共和隧道页岩饱水软化试验研究
万方数据
?２６５８?岩石力学与工程学报２０１０笠ｎｅｅｄｏｆｒｏｃｋｓａｍｐｌｅｓ，ａｎｄａｌｓｏｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｅｓｔａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｂａｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｒｅ—ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｌｏｎｇ—ｔｅｒｍｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｌｉｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｇｏｎｇ，ｈｅｔｕｎｎｅｌ：ｓｈａｌｅ：ｖｅｒｔｉｃａｌｃｒａｃｋｓ：ｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｗｅａｋｅｎｉｎｇ
１引言
共和隧道是西部大开发省际公路通道重庆至长沙高速公路彭水一武隆段的控制性工程，右洞长４７７９ｍ，左洞长４７４５ｍ。其穿越的页岩地层部分地段岩石层理、节理发育，隧道开挖后围岩变形严重，最大水平收敛速度为１６ｍｍ／ｄ，最大拱顶下沉速度１４ｍｒｎ／ｄ，累计最大收敛及拱顶下沉量分别达到３１０和２００ｔｏｎｉ，导致隧道初期支护纵向开裂，支护结构扭曲破坏，初期支护严重侵线，给施工带来了巨大难题…（见图１）。
图１共和隧道支护变形
Ｆｉｇ．１ＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎｏｆｐｒｉｍａｒｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎＯｏｎｇｂｅｔｕｎｎｅｌ
隧道穿越岩层发生支护变形破坏一直是工程难题，岩石力学特性研究是解决这一工程难题的基础。国内外学者在破碎岩体及软岩的力学性质研究方面做了大量研究工作。同时对于水与岩石相互作用方面的研究也较多，但均集中研究灰岩、板岩、泥岩、砂岩等饱水后的力学性质变化规律［２－６１。对于饱水状态的页岩强度、弹性模量影响方面的试验研究则相对较少，同时在进行试验研究时基本采用岩石力学破坏性试验，不同岩石试件个体的较大差异给试验结果带来较大的误差ｆ７，８】。
鉴于此，本文针对共和隧道页岩饱水易软化、水对页岩力学性质具有较大影响、饱水状态下页岩强度及弹性模量均大幅度降低的宏观现象，先进行页岩基本力学试验，然后采用声波探测与单轴抗压试验相结合的方法进行页岩的饱水软化试验，研究页岩在饱水状态下力学性质的变化规律，为共和隧道高地应力大变形破坏段的初期支护结构重新设
计及隧道衬砌结构的长期可靠性分析提供依据。
２共和隧道页岩基本力学性质试验
２．Ｉ试验系统
岩体力学性质室内试验采用重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室从美国ＭＴＳ（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）系统公司购置的ＭＴＳ８１５电液伺服岩石试验系统（见图２）。ＭＴＳ８１５电液伺服岩石试验系统是目前世界上最先进的岩石伺服试验系统，可采用筇０ｔｏｎｉ标准试件对岩石进行单轴、三轴及孔隙压力加载试验，卸下三轴箱后，可进行郝００ｍｍ大试件混凝土等材料的单轴加载试验。同时增配环境箱和高温箱后，可以进行恒温和高温条件下的岩石力学试验。
图２ＭＴＳ８１５岩石试验机
Ｆｉｇ．２ＲｏｃｋｔｅｓｔｍａｃｈｉｎｅＭＴＳＳＩ５
２．２单轴试验及分析
在共和隧道高地应力大变形破坏段取现场页岩岩样，利用岩石取芯机、切割机和打磨机加工成晒Ｏ嘞×１００咖的标准试样（见图３），利用上述ＭＴＳ８１５试验系统进行页岩的主要力学参数测试。试验分组进行，每组３个试件，第一组试件力学参数测试结果见表１，加载与变形关系见图４，５。
２．３三轴试验及分析
单轴试验只能得到岩石部分力学参数，需要对页岩进行三轴试验来获得更多的参数。岩石的三轴力学试验可以根据具体情况加载不同的围压，根据现场实际情况确定加载６种不同围压：ｏｒ，＝仉＝ｌ，５，１０，１５，２０和２５ＭＰａ，分别就６种情况加工一
组试件，每组３个。万方数据
第２９卷增ｌ藤宏伟，等．共和隧道页岩饱水软化试验研究
?２６５９?
