软岩力学特性试验.docx

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1、软岩力学特性试验软岩是i种特定环境下的具有显著塑性变形的简单岩石力学介质，其基本力学理论和方 法迫切需要深化讨论。软岩问题始终是困扰隧道运行和建设的重大难题之。每年约有800万米的巷道在脆弱 围岩中开掘，随着开挖深度的增加，软岩问题愈趋严峻，直接影响工程平安生产，危及人身 平安。通过可学的试验判定软岩两个基本力学属性：软化临界荷载和软化临界深度，从而推断 是否属于软岩工程，杜宇转雀帝实施工程设计极为重要。软岩的基本属性软岩之所以能产生显著塑性变形的缘由，是由于软岩中的泥质成分和结构面掌握了软岩 的工程力学特性，一般说来，软岩具有可塑性，膨胀性，崩解性，分散性，流变性，触变性 和离子交换性。可塑

2、性可塑性是指软岩在工程力的作用卜.形成变形，去掉工程力之后这种变形不能恢更的性 质。低应力软岩、高应力软岩和节理化软岩的可塑性机理不同，低应力软岩的可型性是由软 岩中泥质成分的亲水性和结构面扩容共同引起的。节理化软岩的可塑性变形是由于软岩中的缺陷和结构面扩容共同引起的，与粘土的矿物 成分吸水软化的机制没有关系。描述结构面扩容，一般用塑性扩容内变量Op,这方面的讨 论尚待进一步深化。高应力软岩的可塑性变形机制比拟简单，前述两种机制（结构面扩容机 制和粘土矿物吸水软化机制）可同时存在。膨胀性软岩在力的作用下或在水的作用下体枳增大的现象，称为软演的膨胀性。依据产生的膨 胀钉激励，膨胀性可分为内部膨张

3、性，外部膨胀性和应力扩容膨胀性三种。内部膨胀是指水分子进入晶胞间而发生的膨胀。在常温下观看蒙脱石的层间水状态，那么 可见到其层间成平行水分子并有规章的层面排列。和水连续作用，那么水分子层相继在层间公 平积累，扩大层间距离。外部膨胀性是极化水分子进入颗粒与颗粒之间产生的膨胀性。由于粘土矿物都是层状硅 酸盐，所以其外表积主要是底外表积。也就是说，水主要存在于小薄片之间，并使其膨胀， 这种膨胀性称为外部膨胀性。扩容膨胀性是软岩受力后其中的微裂隙扩展、贯穿而产生的体积膨胀现象，故亦称应力 扩容膨胀性。假如说内部膨胀是指层间膨胀、外部膨胀是指粒间膨胀的话，扩容膨胀那么是集 合间体系或更大的微裂隙的受力扩

4、容。崩解性低应力软岩和高应力软岩、节理化软岩的崩解机理是不同的。低应力软岩的崩解性是软 岩中的粘土矿物集合体在与水作用使膨胀应力不匀称分布造成崩裂现象：高应力软岩和节理 化软岩的崩解性那么主要表现为在航道工程力的作用下，由于裂隙发育的不匀称造成局部张应 力集中引起的向空间崩裂、片帮现像。流变性岩石特性的时间效应是由岩石材料的性质所打算的，尤其是软岩。从广义来说，岩石的 力学特性也就是岩石的流变力学特性。软岩是一种流变材料，具有流变特性的材料的力学性 状行为时流变学的讨论范畴。流变性又称粘性，是指物体受力变形过程于时间有关的变形性 质。软岩的流变性包括弹性后效、流淌、结构面的闭合和滑移变形。流淌

5、乂可分为粘性流淌 和塑性流淌。易扰动性软岩的易扰动性系指由于软岩脆弱、裂隙发育、吸膨胀等特性，导致软岩抗外界环境扰动的 力量极差。对卸荷松动、施工震惊、邻近巷道施工等扰动极为敏感，而且具有吸湿膨胀软化、 暴露风化的特点。软岩的多轴力学特性及其对拱坝的影响摘要与单轴试验相比，在多轴条件下，软岩（尤其是遇水软化的砾岩）的强度和刚度均有所提 高。尝试采用多轴非线性模型，将砾岩在多轴应力条件下的试验成果应用于实际工程，使 仿真计算结果更接近实际状况。由于考虑了围压对岩石刚度有提高的影响，非线性计算结 果更平安一些，但这缺乏以弥补砾岩因泡水降低弹模带来的影响。此外，通过比照双轴与常 规三轴试验成果，得出

