Unloading deformations of surrounding rock in jointed roadways
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摘要: 自然界中的岩体在长期的地质构造运动作用下，内部往往发育不同尺度的节理，而巷道围岩的稳定性与节理的发育密切相关。为研究节理对巷道围岩开挖卸荷变形的影响，采用课题组的开挖卸荷模型试验系统，对不同节理尺寸水泥砂浆围岩试件开展了系列试验。研究结果表明：①巷道围岩开挖卸荷变形主要发生在卸荷阶段，维持阶段变形继续存在，但节理对其卸荷变形无明显影响。此阶段，卸荷变形程度显著降低并逐渐趋于稳定，其应变增量大约为100 με；②与无节理试件相比，含节理试件S-1和S-2的应变平均降低幅度超过70%，远高于S-3，即节理尺寸越大，卸荷变形程度越大，卸荷作用越明显；③试件在不同方向的应变差异较大，切向应变均大于径向应变，含节理试件尤为突出。Abstract: The rock mass in nature often develops joints of different scales under the action of long-term geological tectonic movement, and the stability of surrounding rock of roadways has a great relationship with the development of joints. For the sake of studying the effects of joints on the excavation unloading deformation of surrounding rock of roadways, a series of tests are carried out on the cement mortar surrounding rock specimens with different joint sizes through the excavation unloading model test system developed by the authors. The results show that: (1) The unloading deformations of surrounding rock mainly occur at the unloading stage, and the deformations continue to exist at the maintenance stage, but the joints have no obvious influences on the unloading deformations. At this stage, the unloading deformation degree decreases significantly and gradually becomes stable, with the strain increment of about 100με. (2) Compared with the specimens without joints, the average strain reduction of S-1 and S-2 specimens with joints is more than 70%, which is much higher than S-3. That is, the larger the joint size, the greater the degree of unloading deformations, and the more obvious the unloading effects. (3) The specimens have great differences in strain in different directions, and the tangential strain is greater than the radial strain, especially for the specimens with joints.
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Keywords:
- small-scale model test /
- joint /
- excavation unloading /
- surrounding rock deformation
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0. 引言
随着“西部大开发”战略的实施及“一带一路”倡议的推动,西北黄土地区将不断地快速发展[1],进行大量的工程建设,需要对工程建设中涉及的黄土进行深入的研究。黄土的成因[1]、基本物理力学性质[2, 3]、微结构特征[4-5]和结构性[6]等均作了较为深入的研究,但大多数试验研究中都是针对垂直层面取样的试样。对于主要受竖向荷载作用的黄土地基基础工程及类似工程来说,取垂直层面试样进行研究是合理的；而对于受力状态较为复杂的边坡和隧道及地下结构等主应力方向未必水平的工程[7]来说,有必要研究黄土力学性质的各向异性[8]。因此学者们对黄土的各向异性产生了浓厚的兴趣。
