第三节　深埋大理岩脆-延-塑转换特性试验

一、大理岩的脆-延-塑转换特性

深埋条件的重要特点是应力水平增加并可能成为影响工程建设的关键性基础性因素之一。地应力增加不仅仅只是荷载水平的变化,地应力是地质体的一个有机组成部分,还可以影响到岩石的基本力学特性。

早在1970年,Fairhurst等人就发表了大理岩基本力学特性的研究成果,如图1-1所示,表明了大理岩的应力-应变关系曲线形态与围压存在明显关系。

当围压等于0,即进行单轴压缩试验时,压力增加到大约130MPa的水平时岩石取得峰值强度,即单轴抗压强度对应的轴向应变为0.2%,此后的试验过程中经历了快速的压力降低,在接近0.3%的轴向应变条件下,岩样的强度降低到残余值水平(<20MPa),在大约0.1%的轴向应变水平下岩石的承载力从大约130MPa降低到不足20MPa,显示了一种快速衰减,表现出典型的脆性特征。

当围压在3.45～7.6MPa之间变化时,试验结果显示,试样的最大压应力水平不断增大。并且,一个重要特点是轴向压力达到峰值以后并不马上降低,但此时岩样不断被压缩,表现为轴向压力可以维持一段时间,当轴向应变增大到一定程度以后,轴向应力才开始降低。当围压为3.45MPa和6.9MPa时,峰值以后降低速率与单轴压缩时基本相当,但残余强度显著增高。而围压水平达到13.8MPa和20.7MPa时,峰值应力可以维持相当长一段时间。

岩样在达到峰值应力水平时强度不迅速衰减的特征显示了大理岩所具备的延性特性。试验结果显示,随着围压增高,延性特征增强。当围压在6.9MPa以下时,处于脆-延状态;而当围压达到13.8～20.7MPa的水平时,延性特征十分突出,逐渐表现出理想塑性特征。

当围压进一步增大以后,如达到27.6MPa以上的水平时,在超过0.6%的轴向应变水平内,岩石的峰值应力降低很少或基本不降低;当围压为48.3MPa时,峰值应力以后的曲线形态基本表现为理想塑性特征,即高围压条件下,大理岩表现出很强的塑性特性。

可见,随着围压增加,大理岩表现出脆-延-塑转换的力学特性,并且出现转换的围压水平并不高,脆-延转换在几兆帕的围压水平内即可以实现,延-塑转换的围压水平在40MPa左右,锦屏深埋隧洞围岩的围压水平可以比较容易地达到脆-延-塑转换的量级。因此,即便是在岩体非常完整(与岩块相同)的理想情况下,隧洞开挖以后距离洞壁不同部位的围岩可以具有不同的力学特性。

在这些曲线上大致地标出了岩石在不同围压水平下的峰值强度和残余强度。当围压等于零时,峰值强度和残余强度之差最大;当围压增大时,它们的差值减小;当围压增大到48.3MPa时,二者基本相同,差值接近于零。

将该试验成果试验曲线中的特征点(峰值强度和残余强度)分别在σ3-σ1坐标系下利用HB强度准则进行拟合,获得的曲线形态如图3-5所示。对如何拟合残余强度包线有不同的理解,这里不作讨论,需要注意的是大理岩峰值强度和残余强度的差值随围压的变化情况,图3-5清楚地显示,二者的差别随围压增大不断减小,当围压达到48MPa水平时,二者几乎完全一致。

试验结果同时显示,当围压为零时,岩石发生破坏(达到峰值强度)时对应的轴向应变很小,为0.2%,这意味着岩石破坏前发生的变形很小。取得峰值强度以后的(塑性)应变相对要大得多,达到0.4%,在工程实践中表现为隧洞开挖以后表面围岩破坏前的变形一般不大,变形主要是围岩屈服破坏以后的表现形式。

大理岩的脆性特征仅当围压水平比较低时才得到表现,这也就是说,在锦屏深埋大理岩洞段,围岩的脆性破坏如片帮和岩爆等的发生也是有条件的,主要集中在洞周开挖面附近一带围压水平相对较低的部位。因此,了解和利用好隧洞开挖以后围岩围压分布和变化的时空特性进行工程设计,充分体现了对锦屏特定条件下围岩条件最本质的把握,也是施工科学地进行优化设计的最重要的理论基础之一。

围压较高时岩石表现出的延性特征显示比低围压脆性时具有更好的承载力,意味着隧洞距离洞壁远一些的深部围岩比表面围岩具有更好的承载力,这种承载力除了来自围压增大导致的峰值强度增高以外,还得益于一定程度的围岩变形并不导致岩体强度的降低。由此可见,及时地支护维持围岩的围压水平可以非常有利于发挥岩体延性特征对承载力和自稳能力的贡献。

二、锦屏深埋大理岩脆-延-塑转换特性试验

锦屏大理岩是否具备类似的特性是工程关心的问题。为深化认识锦屏大理岩的力学特性,于2008年在辅助洞A洞东端距离11号横通洞45m部位进行钻孔取样和室内补充岩石试验,取样位置埋深超过2000m,位于白山组大理岩。现场共布置了3个取样孔,对应地进行了三组岩样的室内三轴试验,其中一组试样的试验结果如图3-6所示,它清楚地显示当围岩在2～8MPa之间时,岩石存在比较明显的延性特征,其中2MPa围压下仍然保留较强的脆性特点。当围压水平增加到40MPa时,在1%的轴向应变水平内,岩石的塑性特征非常充分。也就是说,与Fairhurst(1970)等人的研究成果相一致,锦屏大理岩同样存在脆—延—塑转换特征。

试验中同时整理了两组岩样三轴试验的峰值强度和残余强度,见表3-1。把表3-1中的试验数据放到σ1-σ3坐标系以后的试验成果如图3-7所示,与图3-5的试验成果相比,A组试样的分散性相对较大,而B组试样围压水平缺乏连续性,因此按HB强度准则进行拟合时的精度受到影响。不过这并不影响基本结论,即随着围压增大,峰值强度与残余强度的差值不断减小,这在B组试样中得到清楚地反映。

图3-5和图3-7都显示了残余强度包线的斜率增大,截距大幅降低,在HB准则中可以简单地认为是mi显著增大而GSI降低,在MC准则中则对应于摩擦强度显著提高,而黏结强度显著降低。

图3-8是把所有三轴试验结果通过应力圆的方式在σ—τ坐标系下利用摩尔-库仑强度准则进行拟合的结果,图3-8(a)中试样的峰值摩尔-库仑强度参数为c=32.6MPa、ϕ=35.2°,对应的残余强度为c=4.6MPa、ϕ=45.0°,黏结强度降低而摩擦强度升高的特性十分典型。