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      某公路隧道圍巖抗壓強度試驗研究

      2021-02-26 02:12:44趙小光
      山西交通科技 2021年6期
      關(guān)鍵詞:節(jié)理單軸巖石

      趙小光

      (山西省公路局 晉中分局,山西 晉中 030600)

      0 引言

      近年來,我國不斷推進交通強國建設,公路迎來新一輪建設。我國公路隧道在規(guī)模、數(shù)量及復雜程度等方面都不斷進步。隧道穿越斷層破碎帶,由于隧址處地質(zhì)情況不明且圍巖強度較低,施工時圍巖受到擾動可能會發(fā)生事故。預知區(qū)域地質(zhì)狀況及圍巖力學性質(zhì),能在隧道設計施工時提供參考,同時也能對可能災害做預案,減少施工事故,降低建設成本。

      點荷載試驗最早可追溯到20世紀90年代國際上的《測定點荷載強度的建議方法》[1]。近幾十年來,巖石點荷載試驗得到了越來越多專家學者的認可和關(guān)注[2]。但還有一些方面各方學者沒有達成共識,針對這些方面去作進一步研究,對點荷載試驗的發(fā)展與應用有著重要作用。學者對不同種類巖石的點荷載強度與抗壓強度的關(guān)系做了較多試驗,王祥厚[3]通過對不同巖石試件做大量點荷載試驗,總結(jié)規(guī)律認為點荷載試驗測得數(shù)據(jù)是可靠的,并提出了點荷載強度公式。張建明[4]對巖漿巖的點荷載試驗結(jié)果進行分析,針對現(xiàn)存轉(zhuǎn)換公式,提出了更加精確的換算公式。付志亮[5]對煤層巖石進行對比試驗,得出對于強度較低的巖石點荷載試驗易受影響,而對于強度較高的巖石試驗值較為可靠的結(jié)論。蘇承東等[6]通過對煤樣進行試驗,得出規(guī)則試樣的試驗結(jié)果更有效,同時點荷載強度與抗壓強度可以以某種參數(shù)換算。姚家李[7]通過大量試驗,得出巖石的各向異性會對力學特性有較大影響,并提出了點荷載強度與抗壓強度在不同層理下的換算修正系數(shù)。周哲[8]對紅砂巖進行試驗,得出巖石的含水狀態(tài)與點荷載強度成反比的結(jié)論。

      本文以現(xiàn)場收集的不規(guī)則巖塊試樣及鉆探巖芯試樣為研究對象,進行大量點荷載試驗及單軸抗壓強度試驗,并對試驗結(jié)果進行分析,總結(jié)規(guī)律得到隧道圍巖的物理力學性質(zhì)。

      1 工程概況

      依托工程是207國道左權(quán)至黎城界及南沁線左權(quán)桐峪至河北涉縣界公路新建工程的一座長隧道,位于山西省左權(quán)縣橋上村,隧道軸線走向約200°。洞體左線全長2 340 m,進口段里程樁號為ALK33+705,進口底板設計高程為1 035.48 m,出口段里程樁號為ALK36+045,出口底板設計高程為978.14 m,洞體最大埋深125.53 m,位于ALK34+800;洞體右線全長2 225 m,進口段里程樁號為ARK33+725,進口底板設計高程為1 035.00 m,出口段里程樁號為ARK35+950,出口底板設計高程為980.45 m,洞體最大埋深121.14 m,位于ARK34+800。

      隧址區(qū)地質(zhì)活動較強烈,斷裂情況在該區(qū)較為普遍,地質(zhì)構(gòu)造多樣化。影響隧道安全建設的斷裂帶總共有6條,水文條件呈現(xiàn)出復雜化的特點,隧道施工至斷裂構(gòu)造帶或有地表水流的地段可能會發(fā)生涌水或坍塌等事故。

      斷層破碎帶圍巖強度較低,穩(wěn)定性差,同時常伴隨有富水帶,提前對其進行地質(zhì)分析,了解其地質(zhì)情況是非常重要的。隧址區(qū)為山地地區(qū),坡度較大,植被覆蓋率高。區(qū)內(nèi)主要山脈為東西走向,山脈海拔較高,溝谷深且狹窄,地勢起伏不平。隧道高程位于1.4 km到2 km之間,最高處與最低處高差近600 m。隧道進出口地勢較陡,坡角大于45°。

