鄭萬鐵路巴東組泥巖力學試驗研究

王國軍 朱小兵 劉保林 趙東平 季啟航

（1.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司， 重慶 400023；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 成都 610031；3.西南交通大學， 成都 610031）

鄭萬高速鐵路小三峽隧道全長18.9 km，隧道洞身段穿越三疊系中統巴東組一、二段（T2b1+2）、下統嘉陵江組（T1j）、及大冶組（T1d）等地層，其中三疊系中統巴東組一、二段是以紫紅色泥巖為主的地層。泥巖具有強度低、遇水軟化明顯、膨脹等特點［1］，屬于軟巖類。地勘資料顯示，泥巖呈塊碎狀鑲嵌結構及層狀結構，圍巖穩定性差；巖溶一般較發育，容易產生大量坍塌和涌水，將對隧道的施工造成較大的影響。因此，對巴東組泥巖的力學特征進行研究，可為依托于該隧道工程的理論計算分析工作提供基礎。

泥巖物理力學參數方面，殷躍平［2-4］等對三峽庫區內巴東組泥巖的膨脹性、崩解性、干濕循環強度弱化特性等力學特性進行了研究；張家銘［5］等通過三軸試驗得到了巴東組泥巖的全應力 - 應變曲線，并將其劃分為4個階段，提出了每一段的本構方程；王閆超［6］等建立了巴東組泥巖的流變本構模型，準確描述了巖石的3個典型流變階段。

目前，針對巴東組泥巖的自身特性已有部分研究，但其試驗所得參數與現場實際巖體的參數存在較大區別，而且對于如何將試驗得到的巖樣參數轉化為現場巖體參數尚未提及。本文通過單軸和三軸壓縮試驗對巴東組泥巖物理力學參數進行了測試，并基于Hoek-Brown準則將試驗參數轉化為了現場巖體參數。研究成果可為后期研究的理論及數值分析提供依據，也可為其他工程提供參考。

1 試驗方案

巴東組泥巖巖樣采自鄭萬高速鐵路小三峽隧道的多個區段，按規范要求加工為直徑50 mm、高100 mm的標準圓柱體試件。利用MTS-815型程控伺服剛性試驗機對巴東組泥巖的物理力學參數進行測試。該試驗機用于巖石及混凝土的試驗，可以在常溫、高溫條件下進行巖石及混凝土材料單軸、三軸壓縮試驗，在多種控制模式之間可隨意切換，是現在國內較為先進的室內巖石力學試驗設備。

試驗共制144個巴東組泥巖巖樣，試驗測得的巴東組泥巖巖樣最大密度為2.77 g／cm3，最小密度為2.61 g／cm3，平均密度為2.70 g／cm3。依據完整度和密度對巖樣進行分組，分別對烘干和飽水狀態下試驗巖樣進行單軸壓縮試驗與三軸壓縮試驗，得到烘干和飽水狀態下巴東組泥巖的彈性模量、內摩擦角、粘聚力以及泊松比。試驗分組如表1所示。

表1 巴東組泥巖力學試驗分組表

2 試驗結果分析

2.1 巴東組泥巖單軸壓縮試驗

常規單軸壓縮試驗包括烘干狀態和飽水狀態各6組，根據試驗過程中MTS試驗機的控制計算機自動采集的原始數據計算軸向應力、軸向應變和環向應變，并由式（1）計算得到巴東組泥巖的彈性模量。

式中：E——彈性模量（MPa）；

σ——軸向應力（MPa）；

εd——軸向應變。

巴東組泥巖單軸應力 - 應變曲線如圖1所示。從圖1可以看出，單軸壓縮試驗過程中巴東組泥巖在烘干與飽水狀態下應力 - 應變曲線形態基本一致，峰值前可分為3個階段：裂隙壓密階段、彈性階段以及塑性變形階段。在裂隙壓密階段，由于巖樣內部存在微小裂隙或節理面，巖樣內部受壓閉合，應力應變曲線有向上彎曲的趨勢；在彈性階段，巖樣的裂隙受壓密實后，應力應變曲線近似于直線，表明該階段泥巖的性質較為穩定；在塑性變形階段，由于巖樣承受較大的外部荷載，內部裂隙起裂擴展，并最終在荷載作用下裂隙貫通導致巖樣發生破壞。

圖1 巴東組泥巖單軸應力 - 應變曲線圖

巴東組泥巖在烘干與飽水狀態下的單軸抗壓強度、彈性模量以及泊松比如表2所示。相較于烘干狀態，飽水狀態下巴東組泥巖的單軸抗壓強度與彈性模量有所降低，泊松比有所增大，即飽水條件下巴東組泥巖的變形更為顯著。

表2 巴東組泥巖參數均值統計表

2.2 巴東組泥巖三軸壓縮試驗

常規三軸壓縮試驗包括烘干轉臺和飽水狀態各6組，每 組 5個 試 樣 分 別 按 2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa及10 MPa圍壓進行試驗。圍壓以0.05 MPa／s加載速率至預定側壓力，軸向加載方式以0.1 mm／min的速度進行加載，得到不同圍壓下的破壞強度，并利用式（2）、式（3）求出每組的峰值內摩擦角（φ）和粘聚力（c）。