图３共和隧道页岩试样
Ｆｉｇ．３
Ｓｈａｌｅ
ｓａｍｐｌｅｓｏｆＧｏｎｇｈｅｔｕｎｎｅｌ
表ｌ岩石力学参数测试结果表
１．ａｂｌｅ１
Ｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
薹譬直径
高度
加载速簟．弹性模鼍泊松比抗压强度编号
／ｒａｍ
／ｍｍ／（ｍｍ?ｒａｉｎｌ）
／１Ｖ［Ｐａ
……。／ｌⅥＰａｌ—ｌ５１．９０
１０１．１０
０．０８
２６５３０
０．３６３
４７．３５
ｌ一２
５１．如
１０１．１０
ｌ一３５１．８１
１０１．３８
０．鸺
２８
０６０
０．铝３
４６，０４
０．０８
２７５５００．４７０
４６．２６平均值２７
３∞０．４３８
４６．５５
嘉
簦
霹
轴向应变
图４试件轴向荷载与轴向应变关系曲线
Ｆｉｇ．４
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｃ１１１ｗｅ
ｏｆａｘｉａｌｌｏａｄａｎｄａｘｉａｌｓｔｒａｉｎ
横向应变／１０一２
图５试件轴向载荷与横向应变关系曲线
Ｆｉｇ．５
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｃ山Ｖｅｏｆａｘｉａｌｌｏａｄａｎｄｌａｔｅｒａｌｓｔｒａｉｎ
图６为试件３—３在围压为２０ＭＰａ时的全应力一应变曲线图。
萋
Ｆ
蒽
岛／ｌｏ一２
图６围压为２０ＭＰａ试件３—３全应力一应变曲线
Ｆｉｇ．６
Ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ饥ｌｌ－ｖｅｏｆｓａｍｐｌｅ３—３ｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｆｉｎｉｎｇ
ｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓ２０
ＭＰａ
分析每组数据的‰和围压，画出仃－ｆ曲线（莫
尔圆，见图７），得出页岩黏聚力为２．３５ＭＰａ，内摩擦角为２５。。
ｆ
／
侈
浙ｐ一
图７
０＂－ｆ曲线
Ｆｉｇ．７
Ｃｕｒｖｅｏｆｏ＇－ｆ
通过以上单轴和三轴试验得到了共和隧道高地
应力大变形破坏段页岩的基本物理力学参数（见表２）。
表２共和隧道页岩物理力学参数
Ｔａｂｌｅ２
Ｐｈｙｓｉｃｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＧｏｎｇｈｅｔｕｎｎｅｌｓｈａｌｅ
２６．３６５２７３８００．４３８４６．５５２．３５２５
３共和隧道页岩饱水软化试验
３．１试验方案
试验分２个阶段，第一阶段为试探性试验，采
用非破坏性的声波测试方法，在高频率、长时间采
样情况下测得岩石动弹模量与饱水时间的关系；第二阶段为岩石饱水软化单轴抗压试验，根据试探性
试验的测试结果，确定岩石饱水软化单轴抗压试验
的试验频度（间隔时间）及试验次数，通过单轴抗压试
万方数据
．２６６０．
岩石力学与工程学报２０１０年
验得到岩石强度随饱水时间的变化规律。
声波试探试验流程见图８，岩石饱水软化单轴抗压试验流程见图９。由于采用了声波试探性试验，整个试验的试件需求数量大大减少，避免了大规模页岩试件制作，解决了以下难题：
图８声波试探试验流程图
Ｆｉｇ．８Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｌｒｙｔｅｓｔｂｙａ
ｓｏｕｎｄｗａｖｅ
分析动弹模量随饱
水时间的变化规律
｛
确定单轴抗压试验
的频度和次数ｎ
加＝３×时『日Ｊ点）
Ｉ
制作标准岩石试件一个
Ｉ
按频度分组进行
单轴抗压试验
ｌ
试验结束
图９饱水软化单轴抗压试验流程图
Ｆｉｇ．９Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐａｓｓｉｏｎｔｅｓｔｏｆｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｒｏｃｋ
（１）页岩层理、节理发育，遇水很易惊裂崩解，大规模试样制作十分困难。
（２）试样制作过程中的扰动对试样力学性质影响很大，导致不同页岩试件具有较大的个体差异。
（３）单轴抗压试验是破坏性试验，由多个个体差异较大的页岩试件获得的页岩饱水软化规律具有较大的误差。３．２声波测试系统参数选择及误差分析
本文应用武汉中科智创ＲＳＭ．ＳＹ５声波检测仪（见图１０），用超声波脉冲穿透法测定岩石试件纵、横波速，纵波换能器的主频选择７００ｌｄ－Ｉｚ，横波主频选择２５０ｋＨｚ。
图１０ＲＳＭ—ＳＹ５声波检测仪
Ｆｉｇ．１０
ＲＳＭ—ＳＹ５ｓｏｎｉｃａｐｐａｒａｔｕｓ
（１）测量原理
测得岩石试件的纵波波速和横波波速后，可以用下式计算出被测试件的动弹模量Ｅ、动剪切模量Ｇ及动泊松比∥等参数ｆ９Ｊ：
Ｇ＝
∥＝
Ｅ＝２Ｇ（１＋∥）
式中：Ｋ为横波波速，Ｐ为岩体密度，Ｋ为纵波波速。
（２）误差分析
脉冲穿透法测定试件速度的最大系统误差ＡＶ［１０】可表示为：
△ｙ：丝．＋三
，Ｍ一，Ｔ
＋￡（２）
式中：ｆＭ为所测样品初波走时；ｔＴ为换能器对接时间（纵波为１５坶，横波为２８鹏）；△ｋ，蝇为系统采样率（均为０．０４ｐｓ）；ＡＬ为样品长度测量误差（０．０５ｍｍ）。
试验中最大纵波波速４７００ｍ／ｓ，最大横波波速为２４８０ｍ／ｓ。纵波初至波到时差（ｔＭ—ｔＯ＝２７岭，则纵波速度测量的绝对误差值为±１２ｍ／ｓ，其测量的
一
≯化呵
晴（
万方数据
第２９卷增１藤宏伟，等．共和隧道页岩饱水软化试验研究?２６６１?