      隧道圍巖類型以片麻巖為主夾雜少量變粒巖,風化程度為中風化。

      2 地質(zhì)勘探

      隧道施工地段實地勘探結(jié)果揭示地層主要為:

      a)第四系上更新統(tǒng)Q4dl+el灰黃色,精密-中密狀,粒度直徑范圍廣泛,次棱角狀,充填物為黏性土,含量約占到20%,勘察表明碎石粒徑處于2~6 cm范圍,最大粒徑為10 cm[9]。

      b)中元古代郭莊組(Pt2g) 巖性主要為片麻巖,顏色主要呈現(xiàn)灰黃色或灰褐色,中粗粒、片麻狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙較發(fā)育,此地層礦物成分主要為黑云母、斜長石等,巖層產(chǎn)狀為230°∠80°[10]。

      從現(xiàn)場獲得的斷層破碎帶巖塊樣本,較破碎,顏色為灰褐色,裂隙發(fā)育,巖塊樣品如圖1所示。

      圖1 破碎帶巖樣

      隧道通過地區(qū)全段節(jié)理類型有兩種,風化與構(gòu)造。其中有4組構(gòu)造節(jié)理影響較大,構(gòu)造節(jié)理密度為5~7條/m。風化節(jié)理主要分布在地表淺層,呈無序狀態(tài)分布,規(guī)模不大,風化節(jié)理的密度由上至下逐漸降低。節(jié)理的種類、分布狀況及張開程度與隧道圍巖的強度及承載能力有著很大的關(guān)系。節(jié)理增多會導致圍巖的完整性破壞,地下水也會通過節(jié)理裂隙滲透導致圍巖力學性能下降[10]。

      選取2×6 m2的典型斷面對其中的節(jié)理數(shù)量進行統(tǒng)計,金屬類雜質(zhì)及硅類不計入,根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果得巖體體積節(jié)理數(shù)為13條/m3。依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[11],確定巖體的完整程度為較破碎。

      節(jié)理產(chǎn)狀有三要素,走向、傾向和傾角。在隧址區(qū)使用地質(zhì)羅盤對節(jié)理的產(chǎn)狀進行多次測量,根據(jù)測量結(jié)果繪制節(jié)理走向玫瑰花圖,如圖2所示。

      圖2 節(jié)理走向玫瑰花圖

      由圖2可知,節(jié)理產(chǎn)狀在10°到30°內(nèi)的組數(shù)最多,各節(jié)理組數(shù)由2~12組不等。

      3 試驗方案

      3.1 點荷載試驗方案

      點荷載試驗優(yōu)點是可以對不規(guī)則試件進行加載,且試驗儀器便于攜帶,操作簡單,可現(xiàn)場測量。試件加載方式如圖3所示。

      圖3 不規(guī)則試件加載圖

      方案分為以下5步:

      a)從隧址處選取不規(guī)則巖塊作為試驗所需巖石試件,將15個分為一組。

      b)試驗開始前,測量試件的尺寸,并描述試件的狀態(tài)及構(gòu)造,選擇巖石較薄處作為加載位置。

      c)將巖石試件放在點荷載儀中,并使加荷錐上下中心點對齊,保持加荷點位于試件中心位置。

      d)給試件勻速施加荷載,直至試件破壞達到最大破壞荷載,測量斷面寬度并記錄。

      e)試件破壞后,觀測試件形態(tài),斷面兩側(cè)需連接到兩加荷點,且整個試件被破壞即為有效。圖4為點荷載試驗試件加載圖。

      圖4 點荷載試驗加載圖

      3.2 單軸抗壓強度試驗方案

      單軸抗壓強度試驗是由試驗結(jié)果得到單位最大壓應力R,由R計算出試件單軸抗壓強度。

      方案分為以下5步:

      在含水率相同的條件下,每3塊試件分為一組。巖芯直徑約為7 cm,高徑比控制在2~2.5范圍內(nèi)。試件做泡水或烘干處理,處理方式如圖5所示,處理目的是進行試驗結(jié)果比對。