式中：σc——軸向應力 - 圍壓關系曲線縱坐標的應力截距（MPa）；

m——軸向應力 - 圍壓關系曲線的斜率；

φ——內摩擦角（°）；

c——粘聚力（MPa）；

烘干狀態巴東組泥巖（第一組）主應力差 - 軸向應變關系曲線如圖2所示。隨著圍壓的增大，主應力差 - 應變曲線的斜率明顯增大，破壞狀態下的主應力差與軸向應變明顯提高，巴東組泥巖的強度隨著側壓力的增大而有所提高。

圖2 烘干狀態巴東組泥巖（第一組）主應力差 - 軸向應變關系曲線圖

烘干狀態與飽水狀態下巴東組泥巖彈性模量如表3和圖3所示。隨著圍壓的增大，巴東組泥巖的彈性模量逐漸增大；烘干狀態下巴東組泥巖彈性模量的增長速率明顯大于飽水狀態，相對于烘干狀態，飽水狀態下巴東組泥巖彈性模量的減幅由10.33%（圍壓2 MPa）增長到19.91%（圍壓10 MPa），即圍壓較大時水對巴東組泥巖彈性模量的削弱作用更為顯著。巴東組泥巖內摩擦角、粘聚力、泊松比如表4所示。由表4可知，相較于烘干狀態，飽水狀態下巴東組泥巖內摩擦角降低9.39%，粘聚力降低10.07%，泊松比提高9.09%。

表3 巴東組泥巖彈性模量統計表（GPa）

表4 巴東組泥巖內摩擦角、粘聚力、泊松比統計表

圖3 巴東組泥巖彈性模量與圍壓的變化關系曲線圖

3 現場巖體參數轉化

試驗所用的巖樣取自完整巖塊，根據TB 1003 -2016《鐵路隧道設計規范》［7］可將上述試驗的巴東組泥巖劃分為Ⅱ級圍巖，而小三峽隧道現場巖體較為破碎，圍巖等級僅為Ⅳ級，現場巖體的力學參數與試件測試所得參數相差較大。

針對上述情況，將試驗所得參數轉化為現場巖體參數，以便后續的研究。Hoek-Brown準則可基于地質強度指標（GSI）評價巖體的強度，并估算巖體破碎狀態下的彈性模量、粘聚力以及內摩擦角，其表達式為：

式中：σ1、σ3——分別為最大、最小主應力（MPa）；

σc——完整巖體的單軸抗壓強度（MPa）；

mb、a——巖石經驗參數（量綱為1）；

s——反映巖體的破碎程度。

mb、a、s可通過式（5）～式（7）計算得出。

式中：mi——巖石經驗參數（量綱為1），反映巖石的軟硬程度；

GSI——地質強度指標；

D——巖石的擾動系數。

基于Hoek-Brown破壞準則，Rocscience開發的RocLab程序可以利用完整巖樣的單軸抗壓強度與彈性模量、地質強度指標（GSI）、巖體參數mi以及巖體擾動系數D計算得出現場破碎巖體的彈性模量、內摩擦角與粘聚力。

地質強度指標可根據現場巖體結構以及結構面表面進行判斷。由現場掌子面揭示情況可知，掌子面表面巖體包含許多不連續集形成的角狀塊體褶層與斷層，結構面中度風化且較為平整。根據GSI分級表［8］可大致估算現場巖體的GSI值為40，泥巖的mi值可根據參考值取7，由于現場采用機械開挖，對圍巖的擾動較小，巖體干擾系數可取0。利用巴東組泥巖單軸試驗測得的單軸抗壓強度平均值39.74 MPa，彈性模量平均值8.84 GPa，以及現場隧道埋深情況、巖體重度，利用RocLab程序得出現場巖體的相關系數如圖4所示。

圖4 RocLab程序計算結果圖

根據RocLab程序的計算結果可以看出：小三峽隧道現場巴東組泥巖巖體的彈性模量為1.41 GPa，內摩擦角為33.89°，粘聚力為0.716 MPa。根據《鐵路隧道設計規范》對各級圍巖的物理力學指標的參考值，Ⅳ級圍巖的彈性模量為1.3～6 GPa，內摩擦角為27°～39°，粘聚力為 0.2～0.7 MPa，換算得到的小三峽隧道巴東組泥巖的物理力學參數，可將現場圍巖等級劃分為Ⅳ級，該結果與地質勘測結果一致。

4 結論

本文基于單軸、三軸壓縮試驗對巴東組泥巖的物理力學參數進行測試，并利用Hoek-Brown準則轉化為現場巖體參數，為后續研究奠定了基礎，得出的主要結論如下：

（1）巴東組泥巖的破壞可大致分為3個階段：裂隙壓密階段、彈性階段、塑性變形階段。在塑性變形階段，隨著巖樣內部裂隙的起裂擴展，最終在荷載作用下裂隙貫通引起巖樣破壞。

（2）在飽水狀態下，巴東組泥巖的彈性模量、內摩擦角以及粘聚力有所減小，泊松比有所增大。

（3）隨著圍壓的增大，巴東組泥巖的彈性模量逐漸增大，破壞狀態下的主應力差與軸向應變明顯提高，強度有所增大；在圍壓較大時，水對巴東組泥巖彈性模量的削弱作用更為顯著。

（4）基于Hoek-Brown準則，利用RocLab程序，根據完整巖樣單軸抗壓強度、彈性模量、地質強度指標（GSI）、巖體參數mi以及巖體擾動系數D，得到現場巖體的彈性模量、內摩擦角以及粘聚力，與Ⅳ級圍巖物理力學參數參考值基本對應。