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。......
2023-09-21
薄层炭质板岩力学特性-挤压性围岩隧道变形破坏与控制
【摘要】：薄层炭质板岩层厚1～5 cm，软弱破碎，无法钻芯取样，只能通过岩体原位测试来研究岩体的力学特性与变形特性。图2.22岩体抗剪试验图2.23岩体抗剪试验-ε曲线从图2.23来看，5个试件的-ε曲线基本呈抛物线形，说明岩体的抗剪断破坏形式基本以塑性破坏为主。表2.6是围岩体抗剪(断)试验正应力与剪应力的关系表，表2.7是围岩体抗剪(断)强度试验的成果汇总表。
薄层炭质板岩层厚1～5 cm，软弱破碎，无法钻芯取样，只能通过岩体原位测试来研究岩体的力学特性与变形特性。本次岩体大型试验位于新城子隧道出口大变形段，试验开挖支洞断面尺寸为2 m×2 m，洞深15 m，洞向与主洞轴线垂直。试验洞室开挖后，现场按相关规范要求刻凿试体，其中大剪试验1组，共5块矩形体，尺寸为60 cm×60 cm×30 cm;变形试验2组，试体直径D=70 cm。图2.21为试验洞室开挖与试体制作照片。
1)岩体抗剪(断)试验
(1)试体加工与试验过程
岩体抗剪试验采用平推法，液压千斤顶加荷，其中法向荷载加荷方向位于试体中心并垂直于预定剪切面，剪切荷载加荷方向平行于预定剪切面并通过试体中心。
图2.21 试验洞室开挖与试体制作
加荷时法向荷载分两次施加完毕，其最大正应力最初预估为1.0 MPa，则5个试件正应力应分别按照1.0 MPa、0.8 MPa、0.6 MPa、0.4 MPa、0.2 MPa由大到小施加，然而在试验过程中，受围岩稳定性及岩体强度影响，在正应力施加到0.55 MPa时试件的垂直应变已达到0.5 cm。为了不影响试件的结构，随即停止继续施加正应力而按照0.55 MPa为最大正应力进行试验，受此影响，该组试验最大正应力取值为0.55 MPa，其余4个试件的正应力依次为0.45 MPa、0.36 MPa、0.27 MPa、0.18 MPa，而第3块试件由于实际剪切面面积为3 025 cm2，所以其实际正应力为0.43 MPa。按照内聚力0.5 MPa、内摩擦角25°分别预估最大剪切荷载，并将预估的最大剪应力分为8～12等份，然后每5 min一次逐级施加。剪断后继续施加直到测出残余值为止。抗剪(断)试验完成后再按照以上程序进行抗剪(摩擦)试验。
(2)岩体直剪试验结果与分析
图2.22为岩体抗剪试验现场照片。试验完成后绘制
-ε曲线，根据曲线确定出抗剪(断)的比例极限(直线阶段)、屈服极限(屈服阶段)、峰值(破坏阶段)、残余值及抗剪(摩擦)试验的峰值，然后分别按照各点的正应力σ绘制各阶段的
-ε曲线，最后由库伦公式:
确定出岩体抗剪(断)过程中各阶段的内摩擦角φ及内聚力c。
图2.22 岩体抗剪试验
图2.23 岩体抗剪试验
-ε曲线
从图2.23来看，5个试件的
-ε曲线基本呈抛物线形，说明岩体的抗剪断破坏形式基本以塑性破坏为主。在剪应力施加初期，试件结构尚未破坏，
-ε曲线近似直线，变形主要是弹性变形，该阶段即为直线阶段;随着剪应力的增加，软弱结构面逐渐延伸、贯通，形成剪断面，试件缓慢地沿剪断面蠕滑，试件逐渐破坏，
-ε曲线也沿一定弧度发展，当变形达到一定程度，剪断面上积聚的应力迅速释放，试件变形迅速增大，此时的剪应力值即对应于屈服值，该阶段为屈服阶段;剪应力值继续增大，试件蠕滑速度增快，当达到峰值后，剪应力值不再增大，而试件变形继续发展，试件彻底遭到破坏，此段变形即为破坏阶段。
由图2.24围岩体抗剪(断)试验
-σ曲线可见，5个试件对应的(σ，
)点离散性虽较大，但基本能以直线形态发展，反映出试件岩体结构和强度差异较大，根据剪断后剪断面处岩体形态的观察，5个试件剪断面处岩体裂隙发育程度、泥化程度均存在较大差异，其中2号试件已基本泥化，3号试件仅局部裂隙面处存在泥膜，其余3个试件介于2、3号之间。
