武当群片岩冻融损伤特性试验研究

【摘要】岩石冻融损伤特性与机理是岩石力学研究的重要课题之一,我国寒区广泛分布,随着国家西部大开发及振兴东北老工业基地等战略计划的实施和开展,目前在建和规划中的许多铁路、公路、水利等重大工程均面临工程岩体的冻融问题。鄂西北地区武当群片岩广泛分布,该区片岩片理面极其发育,导致武当群片岩力学特性十分复杂。而鄂西北属于季节性冰冻地区,在该地区修建隧道工程,面临着围岩的长期稳定性问题,因此,结合交通运输行业攻关项目,开展隧道围岩冻融损伤特性研究。该选题对岩石力学性质研究具有重要理论意义和工程应用价值。论文针对十房高速通省隧道工程,采用工程地质学、岩石力学、岩石学、矿物学等理论方法,通过现场地质调查、室内物理力学试验、冻融循环试验、CT扫描、超声波测试、X射线衍射、环境扫描电镜、偏光显微镜试验、理论分析、数值试验等手段,主要开展了以下几个方面的研究：一、片岩基本物理力学特性试验研究(1)对现场采取的岩石样品分别进行室内物理、水理性质试验,结果表明,片岩块体密度及颗粒密度较接近,基本为2.86g/cm3～2.92g/cm3；片岩空隙率均较小,为1.70-1.09；饱和吸水率为0.59～0.38；5块岩石的密度较接近,孔隙率和饱和吸水率有一定差别。其中,编号为2的岩块软化系数为0.887,软化系数>0.75,表明该组岩石软化性较弱,抗冻性和抗风化能力强。(2)对初始条件下片岩进行室内单轴、三轴压缩试验,其应力-应变曲线显示,试样在压缩过程中都经历了压密、弹性变形、屈服和破坏四个阶段,试样破坏形式均为脆性。片岩天然状态下单轴抗压强度平均值为46.94MPa,饱和状态下单轴抗压强平均值度为41.65MPa,均大于30MPa,属于硬质岩。天然试样的变形模量平均值为24.8GPa,弹性模量平均值为26.4GPa,泊松比平均值为0.349；饱和试样的变形模量平均值为20.5GPa,弹性模量平均值为24.1GPa,泊松比平均值为0.298；粘聚力为10.15MPa,内摩擦角为30.3。。试样主要发生沿片理面方向的纯剪切破坏。二、岩石初始裂隙系统生成及裂隙率定量表征方法研究(1)根据初始状态下片岩单轴压缩试验结果,采用30kN轴向预压的方法使岩石试样内部产生初始损伤裂隙。预压过程中的应力-应变曲线表明,轴向压力加载至30kN时,试样仍处于弹性变形状态,且试样轴向应变平均值约为0.0013,而初始状态下饱和试样单轴压缩试验时轴向应变平均值约为0.0021,这说明通过30kN的荷载进行预压,试样产生了较明显的轴向变形,基本可以达到产生初始损伤裂隙的效果。为了定量表征轴向预压导致的岩石内部裂隙率变化情况,对预压试验前后的干燥试样进行纵波波速测试,结果表明,试样的纵波波速较初始状态有明显降低,这说明经过30kN的轴向预压,试样内部裂隙率明显增大。(2)对预压后的片岩试样进行单轴、三轴压缩试验,得到单轴抗压强度平均值为40.6MPa,弹性模量平均值为23.166GPa,泊松比平均值为0.418,粘聚力为9.77MPa,内摩擦角为30.1。。整体而言,初始损伤后片岩单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角均有所降低,泊松比增大。由于受片理面的控制,试样主要发生沿片理面的纯剪切破坏。三、片岩冻融损伤劣化规律研究(1)对所有试样进行30kN的轴向力预压,将试样分为4组,分别进行4次、8次、12次、16次冻融循环试验,并对冻融循环后的试样进行单轴、三轴压缩试验。结果表明：冻融循环作用下,片岩力学参数出现了不同程度的劣化。