采取竖直向与水平向试样进行黄土各向异性研究的结论并非完全一致。有结果表明原状黄土变形模量竖直向大于水平向[7],抗剪强度竖直向明显高于水平向[9-11]；有结果表明水平向黏聚力大于竖直向黏聚力,内摩擦角变化不大[12]。不同层位的黄土结构参数与其抗剪强度表现出不同的各向异性特征[13]。有些学者增加了取样角度,有结果表明：竖直向剪切面的抗剪强度>水平向的剪切面抗剪强度>45°方向剪切面抗剪强度[14]；有研究认为偏差应力在竖直方向最大,在与竖直面呈45°或90°方向时最小[15]；也有研究结果表明黄土的无侧限抗压强度随试样的试验平面由水平面向竖直面变化而降低[16]。以上研究表明,不同土体的各向异性存在差异。
黄土力学性质的各向异性特点是其结构性的表现方式[7]。为研究黄土强度的各向异性规律,分析不同土体各向异性差异的原因,本文通过对与沉积面呈不同角度不同含水率的黄土试样进行无侧限抗压强度试验,得出原状、重塑黄土的无侧限抗压强度,计算不同角度不同含水率试样的初始结构性参数。通过对比分析其强度与结构性指标与取样角度的关系,得出了黄土强度及结构性的各向异性规律,并分析了其原因。
1. 试验方案
1.1 试验用土
本试验所用土样取自甘肃省兰州市兰州大学榆中校区附近某直立边坡,去除表层土,采用人工掏槽法取样,经室内试验得物性指标如表1所示。
表 1 黄土试样的物性指标Table 1. Physical properties of loess干密度/(g·cm-3) 天然含水率/% 土粒相对质量密度 塑限/% 液限/% 塑性指数 1.250 2.0 2.70 20.0 28.0 8.0 1.2 试验方案
本试验分别制作不同含水率(2%, 5%, 10%, 15%, 18%, 20%, 25%, 28%,饱和)与沉积面(压实面)成不同角度(θ=0°, 30°, 45°, 60°, 90°,如图1所示)的原状、重塑黄土共85个试样,进行无侧限抗压强度试验,试验采用南京自动化仪器厂生产的常规应变控制式三轴剪力仪,控制轴向变形速率为0.368 mm/min。试验采用圆柱形试样,其直径为39.1 mm,高为80 mm。
2. 黄土的强度各向异性分析
2.1 原状黄土的试验结果与分析
根据预定方案进行试验,得到不同含水率不同取样角度原状黄土的应力-应变曲线,见图2,其中q表示轴向应力(kPa), ε表示轴向应变(%)。
从图2（a）可以看出：当含水率w=2%时,取样方向与沉积面成90°时,原状黄土试样的无侧限抗压强度qu0最大；取样方向与沉积面成0°时原状黄土试样的无侧限抗压强度次之；取样方向与沉积面呈60°, 45°时依次减小,最小的为取样方向与沉积面呈30°时的无侧限抗压强度。图2（b）~（h）也表现出相同的规律。因此,可以得出：含水率相同时,取样方向与沉积面夹角不同时,试样强度不同,表现出各向异性,且具有相同的规律,即(qu0)90°>(qu0)0°>(qu0)60°>(qu0)45°>(qu0)30°。从图2还可以看出：随着含水率的增加,不同角度所取试样的无侧限抗压强度之间的差值越来越小,当试样达到饱和含水率时,不同取样方向试样的应力-应变曲线差异极小,说明随着含水率的增加原状黄土强度的各向异性在逐渐减弱。
根据库仑强度理论,破裂面与最大主应力面(水平方向)呈45°+φ/2, φ为试样的内摩擦角。因此可得出不同取样角度试样的破裂面与沉积面的夹角a,如图3所示。
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图 3 破裂面与沉积面/压实面的关系Figure 3. Relationship between failure surface and sedimentary surface or compacted surface从图3可以看出：当取样角度θ=90°时,破裂面与沉积面之间的夹角α=45°+φ/2,最大；θ=30°时,α=15°-φ/2,最小。兰州黄土的内摩擦角φ一般在30°左右[17],因此,45°+φ/2>45°-φ/2>15°+φ/2>φ/2>15°-φ/2,即破裂面与沉积面之间的夹角α从大到小排列所对应的取样角度分别为90°, 0°, 60°, 45°, 30°。这个规律与前述不同取样角度试样的强度大小规律是一致的,可见强度的大小与破裂面和沉积面之间夹角α的大小密切相关。α的计算式如下：
(1) 试样破裂面与沉积面之间的夹角越大,无侧限抗压强度qu越大；反之越小。当α=|φ/2+θ-45°|=0时,即取样角度θ=45°-φ/2时,强度最小。在试验的几个取样角度中,θ=30°所取试样的破裂面方向最接近水平沉积的层面,而层面是天然的软弱面,故此时试样的无侧限抗压强度最小,证明了前述规律。
2.2 重塑黄土的试验结果与分析
根据预定方案进行试验,使取样方向与压实面呈不同角度,得到不同含水率不同取样角度重塑黄土的应力-应变曲线见图4。
从图4可以看出：重塑黄土与原状黄土具有相似的强度各向异性,即(qur)90°>(qur)0°>(qur)60°>(qur)45°>(qur)30°。其原因在于重塑黄土制样的分层压实过程中形成的压实层面类似于原状黄土的沉积面,因此,不同角度取样的重塑黄土强度与原状黄土强度具有相似的规律,表现为重塑黄土的剪切破裂面与压实面之间的夹角越大时,无侧限抗压强度越大,反之越小。重塑黄土不同角度取样后,试验所得的破裂面与压实面之间的关系见图3,同样表明θ=30°时,压实面与破裂面最接近,相应试样的无侧限抗压强度最小。同样地,重塑黄土的各向异性也是随着含水率的增加而逐渐减弱。