图2.24 围岩体抗剪(断)试验
-σ曲线
由图2.25试件大剪试验前后对比图，可见:
试件1沿预定剪切面上部10 cm处剪断。剪断面处岩体极为破碎，其中约2/5部分基本为原岩，但基本均为岩屑、岩块;3/5部分已完全泥化。剪断面处基岩含水率为3.8%～5.7%。
图2.25 试件大剪试验前后对比图
试件2沿预定剪切面上部约10 cm处剪断。剪断面处岩体已基本泥化，其中仅有个别破碎岩块、岩屑存在。剪断面处基岩含水率为2.8%～9.5%。
试件3基本沿预定剪切面剪断。剪断面处岩体较为破碎，大部分为岩块，少部分为岩屑，局部裂隙面处有泥膜存在;剪断面凹凸不平，由沿剪应力方向的裂隙延伸、贯通发展形成。剪断面处基岩含水率为1.0%～1.5%。
试件4基本沿预定剪切面剪断。剪断面处岩体极为破碎，基本均被错动成松动的岩块、岩屑，裂隙面处有泥膜存在;剪断面凹凸不平，由沿剪应力方向的裂隙延伸、贯通发展形成。剪断面处基岩含水率为1.8%～2.0%。
试件5沿预定剪切面上部10 cm处剪断。剪断面处岩体极为破碎，已被错动成松动的岩屑，局部泥化，有个别松动岩块分布。剪断面处基岩含水率为4.2%～5.9%。
从剪切面形态和破坏过程及其成果看，试验具有下面几个特点:
①试体很少有沿预计的剪切面剪断，其破坏面均由追踪裂隙或层理的组合弱面而破坏，且弱面起着一定的控制作用，并沿裂隙或层理面在将要剪断时有明显的“爬坡”现象。剪切破裂断口呈锯齿-上凸状，多在预估剪切面上部断开，并导致试件的抬升现象。
②在剪切过程中，表现为明显的渐进性破坏特征，主要是试件部位的裂隙或岩层“弱面”导致传递介质的非连续性和非均一性，与水平剪切力的力矩效应以及岩层产状共同起作用的结果。
图2.26 岩体抗剪(摩擦)试验
-ε曲线
③抗剪强度指标一般同试验岩体的风化程度和深度有关。
在岩体的抗剪(摩擦)试验过程中，试件沿已有的剪断面滑移，受剪断面的影响，试件变形不同程度地产生“爬坡”现象。其变形较之抗剪(断)阶段反而有所减小(见图2.26)，但其变形规律基本与抗剪(断)阶段相同，说明岩体本身强度较低，因此在破坏后各项抗剪指标值降低程度较小，其变化规律基本相同。
总之，薄层状围岩体抗剪(断)试验强度值较低，其试验成果从客观上反映出了岩体的抗剪(断)强度指标。表2.6是围岩体抗剪(断)试验正应力与剪应力的关系表，表2.7是围岩体抗剪(断)强度试验的成果汇总表。
表2.6 围岩体抗剪(断)试验正应力与剪应力的关系表
表2.7 围岩体抗剪(断)强度试验成果汇总表
因为围岩体抗剪(断)试验指标值中直线阶段时围岩体结构尚未遭到破坏，峰值阶段时岩体结构已经被破坏，所以围岩体的抗剪(断)试验指标值建议以抗剪(断)阶段中岩体由整体变形到逐渐破坏时过渡的屈服阶段的指标值提供，即:内摩擦角φ′值为25.6°，内聚力c′值为0.08 MPa。
2)岩体变形试验
(1)试体加工与试验过程
岩体变形试验采用刚性圆形承压板(静力)法进行，图2.27位岩体变形试验照片。试件均采用手工刻凿的方式进行加工。首先将试验点范围2 m×2 m的边界岩面的松动岩石清除，并使其大致平整，然后在新鲜基岩上加工出规格为φ70 cm的岩面，岩面起伏差小于5 mm。
图2.27 岩体变形试验
采用油压千斤顶施加压力，通过圆形承压板(直径45 cm)将压力传递到岩体上，观测岩体变形，并按均匀、连续各向同性的半无限弹性体表面受局部荷载的公式来计算岩体变形特性指标。加荷方式为逐级一次循环法，加压采用时间控制，即加压后立即读数一次，此后每隔10 min读数一次，当所有承压板上测表相邻两次读数之差ΔW0与同级压力下第一次变形读数差(W2-W1)之比的绝对值|ΔW0/(W2-W1)|小于5%时，认为变形稳定，可施加下一级压力，此次试验最大压应力为3.263 MPa。