      圖5 試件浸水及烘干

      a)準備試驗試件,每3塊試件分為一組。盡量控制試件的質(zhì)量接近以減小誤差。

      b)在試驗之前,對試件的外觀、構(gòu)造及狀態(tài)進行記錄。

      c)測量試件的高度及半徑,計算試件橫截面面積。

      d)將巖石試件置于加荷臺,以0.9 MPa/s勻速加壓,當試件開裂破壞時記錄此時的最大荷載。

      e)對典型的破壞形式予以拍照記錄至試件全部破壞。

      4 試驗結(jié)果分析

      4.1 點荷載試驗結(jié)果分析

      點荷載試驗試件破壞情況如圖6所示。

      圖6 巖石試件破壞斷面圖

      未修正點荷載強度指標[12]:

      式中:Is為未修正點荷載強度指標,MPa;P為破壞荷載,N;Dc為等效巖芯直徑,mm。

      不規(guī)則試件試驗結(jié)果修正:

      式中:m為修正指標,一般取0.45。

      借助式(4)換算得巖石單軸抗壓強度

      所有試驗試件取自隧道相同位置,力學性質(zhì)影響因素大致相同,同時在取得試件和試驗準備階段盡量避免人為干擾。點荷載試件尺寸如表1所示。

      表1 試件尺寸表

      等效巖芯直徑與破壞荷載的擬合曲線如圖7所示,由圖7可知,等效巖芯直徑與破壞荷載呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.93。

      圖7 等效巖芯直徑與試件破壞荷載關(guān)系

      不同含水狀態(tài)下試件點荷載試驗結(jié)果如圖8所示,對修正點荷載求平均值,得3.08 MPa(干燥狀態(tài))與1.73 MPa(浸水狀態(tài))。將修正點荷載平均值換算為單軸抗壓強度,得52.84 MPa(干燥狀態(tài))與34.34 MPa(浸水狀態(tài))。由34.34/52.84=65%,得出吸水后巖石試件單軸抗壓強度衰減至干燥狀態(tài)下的65%。有部分浸水試件抗壓強度仍較高,說明節(jié)理裂隙大小及數(shù)量、加荷間距等也會影響試驗結(jié)果。

      圖8 修正后點荷載試驗結(jié)果

      4.2 單軸抗壓強度試驗結(jié)果分析

      把鉆探獲得的巖芯置于壓力機上,勻速加荷至最大承載能力而破壞。試驗前,量取試件的直徑和高度如下:

      干燥試件:d(cm)×h(cm),6.8×17.7,7.2×15.1,7.0×15.1,7.1×15.4。

      濕潤試件:d(cm)×h(cm),7.2×15.8,7.1×16.0,7.1×15.9,7.1×15.5。

      試驗后圓柱試件破壞情況如圖9所示。

      圖9 圓柱試件破壞圖

      單軸抗壓強度試驗結(jié)果如圖10所示。

      據(jù)圖10結(jié)果,干燥試件中,1號試件的單軸抗壓強度最小為69.9 MPa,4號試件的單軸抗壓強度最大為174.7 MPa;1號和4號試件相比,1號試件高度較高而半徑略小,導致兩者單軸抗壓強度有差異。浸水圓柱試件與干燥圓柱試件相比強度普遍下降,但幅度不大。

      圖10 單軸抗壓強度試驗結(jié)果

      5 結(jié)語

      通過對隧址區(qū)的地質(zhì)勘探及現(xiàn)場取樣進行點荷載試驗及單軸抗壓強度試驗得出以下結(jié)論:

      a)圍巖以片麻巖為主,節(jié)理裂隙發(fā)育,穩(wěn)定性差。區(qū)域節(jié)理較多,巖體較破碎。受斷層影響,隧址區(qū)地下水較為豐富,局部地區(qū)有涌水的可能。

      b)點荷載試件表面積更大,吸水性更強,濕潤狀態(tài)下試件平均單軸抗壓強度只有干燥狀態(tài)下的65%。節(jié)理數(shù)量及間距、試件厚度及加載間距會對點荷載強度造成影響。

      c)圓柱試件表面積更小且表面光滑,吸水較少,故干燥和浸水狀態(tài)下單軸抗壓強度差異不大。圓柱試件單軸抗壓強度與濕潤程度、高度和直徑有重要關(guān)系。

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