6、在低围压应力区可用双轴试验结果代替三轴试验结果的结论，既简 化了试验又便于量测。1引 言拱坝结构中，无论是坝体混凝土还是拱座岩石，承受单一的单轴受压、受拉或纯剪 力的状况是极少的，事实上它们都处于双轴和三轴应力状态。国内外多轴试验说明，在双轴24和三轴5受压条件下，材料的强度和刚度均有所 提高6 7。通常对于拱坝拱座处的坚硬岩石来说，强度的提高是次要的，由于其应力 基本处于低应力区；但对软岩基础上的拱坝那么需分析岩石强度、遇水软化的拱座基岩在 多轴应力下的变形和力学参数的变化，以及它对坝体的应力分布会产生什么影响，这些 正是拱坝设计者迫切想知道的.目前，拱坝仿真应力计算中，通常做法是依据单轴试

7、验结果拟合计算参数，并将叠 加原理应用于多轴的状况9。力学模型是线弹性模型，并没有考虑应力状态对这些参数 的非线性影响，这和实际情况有肯定差异。本文结合新疆某拱坝，依据坝区软弱砾岩多 轴压缩试验成果，考虑其变形和强度都随应力状态变化的影响，进行非线性仿真计算，通 过比拟，得出一些有价值的结论2工程背景新疆某水利枢纽工程，是一项以浇灌为主，兼有防洪、发电和改善生态环境等综合 效益的中型水利工程。其主坝为碾压混凝土拱坝，坝高109 m,厚高比0.28。在主坝设 计中，采纳在坝肩设人工短缝、拱冠设中缝、下游面设人工短缝等措施，以降低坝体的 刚度，到达改善坝体应力的目的4。坝址区出露侏罗系中、上统和白

8、垩系下统地层，为一套连续沉积的河湖相碎屑岩，产出状态以中厚层块状为主，层理发育，具有明显的沉积韵律。其中，对拱坝结构影 响最大的是侏罗系上统客拉扎组，它分为上下2段：下段岩石为泥、铁及钙质混合胶结， 呈棕红色，强度较低，厚度58 m;上段岩石为钙质胶结，呈青灰色，强度较高，厚度50.5 m。室内试验说明，坝区岩体尤其是泥、铁及钙质混合胶结的红色砾岩遇水软化，具有 显著的受力大变形和非线性特征，是本文讨论的主要对象。3试验及成果试验仪器及选用试件依据试验机以及加载方式的不同，将多轴压缩试验分为双轴和常规三轴两局部。双轴压缩试验所用装置是CSS-283型混凝土、岩石双轴徐变试验机。该试验机为长春

9、试验机讨论所与清华高校水利系共同设计，并由前者开发制造出来的。主要由主机（图1）、 电控箱和计算机掌握处理系统三大局部组成。采纳机电伺服机构供应垂直与水平方向的 荷载，试验机加载力量：垂直方向为500 kN（压），水平方向为300 kN（压）；采纳差动式位 移传感器测量垂直和水平方向变形，测量区分率到达0.1 pm。加载时，荷载加载速率掌握在 1.0 MPa/min 以内。图1双轴徐变试验机主机常规三轴试验用国冢地震地壳应力讨论所常规三轴仪完成。其最大轴压为5 000 kN, 最大围压可达50 MPa。轴向荷载的加载速率掌握在0.4 MPa/s以内。米用的帮助设施有传 感器、动态应变仪、函数纪

10、录仪等。砾岩试件由坝区运回的岩样制成。双轴试验机所用试件由切割机切割而成，试件尺寸: 00 mmx IX） mmxYX） mm;常规三轴试件尺寸：小45 mmx 20 mm。干燥试件，在自然环境下 干燥：泡水试件，在双轴试验中是泡水d,常规三轴试验中是在负压罐内用清水泡 水d4.1 试验成果无论是常规三轴试验还是定侧压双轴试验，试验结果都显示出加载向和侧压向的变形 都与侧压荷载大小有关。4.2 定侧压双轴试验成果（未计入侧压初始应变量）图2, 3为双轴试验中，不同定侧压条件下，干燥、泡水棕红色砾岩应力-应变关系曲 线图。从图中可以得出以下结论：（）随着侧压的上升，无论是加载向应变q，还是侧向应

