层理白云岩力学特性及隧道围岩位移特征研究

摘要为探究贵阳地域层理白云岩力学特性及受层理影响的白云岩隧道围岩位移特征纪律,对取自贵阳某隧道工程施工现场的层理白云岩试件举行了单轴压缩、巴西劈裂和电镜扫描(SEM)试验,并对5种层理倾角下的白云岩隧道工况举行了数值模拟分析。研究效果讲明:层理白云岩抗压强度较高,随着层理角度增大,抗压强度呈先减小后增大趋势;试件破坏形态分为劈裂破坏、压剪滑移破坏及压碎破坏三种,且抗压强度巨细为压碎破坏>劈裂破坏>压剪滑移破坏;层理白云岩抗拉强度具有一定的离散性,随着层理角度增大,抗拉强度整体呈下降趋势;层理白云岩岩质处微观结构排列有序,形状多呈规则的多面体,整体结构面较平滑完整,颗粒间的精密水平较高;夹层处微观结构排列杂乱无纪律,微观颗粒形状巨细纷歧且不规则,颗粒间的联合较松散;白云岩隧道受层理影响,22.5°层理隧道围岩位移最大,隧道最大位移发生于隧道与层理接壤区域,设计时可对该区域增强支护,从而到达有效控制围岩位移的目的。关键词层理白云岩;单轴压缩试验;巴西劈裂试验;电镜扫描(SEM)试验;破坏类型;作者简介梁中勇(1992—),男,助理工程师,硕士,主要从事岩土工程设计研究事情。

E-mail:2693942248@qq.com; 杨胜波(1976—),男,研究员,学 士,主要从事岩土工程设计研究事情。E-mail:372841053@qq.com;基金国家自然科学基金项目(51608141)引用梁中勇，杨胜波，崔宇，等． 层理白云岩力学特性及隧道围岩位移特征研究［ J］ . 水利水电技术，2020，51( 6) : 121-127. LIANG Zhongyong，YANG Shengbo，CUI Yu，et al． Study on mechanical properties of bedded dolomite and displacement characteristics of tunnel surrounding rock［ J］ . Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 6) : 121-127.0 引 言层理岩石受层理影响,具有差别的力学性质、变形特性、破坏形态及内部结构等,工程建设中会遇到大量层理岩石,研究其力学特性对工程的设 计、施工及稳定性预测有着重要意义。层理岩石在力学性能上由层理面占主控职位,差别种类的层理岩石,层理面定向排列方式差别,对其性质影响 水平差别。

通过对层理岩石举行巴西劈裂、单轴压缩、电镜扫描等试验,可探究出层理影响下岩石的性能及微观结构。层理岩石研究中,接纳室内试验手段,可直观地得出层理影响下岩石力学参数变化纪律及破坏形态。刘运思等 对层理角度为0°、15°、3 0°、45°、60°、75°、90°共7种角度、42个层理板岩试件举行巴西劈裂试验。刘恺德等 对取自淮南矿区层理性较强的煤层举行平行层面和垂直 层面的巴西劈裂和单轴压缩试验。

贾长贵等 对层理页岩芯样举行单轴、三轴压缩试验,研究了加载偏向与层理面呈0°、30°、60°、90°时页岩的 力学特性及破坏形式。腾俊洋等 对层状含水页岩试件举行了巴西劈裂试验,得出了层理角度显着影响着页岩的劈裂破坏模式与抗拉强度的结论。邓华锋等 选取三峡库区某边坡工程的绢云母中粒石英砂岩为研究工具,对倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°层理砂岩举行了42组巴西 劈裂试验。

李江腾等 接纳微机控制电液伺服试验机,对圆柱体板岩试件举行了单轴压缩试验。李志刚等 以鄂西北地域板岩为工具,联合室内试 验及数值分析,研究了差别板理面角度影响下板岩的力学特性及破坏模式。LI等 对预存缺陷为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°煤岩举行单 轴压缩试验。

梁利喜等 对四川盆地龙马溪组灰玄色页岩举行了三轴压缩及电镜扫描等实验,研究了差别层理面倾角下的页岩的抗压强度、内聚 力及内摩擦角的变化纪律。综合上述文献研究结果讲明,层理影响岩石力学性质显著,差别岩石受层理影响水平不尽相同。

层理白云岩作为贵阳地域广泛赋存的一种沉积 岩,其所含矿物身分庞大,天然裂痕及泥质发育,层理结构显着,极大地影响着白云岩隧道、边坡等的稳定性。为此,本文选取贵阳地域层理白云岩为研 究工具,对其举行了巴西劈裂、单轴压缩及电镜扫描试验,同时,通过有限元模拟,对层理影响下的白云岩隧道围岩位移特征展开了研究。1 试验设计1.1 试件制取试验试件取自贵阳某隧道工程施工现场,接纳钻探取样的方式从地层中取出岩样,带入实验室钻芯与切割加工,加工完成的单轴压缩圆柱体试件 直径d为50 mm、高度h为100 mm;巴西劈裂圆柱体试件直径d为50 mm、高度h为30 mm,切合《工程岩体试验方法尺度》(GB/T 50266—2013)要 求,图1为加工完成的试件。图1 加工完成的试件1.2 层理倾角设定试验岩样为纯天然层理白云岩,层剃头育陪同多条,相互间层理走向较纪律。