相对误差为０．２５％。横波初至波到时差（ｆＭ—ｔＯ－－５４
岬，则横波速度测量的绝对误差值分别为±４ｍ／ｓ，
其测量的相对误差分别为０．１６％。
如式（２）所示，系统误差ＡＶ明显受样品长度三的影响，在￡增加的同时，初至波到时差（ｆＭ一０）增加的幅度更明显，致使△矿减小，相对系统误差也减小。因此，可认为速度测量的相对系统误差的量级纵波约为０．３％，横波约为０。２％。
偶然误差对速度测量的影响主要在于纵、横波初至时间的读取，这一点对于高衰减页岩影响较大，为便于对试验结果进行对比，在试验中统一选取纵、横波波列的第一个有效波峰值读取初至时间，减小偶然误差。
从上面的分析可见纵波换能器的主频采用７００ｋＨｚ，横波主频采用２５０ｋＨｚ，可以满足测量精度需求。
３．３试验结果及分析
图１１是页岩试件纵波波速测试的图片。
图１１声波测试
Ｆｉｇ．１１Ｔｅｓｔｉｎｇｂｙａｓｏｕｎｄｗａｖｅ
表３给出了部分声波测试数据，以页岩浸水时间为横坐标，页岩动弹模量为纵坐标，将各测点绘于坐标平面上（见图１２），回归可以得到页岩饱水软化的动弹模量随浸水时间变化的软化方程，其回归相关系数为０．９９７２２１４。
Ｅ＝１４３８０．９３９＋１５９５０．９７６ｅ。０胤‘（３）根据页岩水软化的动弹模量随浸水时间的变化规律，可以确定单轴抗压试验的频度和次数，选择几个有代表性的浸水时间点进行单轴抗压试验。选择的时间点共６个，分别为Ｏ，２，１２，３６，６０和８４ｄ，每个时间点需要３个岩石试件，总计试件数量为３ｘ６＝１８个。
表３给出了全部单轴抗压试验的试验数据，以
重
曼
ｉ
鼙
融
臀
饱水时同，ｄ
图１２页岩动弹模量随饱水时间的变化规律
Ｆｉｇ．１２Ｃｈａｎｇｅｒｕｌｅｏｆｓｈａｌｅ＇ｓｄｙｍｍｉｅｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｍｏｄｕｌｕｓｗｉｔｈｗａｔｅｒｌｏｇｇｅｄｔｉｍｅ
表３页岩水软化试验结果数据表
Ｔａｂｌｅ３Ｔａｂｌｅｏｆｔｅｓｔｄａｔａｏｆｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｗｅａｋｅｎｓｈａｌｅ
浸水声波测试单轴抗压试验响／ｄ／纵（ｍ登ｓ－速ｓ）／横（ｍ登ｓ－速Ｉ）磊警泊松比艋／Ｍ醒Ｐａ勰／１０擎??／ＭＰａ……一６０．０４５７５２０７０３ｌ７３００．３７２４６．５５ｌ０７２０．５４３９０２０００２９５５５０．３６８
４３．９９１０９Ｓ
３３．０２１１５８
２１．７ｌｌ２０９
页岩浸水时间为横坐标，页岩抗压强度为纵坐标，将各测点绘于坐标平面上（见图１３），回归可以得到页岩饱水软化的抗压强度随浸水时间变化的软化方程，其回归相关系数为０．９９９８５７５。
吼＝１８．００５＋２８．７７２ｅ吨咄’（４）从上面的试验结果可以看到共和隧道页岩动弹模量和强度随浸水时间的增加逐渐减小，服从负指数函数变化规律，页岩试验数据回归的饱水软化方程相关系数最小为０．９９７２２１４，表明回归所得方程能够很好反应页岩的实际软化规律。在浸水初始阶段页岩动弹模量及强度下降较快，以后逐渐趋缓，
铬
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舒
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万方数据
共和隧道页岩饱水软化试验研究
作者：藤宏伟， 任松， 姜德义， 杨春和， TENG Hongwei， REN Song， JIANG Deyi， YANG Chunhe
作者单位：藤宏伟,任松,姜德义,TENG Hongwei,REN Song,JIANG Deyi(重庆大学,西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆,400044)， 杨春和,YANG Chunhe(重庆大学,西南资源
开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆,400044;中国科学院武汉岩土力学研究所
,岩土力学与工程国家重点实验室,湖北,武汉,430071)
刊名：
岩石力学与工程学报
英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING
年，卷(期)：2010,29(z1)
