中厚层炭质板岩力学特性：挤压性围岩变形破坏及控制技术

2023-09-21 理论教育版权反馈

【摘要】：图2.2单轴与三轴压缩试验图2.3单轴与三轴压缩应力-应变曲线表2.1干燥状态炭质板岩三轴压缩试验结果板岩具有明显的各向异性特征，其力学参数随结构面倾角的不同而变化较大。图2.5炭质板岩单轴与三轴压缩破坏形式3)不同含水状态炭质板岩力学特性试验结果为研究地下水对炭质板岩强度的影响，将干燥状态试件泡水5 d、泡水15 d、泡水25 d，分别测定其含水率。

1)试验方案

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图2.1　MTS 815液压伺服系统

(1)试验系统

岩石单轴与三轴压缩试验在美国MTS公司生产的MTS 815岩石材料力学试验机(图2.1)上进行。

(2)试件制备

在隧道中厚层炭质板岩段，待围岩开挖后选取厚约18 cm的长方形完整块体。由于板岩具有显著各向异性，所以钻芯取样时应垂直层里面方向取样。加工成φ50 mm×100 mm的标准圆柱体试件，尺寸误差为±0.3 mm。

(3)试验方案

为研究不同围压和不同含水条件下的炭质板岩力学特性，将试件分为3组，试验方案设计如下:

①A组试件，保持天然状态，进行单轴与三轴压缩试验;

②B组试件，先烘干测定其平均天然含水率，然后对干燥试样进行单轴与三轴压缩试验;

③C组试件，烘干后分别泡水5 d、15 d、25 d，并测定其不同泡水时间下的含水率，然后选取部分试样进行单轴与三轴压缩试验。

2)干燥炭质板岩力学特性

(1)全应力-应变曲线

对干燥状态炭质板岩试件在MTS 815上进行单轴压缩与常规三轴压缩试验，试验围压分别设置为5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa。单轴试验以0.5 MPa/s的速率施加轴向应力，在比例极限后、峰值应力前改变加载控制方式为环向(横向)应变控制，直至试验结束。三轴试验以每秒0.05 MPa/s的速率施加到设定围压，待围压稳定后，以0.5 MPa/s的力控制加载速率，施加轴向荷载至岩样峰值荷载的70%左右，之后转为环向引伸计控制，得到全过程曲线，直至岩石试件破坏。试验加载如图2.2所示，试验全过程的应力-应变曲线如图2.3所示。

从图2.3可以看出，干燥状态炭质板岩，抗压强度随围压增加而增大，初始无明显微裂隙闭合阶段，应力-应变曲线近似直线。随着轴向荷载增加，变形持续增加，达到峰值强度后，试件突然破坏，无明显屈服阶段。峰值后轴向应变变化较小，应力近似垂直状迅速跌落，侧向应变增加较大，说明破坏是由横向扩容引起的，呈现脆性破坏的特征。

(2)试验结果

根据单轴与三轴压缩试验，干燥状态下炭质板岩力学参数见表2.1。其中岩石的抗剪强度参数c、φ是通过绘制摩尔应力圆得到的。

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图2.2　单轴与三轴压缩试验

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图2.3　单轴与三轴压缩应力-应变曲线

表2.1　干燥状态炭质板岩三轴压缩试验结果

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板岩具有明显的各向异性特征，其力学参数随结构面倾角的不同而变化较大。G.Tao与F.Homand通过试验，计算出板岩弹性模量、泊松比等随着倾角在35°～50°范围内时其值最小，在0°、90°时其值最大。在相同围压条件下，板岩随结构面倾角由0°变化到90°时，抗压强度由大变小再变大。板岩的强度变化近似呈抛物线型，以倾角51.7°为对称点时由小变大再变大。由表2.1可知，围压对炭质板岩强度影响较大，不同围压下抗压强度变化曲线如图2.4所示。从图中可见，干燥状态下炭质板岩强度随围压增加而增加，呈线性增加趋势。

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图2.4　不同围压下抗压强度变化曲线

(3)破坏特征

不同围压下炭质板岩岩样的单轴与三轴压缩破坏形式，如图2.5所示。

由图2.5可见，试件破坏以剪切破坏为主，低围压时局部出现劈裂破坏。随着围压的增加，主破裂面与最大主应力的夹角逐渐增大，且破裂面越来越平整光滑。单轴时破裂面与垂直应力夹角约为18°;围压15 MPa时夹角约为35°;围压25 MPa时夹角约为41°。板岩的破坏模式随层理面的倾角不同而不同，主要有三种破坏模式:顺层理面滑移破坏、剪切破坏与混合破坏，随围压增加，破坏模式有由滑移破坏向剪切破坏转化的趋势。由于本书试验所用试件均由垂直于层里面方向取样，所以试件主要是剪切破坏引起的。

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图2.5　炭质板岩单轴与三轴压缩破坏形式

3)不同含水状态炭质板岩力学特性

(1)试验结果

为研究地下水对炭质板岩强度的影响，将干燥状态试件泡水5 d、泡水15 d、泡水25 d，分别测定其含水率。对制备好的试件与天然状态试件进行单轴与三轴压缩试验，试验结果见表2.2。

表2.2　不同泡水时间炭质板岩三轴压缩试验结果

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由表2.2可知，随着泡水时间的增加，炭质板岩的抗压强度、弹性模量均有不同程度的降低，而泊松比则呈增加趋势。与干燥状态相比，自然状态下单轴压缩强度为78.39 MPa，降低32.48%，试件泡水5 d降低43.86%;围压25 MPa下，泡水5 d、15 d、25 d抗压强度比干燥状态分别下降28.83%、36.07%、44.91%。由图2.6可见，抗压强度随泡水时间的增加呈直线下降趋势。

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图2.6　围压25 MPa不同泡水时间与抗压强度的关系

上述试验分析表明，炭质板岩遇水强度损失大。由于受水的物理、化学作用，岩石的黏聚力和内摩擦角减小，造成岩石承载能力显著降低。弹性模量随泡水时间的增加而降低，使得围岩抵抗弹性变形能力减弱，从而导致隧道围岩变形量增大，围岩稳定性降低。

泡水时间越长，炭质板岩的含水率越大。干燥试件泡水5 d含水率为0.344%，泡水15 d含水率增大到0.78%，泡水25 d时含水率达到1.24%。试验过程中发现，含水率在泡水25 d后基本不变，可以认为此时试件达到饱和状态。泡水5 d试件含水率与自然状态近似相等，为后续研究方便，将其视作自然试件。

(2)应力-应变曲线

图2.7为围压25 MPa下，泡水5 d、15 d、25 d的炭质板岩应力-应变曲线。从图上可以看出，泡水后的应力-应变曲线峰值前存在一定的塑形屈服段，峰后出现应变软化段，且随着泡水时间的增加，峰前塑形屈服与峰后应变软化段更加明显。与干燥状态的峰后脆性跌落及突然破坏不同，泡水试件在峰值强度之后，随着应变的增加，应力下降，岩石发生应变软化，轴向压力使试件形成破裂面，强度降低，应变增长，表现出软岩渐进破坏的特征，且泡水时间越长，软岩特征越明显。与干燥状态相比，泡水后炭质板岩的峰前与峰后应变显著增加，充分反映了水对炭质板岩的弱化作用，水显著降低了炭质板岩抵抗变形的能力。

中厚层炭质板岩力学特性：挤压性围岩变形破坏及控制技术

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