3. 黄土结构性的各向异性分析
谢定义、齐吉琳等总结了已有黄土结构性的研究成果,基于对原状黄土、重塑黄土、饱和原状黄土试样的压缩试验,从土力学的角度,提出了定量描述黄土结构性的指标——综合结构势[5]。之后,学者们在综合结构势的基础上提出了多种结构性参数,其中构度指标mu可反映土体的初始结构性[18],其表达式为
(2) 式中,quo、qur、qus分别为原状土、湿密状态相同的重塑土、饱和原状土的无侧限抗压强度。
根据试验所得的原状、重塑黄土的无侧限抗压强度,由式(2)计算得相应黄土的构度指标mu。图5给出了不同取样角度黄土的构度指标mu与含水率的关系,图6给出了构度指标mu与取样角度的关系。w>15%时减小的幅度较小。在含水率相同时,与无侧限抗压强度类似,构度指标mu也表现出在θ=30°时最小的规律,如图6所示。在含水率相同时,不同取样角度黄土的构度指标不同,说明黄土的结构性也具有各向异性。不过,随着含水率的增加,取样角度对黄土构度指标的影响越来越小,即黄土结构性的各向异性逐渐减弱,且含水率较小时各向异性减弱得较快；随着含水率的增加,构度指标mu越来越接近,说明随着含水率的增加,黄土原始结构逐渐破坏,黄土结构的各向异性在向着各向同性转化。
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图 6 构度指标mu与取样角度的关系Figure 6. Relationship between structural index muand sampling angle4. 结论
从图5可以得出：构度指标mu随含水率的增大而减小,且在含水率w<15%时减小的幅度较大,含水率
本文通过对原状、重塑黄土进行无侧限抗压强度试验,分析了其强度及结构性与取样角度的关系,主要得出以下结论：
(1)当含水率较低时原状黄土、重塑黄土的无侧限抗压强度各向异性较明显,构度指标mu的各向异性也较明显。
(2)当含水率一定时,破裂面与沉积面所成角度越大,原状、重塑黄土的无侧限抗压强度越大,结构性参数越大。取样角度θ=45°-φ/2时,强度最小。
(3)随着含水率的增大,原状黄土、重塑黄土的无侧限抗压强度逐渐减小,各向异性逐渐减弱。
不同方向黄土的强度与结构参数存在明显的差异,即黄土具有明显的各向异性,黄土的这一性质在边坡、隧洞及地下构筑物中显得尤为重要,因此此类工程施工时应有效防止地下水或地表水对黄土强度及结构性的影响,同时采用适当的断面形式,充分利用不同方向土体自身的强度与结构性,保证围岩的稳定性。
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图 3 围岩试件初始应力示意图
Figure 3. Mechanism model for rectangular roadway under excavation unloading
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图 10 T1测点无节理试件理论值与试验值对比
Figure 10. Comparison between theoretical and experimental values of specimen without joints at point T1
表 1 水泥砂浆的力学参数
Table 1 Mechanical parameters of cement mortar test pieces
介质 泊松比μ 弹性模量/GPa 抗压强度/MPa 密度/(g·cm-3) 水泥砂浆 0.2 7.7 25 1.97 砂岩 0.02~0.2 4.9~78.5 20~170 2.10 
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表 2 试验方案
Table 2 Testing programs
试样编号 数量 节理尺寸/mm 模拟地应力/MPa S-0 3 — 25 S-1 3 40×90 S-2 3 50×90 S-3 3 60×90
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表 3 T1、T2测点径向和切向平均应变值
Table 3 Radial and sheer strain values of points T1 and T2
测点 试样编号 卸荷阶段应变峰值/10-3 卸荷后维持阶段应变增量/10-3 T1 S-0-R 2824.18 97.12 S-1-R 621.39 98.98 S-2-R 754.57 96.23 S-3-R 1556.75 103.69 S-0-S -2824.18 97.12 S-1-S -827.57 102.43 S-2-S -958.32 104.94 S-3-S -1785.31 95.65 T2 S-0-R 1841.84 100.44 S-1-R 352.54 96.21 S-2-R 458.59 98.08 S-3-R 547.83 99.79 S-0-S -1841.84 100.44 S-1-S -441.43 100.96 S-2-S -560.83 99.21 S-3-S -775.98 95.10
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