(2)岩体变形试验结果与分析
由于岩体本身是非弹性体，其弹性变形和塑性变形同时存在，岩体变形试验是对岩体进行反复加卸荷，得到的P-W关系曲线出现塑性回滞环。根据现场变形试验原始记录，绘制出岩体应力与应变P-W关系曲线，按下式计算岩体的变形模量或弹性模量:
式中:E——以全变形代入时为变形模量，以弹性变形代入时为弹性模量;
I0——刚性承压板的形状系数，圆形承压板取0.785;
P——压力;
D——承压板直径，取45 cm;
μ——岩体泊松比，取0.30;
W——全变形或弹性变形。
岩体变形试验成果见汇总表2.8。
表2.8 岩体变形试验成果汇总表
注:承压板直径:45 cm;泊松比:0.30。
本次试验岩层岩体破碎，呈薄层状或薄片状、碎块状，岩质软弱，变形基本以塑性变形为主，仅有少量的弹性变形伴随。从图2.28试体E1、E2的P-W关系曲线可以看出，曲线外包络线形态大体上呈现下凹形。
下凹形(弹-塑):此类曲线反映岩体在荷载初期，原岩结构尚未遭到破坏，具有一定的抗变形能力，围岩体表现为整体性的变形，此时岩体变形以弹性体变形为主;由于岩质软弱，岩体本身强度较低，又受构造影响，岩体极为破碎，基本呈碎块状、薄片状，所以此次试验外包络线形态中的直线阶段(弹性阶段)只占很小的比例，该阶段岩体的模量值较高。随着压力的加大，岩体原有结构很快遭到破坏，岩体沿裂隙蠕滑错动，变形增大，此时岩体的变形已由整体性变形向局部岩体沿裂隙、层面等结构面相互剪切破坏发展，该阶段的变形以塑性变形为主，所以模量逐渐减小，外包络线逐渐变缓。
图2.28 变形试验P-W曲线
由此可见，本次岩体变形试验在施加应力初期，岩体原有结构尚未遭到破坏，岩体以整体形式提供阻抗能力，岩体变形以弹性变形为主;但由于围岩岩质软弱，岩体本身强度较低，又受构造影响，岩体极为破碎，基本呈碎块状、薄片状，所以岩体原有结构随着应力的加大而很快遭到破坏，岩体沿裂隙、层面等结构面相互剪切错动，岩体变形中不可逆变形部分增大，回弹变形减小，此时岩体变形以塑性为主。所以本组岩体变形试验为先弹性后塑性变形形式，变形P-W关系曲线为下凹形。反映在模量值上，因为岩体整体变形(即全变形)较大，所以岩体的变形模量较小，同时因为岩体变形以不可逆变形为主，回弹较小，所以岩体的弹性模量较大。由于E2试验点第一级循环的变形模量值与第二级循环模量值差异较大，且不符合整体趋势，所以在模量值的平均指标中剔除了第一个循环的模量值。图2.29为变形试验E2点试验前后的对比图。
图2.29 变形试验E2点前后对比图
试验得到E1岩体变形平均指标为:弹性模量ES=588.18 MPa，变形模量E0=184.58 MPa;E2岩体变形平均指标为:弹性模量ES=503.34 MPa;变形模量E0=164.98 MPa。
岩体变形试验中因为岩体只有在应力很小时以弹性变形为主，随着应力逐渐增大，变形很快就转换为以塑性变形为主，仅有少量的弹性变形伴随，故回滞环很小。因此，建议岩体变形试验指标值取五个循环中剔除了第一级循环后的其余四级的平均值，即:弹性模量ES为546 MPa，变形模量E0为175 MPa。
3)岩体物理指标
采用室内试验与现场点荷载试验得到了岩体物理指标，表2.9为岩块密度及比重试验成果汇总表，表2.10为岩块含水率成果汇总表，表2.11为岩块点荷载强度试验成果表。
表2.9 岩块密度及比重试验成果汇总表
表2.10 含水率试验成果汇总表 单位:%
表2.11 岩块点荷载强度试验成果汇总表 单位:MPa
注:岩块点荷载试验试样均取自试验支硐中，其点荷载抗压强度试验均在试块天然含水状态下进行。
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