试件外貌层剃头育基本呈闭合状态,少许呈张开状态。部门层理虽 非理想直线型,但从层理走向看,层理仍呈直线型。本次试验接纳签字笔将试件外貌层理沿其走向标识,提取一条最显着层理作为主层理,确定层理角 度。巴西劈裂试验中主层理走向与横轴夹角定为层理倾角α,单轴压缩试验中主层理走向与圆柱体轴线的夹角定为层理倾角α(见图2)。

最后凭据层 理统计,抛开无规则层理试件,巴西劈裂试验试件仅选取了有代表性的层理倾角为0°、15°、25°、30°、45°、60°、75°、90°试件共23个;单轴压缩 试验试件选取了层理倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的试件共24个。图2 层理倾角设定(单元:mm)2 单轴压缩试验效果分析2.1 抗压强度分析凭据统计试验效果,将差别层理倾角下白云岩试件在单轴压缩下的抗压强度汇总于表1,图3为抗压强度随层理角度变化曲线。从图3可以看出,层理白云岩的抗压强度较高,漫衍在60～130 MPa之间,平均抗压强度为87.25 MPa。随着层理角度的增大,试样抗压强度整体 出现出先减小后增大趋势。

层理角度为90°时,白云岩试件的抗压强度最大为128.70 MPa;层理角度为30°时,白云岩试件的抗压强度最小为61.65 M Pa,最大值是最小值的2.09倍。表1 单轴压缩试验下试件的抗压强度图3 抗压强度随层理角度变化曲线2.2 单轴压缩破坏形态分析差别层理倾角白云岩试件在单轴压缩的状态下体现出了差别的破坏形态,表2展示了部门试件在单轴压缩试验下的破坏形态,大致可将其归纳为 三类,即劈裂破坏、压剪滑移破坏及压碎破坏:(1)劈裂破坏,在荷载作用下,平行于加载轴的层剃头生领悟,将试件支解成了条块状,中间多胀裂为片状, 主要发生在0°层理试件;(2)压剪滑移破坏,有显着的剪切破坏面,剪切面跟岩样轴向成一定的倾角,破坏后岩样发生的碎屑较少,主要发生于倾斜层理 试件;(3)压碎破坏,试件在荷载作用下易爆裂为碎块,破坏后岩样发生碎屑较多,多发生于90°层理试件。2.3 单轴压缩破坏机理试验所用层理白云岩试样层理结构显着,力图简化分析,假设层理白云岩由岩质和夹层交替组成,岩质和夹层均为各向同性质料,且岩质刚度大于 夹层刚度。

表2 单轴压缩试验下试件的破坏形态就劈裂破坏而言,可将岩质和夹层看作并联,凭据轴向应变相同原则,可得出ε =ε=ε ,其中ε 为岩质应变,ε为平均应变,ε 为夹层应变。因为岩质刚 度大于夹层刚度,所以σ >σ>σ ,其中σ 为岩质应力,σ为平均应力,σ 为夹层应力。

应变相同,岩质刚度大,能蒙受变形小,试样沿岩质劈裂破坏。对于压碎破坏岩样,可将岩质和夹层看作串联,凭据串联性质,沿轴向应力相同,有σ =σ=σ ,由于岩质刚度大于夹层刚度,所以ε <ε<ε ,沿轴向质料 所受压力相同,夹层强度低,试件先夹层压紧,后夹层与岩质配合破坏,此种岩样抗压强度较高。至于压剪滑移破坏岩样,由于倾斜夹层刚度小,且正应力和切应力同时作用,故试件沿倾斜夹层滑移破坏。

凭据以上三种破坏模式机理分析,可得出层理白云岩试件抗压强度巨细为压碎破坏>劈裂破坏>压剪滑移破坏,此结论与图3曲线纪律相同。3 巴西劈裂试验效果分析3.1 抗拉强度分析抗拉强度作为可以表征岩石强度特性的重要参数,也是岩石结构设计中宁静与稳定性分析的控制参数之一。

通过对试件开展巴西劈裂试验,间接 获取层理白云岩的抗拉强度如表3所列,图4为抗拉强度随层理角度变化曲线。表3 巴西劈裂试验下试件的抗拉强度图4 抗拉强度随层理角度变化曲线从图4可以看出:差别层理倾角下白云岩抗拉强度具有一定的离散性,层理的倾角效应使得白云岩整体的抗拉强度出现一定的各向异性。从曲线 整体上看,层理白云岩抗拉强度随层理角度呈下降趋势。