其中,单轴抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角随着冻融循环次数的增加而逐渐降低,且降低的速率由快至慢,有逐渐趋于稳定的趋势,通过非线性拟合得到了力学参数与冻融循环次数之间的关系；泊松比随冻融循环次数的增加无明显规律。(2)分别统计了不同损伤阶段试样CT数和纵波波速,得到CT数和纵波波速的变化规律。结果表明,在初始损伤及冻融循环作用下,试样的CT数和纵波波速均逐渐降低,这说明预压初始损伤及冻融循环导致岩石裂隙率不断增大。为比较CT数和纵波波速表征岩石裂隙率的适宜性,将各损伤阶段试样的纵波波速、CT数分别与单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角等力学参数进行相关性分析。结果表明,纵波波速与力学参数的相关性比CT数与力学参数的相关性高,纵波波速更适合于表征片岩裂隙率。(3)采用纵波波速表征岩石裂隙率,分别建立了纵波波速与力学参数关系、波速衰减度与力学参数劣化度关系的表达式。结果表明,纵波波速与力学参数、纵波波速衰减度与力学参数劣化度之间相关关系明显,采用纵波波速表征岩石裂隙率是合适的。四、片岩冻融损伤劣化机理研究(1)对所有压缩试验后的试样变形破坏模式进行统计分析,结果表明,初始状态下,试样压缩试验后破坏面大多与片理面斜交,少数试样剪切破坏面与片理面平行；随着初始损伤及冻融循环的进行,压缩试验后破坏面与片理面平行的试样个数逐渐增多。初始损伤及冻融循环作用导致试样内部裂隙发生扩展,片理面损伤劣化的程度要高于片理面间岩石,因而损伤劣化程度越高的试样,压缩试验时越容易沿片理面发生纯剪切破坏。(2)对片岩试样压缩试验后破坏面表面形态进行对比分析,结果表明,初始状态下试样剪切破坏面十分粗糙,形态不规则,表面分布有少量灰色岩石碎屑及粉末,碎屑含量较高；而经过初始预压后,随着冻融循环次数的增加,试样剪切破坏面逐渐变得平整而规则,表面仍然分布有灰色岩石碎屑及粉末,但碎屑含量较低,粉末含量较高。在此基础上,对各破坏面典型起伏曲线求取分形维数,结果表明,随着冻融循环次数的增加,分形维数整体上逐渐降低,试样压缩试验后剪切破坏面起伏度逐渐减小。主要原因是,冻融循环作用导致片理面力学性质迅速劣化,进而导致片理面对试样变形破坏的控制作用进一步增强,因而损伤劣化度越高的试样剪切破坏面越平整。(3)通过偏光显微镜试验对比各组试样冻融循环及压缩试验前后的切片,结果表明,片理中充填岩石矿物的颗粒大小及云母的定向排列情况影响片岩冻融损伤特性。片理中充填有石英、长石、方解石等矿物颗粒,充填在片理中的矿物颗粒粒径越大、数量越多,则对压缩试验时云母沿片理方向的蠕滑变形约束作用越明显。此外,当云母排列密集、连续性好且其他矿物颗粒填充较少时,冻融循环过程中片理内部裂隙扩展时易于贯通,导致片理力学性质大幅降低,因而在承受压应力时云母易发生沿片理方向的蠕滑变形；而当片理中空隙较多,且被硬度相对较高的石英、长石等矿物颗粒充填时,片理连续性较差,导致在冻融循环作用下微裂隙难以沿片理方向贯通,因而在压缩试验时云母整体发生沿片理方向的蠕滑变形,但局部受其他矿物颗粒的“阻挡”作用而发生扭曲或错位。(4)通过扫描电镜试验对比不同损伤状态下片岩试样剪切破坏面表面形态,结果表明,未经冻融循环损伤劣化的片岩试样,压缩试验后剪切破坏面上片理中的剪切裂隙发展方向大多与试样剪切方向呈小于45。的角度斜交,经过冻融循环作用后的片岩试样,压缩试验后剪切破坏面上片理中的剪切裂隙发展方向大多与试样剪切方向呈约70。