被引用次数：2次
参考文献(10条)
1.谷柏森特殊地质条件下隧道围岩大变形的应对策略--共和隧道特殊围岩结构设计方案[期刊论文]-铁道标准设计 2007(11)
2.郭富利;张顶立;苏洁地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2007(11)
3.杨春和;冒海军;王学潮板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究[期刊论文]-岩土力学 2006(12)
4.HADIZADEH J Water-weakening of sandstone and quartzite deformed at various stress and strain rates 1991(05)
5.黄宏伟;车平泥岩遇水软化微观机制研究[期刊论文]-同济大学学报(自然科学版) 2007(07)
6.周翠英;谭祥韶;邓毅梅特殊软岩软化的微观机制研究[期刊论文]-岩石力学与工作学报 2005(03)
7.汤连生;王思敬岩石水化学损伤的机制及量化方法探讨[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2002(03)
8.闫长斌;徐国元;杨飞爆破动荷载作用下围岩累积损伤效应声波测试研究[期刊论文]-岩土工程学报 2007(01)
9.刘斌;王宝善;席道瑛水饱和裂纹对地壳岩样中地震波速及各向异性的影响[期刊论文]-地球物理学报 1999(05)
10.邓继新;史謌;刘瑞珣泥岩、页岩声速各向异性及其影响因素分析[期刊论文]-地球物理学报 2004(05)
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2.孙铁成.高波.王峥峥.SUN Tie-cheng.GAO Bo.WANG Zheng-zheng双洞隧道洞口段抗减震模型试验研究[期刊论文]-岩土力学2009,30(7)
3.张保平.单文文.田国荣.申卫兵.Zhang Baoping.Shan Wenwen.Tian Guorong.Sheng Weibing泥页岩水化膨胀的实验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报2000,19(z1)
4.罗彦斌.陈建勋.王梦恕.LUO Yanbin.CHEN Jianxun.WANG Mengshu基于空间插值理论的隧道洞口气温计算方法[期刊论文]-中国铁道科学2010,31(3)
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7.刘镇.周翠英.房明.LIU Zhen.ZHOU Cui-ying.FANG Ming隧道变形失稳过程的非线性动力学分析与破坏判据研究[期刊论文]-岩土力学2010,31(12)
8.马占国.缪协兴.李兴华.郭广礼.石修松.MA Zhan-guo.MIAO Xie-xing.LI Xing-hua.GUO Guang-li.SHI Xiu-song破碎页岩渗透特性[期刊论文]-采矿与安全工程学报2007,24(3)
9.余飞.陈善雄.陈修和.张胜.王飞.YU Fei.CHEN Shanxiong.CHEN Xiuhe.ZHANG Sheng.WANG Fei通透肋式拱梁隧
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10.任松.姜德义.杨春和.藤宏伟.REN Song.JIANG De-yi.YANG Chun-he.TENG Hong-wei共和隧道开裂段页岩蠕变本构试验及离散元数值模拟研究[期刊论文]-岩土力学2010,31(2)
引证文献(2条)
1.周莉.韩朝龙.梦祥民.于亨达砂岩单面吸水强度软化实验[期刊论文]-黑龙江科技学院学报 2012(3)
2.任松.永江.姜德义.陈结.屈丹安.杨春和泥岩夹层软化试验研究[期刊论文]-岩土力学 2013(11)
引用本文格式：藤宏伟.任松.姜德义.杨春和.TENG Hongwei.REN Song.JIANG Deyi.YANG Chunhe共和隧道页岩饱水软化试验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2010(z1)