11、变&均削减。这一状况对于干燥、 泡水2种状态是全都的。(2)图3中加载向应变与的变化幅度比图2中9o_、_3/同电樨餐- - - 1 I - LO 00500050005003 2 2 1 1侧压G一。一1.0 MPa 2.0 MPav 3.0 MPa一+ 4.0 MPa1234加载应力5 /MPa加载应力5/MPa1234-50-100-150侧压6一。一1.0 MPa- 2.0 MPav 3.0 MPa一 4.0 MPa(b)图2不同定侧压干燥砾岩应力.应变关系(3)泡水后，泡水砾岩变模显著下降，如3图中所示泡水试件，在侧压为OMPa时， 变模值只有2000MPa,与干燥状态的变模值14

12、600 MPa相比相差甚多。常规三轴试验与定侧压双轴试验成果比拟 图4, 5为加载向变模增长系数广与侧压关系 曲线图。的定义见式(2),它表示侧压对加载向变模的影响。由图4可知，干燥状态下，棕红色砾岩的变模随侧压的增加而增大，但增大趋势较 平缓。此外可以看出，双轴试验与常规三轴试验结果较接近。也就是说在干燥状态(干燥 状态下红色砾岩抗压强度50s60 MPa)、低应力水平下，双轴试验可以代替常规三轴试验。 比拟图4, 5可以觉察，侧压对泡水岩石影响较大，侧压为4 MPa时，泡水状态/可达1.8, 而相同条件下，干燥状态/只有，其次，比拟图5中的双轴与常规三轴试验结果可知， 常规三轴试验结果显示

13、出,随着侧压的增加而增大；而双轴试验结果那么不这样，随着侧压 的增加，/增长平缓，侧 压为3和4 MPa条件下的/值差异不大。所以，可以得出在中、高 应力区，双轴试验中侧压的作用没有常规三轴试验中围压的作用大的结论侧压s910一；3钥同年墀导加载应力5/MPa(a) 加投应力5/MPa910一、4银同恒赛吴910一、4银同恒赛吴图3不同定侧压泡水砾岩应力.应变关系5计算及成果图6为新疆某工程I 335 m高程平面拱圈网格剖分图。计算以横河向为x轴（指向左岸为正），顺河向为y轴（逆水流方向为正）。为保 证计算精度，共划分单元280个，节点344个。并选用A, B, C和D四个掌握点的位移和 应力

14、进行分析。如下图：A点位于拱座岩石内部；B点位于拱座处混凝土与岩石胶结面上; C和D点分别位于拱冠的.上下游面处。图6 1 335 m高程平面拱圈网格剖分(1)在水压荷载作用下，几种工况对岩石内部点(A点)应力影响不大，基本为-0.8-0.6 MPa：但几种工况条件下，位移值有肯定差异：泡水状态与干燥状态位移之比约为7 ： 1,与 变模倒数之比相近。(2)干燥状态与泡水状态两者最大的区分就是拱冠处卜游面工方向的拉应力。采纳线弹性模 型计算时：干燥状态下，由于基岩的刚度较大，拱座变形小，所以，拱冠处下游面(C点)x方 向的拉应力只有0.29 MPa；泡水后，基岩刚度变小，拱座变形大，导致C点拉应

15、力快速增 大，达1.93 MPa, C点向下游的变位也由原来的20.6 mm增大到47.8 mm。(3)采纳非线性模型的目的，是为了在仿真计算中，考虑拱座基岩的刚度随围压增大而增大 的特性。干燥状态下，采纳非线性模型和采纳线弹性模型，两者结果相差不大；泡水后，是 否考虑围压的影响对结果影响很大，如。点的拉应力由原来的1.911下降到1.31,即 由原来的担忧全状态转变为较平安状态，虽然其值还是远大于干燥状态下拉应力值。结论本文尝试采用多轴非线性模型，将砾岩在多轴应力条件下的试验成果应用于实际工 程，使仿真计算结果更接近实际状况。与线弹性计算结果相比，由于考虑了围压对岩石 刚度有提高的影响，非线性计算结果更平安一些。此外，本文还进行了岩石在干燥、泡 水两种状态下的比照，结果说明虽然由于围压的作用，软岩的强度和刚度均有肯定程度的 提高，但其提高幅度较小。相比而言，软岩在泡水之后，其变模只有干燥时的1/7左右。 所以，在泡水软化的脆弱基础上修建拱坝，更应当留意坝肩的防渗处理，降低坝肩浸润 线，保持和加大局部坝肩岩体的干燥，这样做不仅有利于坝肩稳定，而且也可大大改善 坝体应力。岩石力学试验作业采矿09-5赵晓09010205332012-05-07