-85。的大角度相交。这表明,冻融循环作用导致片理的抗剪切能力降低,压缩试验时易沿片理面方向发生纯剪切破坏；而未经冻融循环时,片理抗剪切强度较高,在轴向力作用时试样不易沿片理面发生纯剪切破坏,导致片理发生压-剪破坏。此外,未经冻融循环的试样压缩试验剪切破坏后,片理面间岩石末见明显变形破坏现象；经冻融循环的试样压缩试验剪切破坏后,片理面间充填的长石、方解石解体,体积膨胀,对两侧的片理产生挤压应力,导致云母构成的片理裂隙率增大、抗剪强度降低。五、考虑片岩冻融损伤劣化的隧道围岩长期稳定性研究(1)通过室内力学试验及现场地质调查,采用RMR分级方法对隧道围岩进行岩体质量分级,得到岩石单轴抗压强度、岩体质量指标RQD、节理间距、节理条件、地下水入渗、节理产状与洞室轴线关系等6个指标的分值分别为6、16、10、13、12、-11,进而得到RMR评分值为46,根据RMR分级标准,通省隧道YD115+038～D115+163段围岩质量等级为Ⅲ级,岩体质量中等。在此基础上,采用Hoek-Brown准则估算岩体力学参数,取完整岩块m1=8、岩体的应力扰动情况D=0.8、岩体容重γ=28.8kN/m3、隧道埋深H=325m,岩石单轴抗压强度分别为0、4、8、12、16、20次冻融循环条件下的室内实验值,最后得到这6种不同冻融循环次数下隧道围岩的弹性模量、粘聚力和内摩擦角等力学参数。(2)采用FLAC-3D数值分析方法,分别研究了隧道开挖后初衬、二衬支护条件下及支护后经历4次、8次、12次、16次、20次冻融循环条件下围岩和衬砌支护结构的变形及稳定性变化情况,得到了上述6种工况下隧道围岩和二衬的位移场、塑性区及应力场变化规律。结果表明,随着冻融循环次数的增加,隧道围岩和衬砌的变形、塑性区体积、最大主应力、最小主应力均逐渐增大。产生这种变化的主要原因是,随着冻融循环次数的增加,隧道围岩的力学特性逐渐衰减、变形增大、围岩松动圈范围扩大,导致围岩稳定性降低,进而使得围岩施加到支护结构上的荷载增大,最终降低了衬砌的稳定性。在支护方案选择及支护结构设计时须考虑到围岩在长期冻融循环作用下力学特性损伤劣化对隧道稳定性的影响。本文通过多种试验手段和方法研究武当群片岩冻融损伤劣化规律及机理,主要的创新之处在于：(1)提出了片岩初始损伤裂隙系统的生成及裂隙率定量表征方法。目前,主要采用人为自造规则的宏观裂隙来模拟爆破冲击、开挖卸荷等工程扰动对岩石造成的初始损伤,与岩石中实际裂隙发展的情况不符,为此,采用在RMT试验系统对试样进行轴向预压的方法,在保证试样整体完整的前提下使试样内部产生一定裂隙,以模拟工程扰动对岩石的初始损伤,并采用超声波波速定量表征岩石裂隙率的变化。(2)定量研究冻融循环作用下片岩裂隙率与力学参数之间的关系。对初始、初始损伤及冻融循环等各阶段的试样进行超声波测试及CT扫描试验,通过纵波波速、CT数来间接表征试验各阶段片岩裂隙率的变化情况,并建立纵波波速、CT数与片岩力学参数之间的对应关系,从而得到裂隙率与力学参数之间的量化关系。(3)从岩石组构的微观角度揭示了片岩冻融损伤劣化机理。通过x射线衍射、偏光显微镜、电镜扫描等试验,从矿物成分、矿物颗粒排列、岩石微观结构等角度定性分析片岩冻融损伤劣化机理。
【作者】王章琼；
【导师】晏鄂川；
【作者基本信息】中国地质大学，地质工程，2014，博士
【关键词】损伤；冻融循环；岩石裂隙生成及其表征；裂隙率；武当群片岩；

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