(yīng)變則相對(duì)增大87.84%。巖體的抗壓強(qiáng)度、彈性模量呈負(fù)指數(shù)型遞減，峰值點(diǎn)應(yīng)變則呈線性增加。