凭据统计试验效果可知,层理白云岩的抗拉强度集中在3～7 MPa的规模内,平均抗拉强度为 5.03 MPa。在层理角度为75°时抗拉强度最小为3.04 MPa,在层理角度为25°时抗拉强度最大为6.45 MPa,抗拉强度最大值是最小值的2.12倍。3.2 巴西劈裂破坏形态分析巴西劈裂试验历程中发现,试件破坏时,层理白云岩体现出显着的脆性。

在集中力的作用下,圆盘试样端面中点处拉应力值较大,裂纹沿着端面中 点向内部扩展,形成的破裂面比力平直,最终试样被劈裂成两半,且在试件劈裂破坏的瞬间发出了清脆的破断声,破坏形态如图5所示。图5 巴西劈裂试件破坏形态4 层理白云岩微观结构分析电镜扫描(SEM)试验是使用聚焦电子束对研究试件外貌逐点举行扫描后成像 ,以此获得岩样的微观结构,图6为本次接纳的电镜扫描仪。针 对所选取的层理白云岩试件,选取了3处岩质、3处夹层举行扫描,部门试验效果如图7所示。

图6 电镜扫描仪图7 层理白云岩试件微观结构从图7可看出,层理白云岩岩质和夹层微观结构出现出显着差异,岩质处微观结构排列相对有序,形状多呈规则的多面体,整体结构面较平滑完整 以及颗粒间的精密水平很高;夹层处微观结构排列杂乱无纪律,微观颗粒的形状巨细纷歧且不规则,整体结构面比力毛糙且不成整体,颗粒间的联合比 较松散甚至有孔洞。5 数值模拟分析5.1 有限元模型建设为探究层理影响下的白云岩隧道围岩位移特征,此次研究建设了层理倾角0°、22.5°、45°、67.5°和90°模型。模型隧道尺寸为3.3 m×3.6 m,平 面尺寸为56 m×48 m,白云岩、软弱夹层采Mohr-Colunm准则、平面应变模拟;初期支护接纳C25混凝土,厚度350 mm,接纳梁单元模拟;锚杆直径 25 mm、环向间距1 m,接纳植入式梁单元模拟。

白云岩岩层厚0.5 m,夹层厚0.05 m。参考试验所得层理白云岩力学参数,选取了表4的模型参数,网 格划分如图8所示。表4 模型参数图8 模型网格划分5.2 数值模拟效果分析围岩位移作为一种围岩的动态体现,围岩内部松弛规模和松弛水平可通过其体现出来,是判断围岩稳定性重要指标之一,差别倾角层理白云岩隧 道围岩位移如图9所示。

从图9可以看出:对于0°层理,隧道拱顶泛起最大位移15.5 mm;22.5°层理下,隧道临空面与层理接壤处泛起了最大位移29.7 mm,较0°层理围岩 位移大;45°时隧道临空面与层理接壤处泛起最大位移4.9 mm,右侧边墙底与层理接壤处也存在潜在位移,不太显着;67.5°时隧道临空面与层理接壤 处泛起了最大位移,位移值为7.3 mm,同时,隧道右侧边墙底与层理接壤处也存在位移,位移较45°层理时显着;对于90°层理,隧道两侧边墙与层理接壤 处泛起最大位移,位移值为5.2 mm。联合差别倾角围岩位移图可以得出:层理的存在对隧道围岩位移的影响较大,受层理影响,隧道最大位移均发生 于隧道与层理接壤区域,隧道设计时可对该区域增强支护,到达有效控制围岩位移的目的。围岩最大位移随层理角度变化如图10所示,图10中22.5°层 理时隧道围岩位移最大。图10 围岩最大位移6 结 论通过对层理白云岩试件举行单轴压缩试验、巴西劈裂试验和电镜扫描(SEM)试验,从先宏观后微观角度出发,探究了天然状态下受层理影响的白 云岩力学特性及微观结构,并通过有限元模拟,对层理影响下的白云岩隧道围岩位移特征展开了研究。

获得以下结论:(1)层理白云岩的抗压强度较高,漫衍在60～130 MPa之间,平均抗压强度为87.25 MPa。随着层理角度的增大,试样抗压强度大要出现出先减小 后增大的趋势。试件破坏形态分为劈裂破坏、压剪滑移破坏及压碎破坏三种,且层理白云岩试件抗压强度巨细为压碎破坏>劈裂破坏>压剪滑移破 坏。

(2)层理白云岩抗拉强度具有一定的离散性,随着层理角度增大,层理白云岩抗拉强度呈下降趋势;试件呈脆性破坏,破坏后试件劈裂成两半,破裂 面较平直。(3)层理白云岩岩质处微观结构排列相对有序,形状多呈规则的多面体,整体结构面较平滑完整以及颗粒间的精密水平很高;夹层处微观结构排列 杂乱无纪律,微观颗粒的形状巨细纷歧且不规则,整体结构面比力毛糙且不成整体,颗粒间的联合比力松散。(4)白云岩隧道受层理影响,22.5°层理隧道围岩位移最大,隧道最大位移发生于隧道与层理接壤区域,设计时可对该区域增强支护,到达有效控制围岩位移的目的。

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