软岩力学特性试验

软岩力学特性试验软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质，其基本力学理论和方法迫切需要深入研究。

软岩问题一直是困扰隧道运行和建设的重大难题之一。

每年约有800万米的巷道在软弱围岩中开掘，随着开挖深度的增加，软岩问题愈趋严重，直接影响工程安全生产，危及人身安全。

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，从而判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原因，是因为软岩中的泥质成分和结构面控制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。

可塑性可塑性是指软岩在工程力的作用下形成变形，去掉工程力之后这种变形不能恢复的性质。

低应力软岩、高应力软岩和节理化软岩的可塑性机理不同，低应力软岩的可塑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θp，这方面的研究尚待进一步深入。

高应力软岩的可塑性变形机制比较复杂，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积增大的现象，称为软演的膨胀性。

根据产生的膨胀钉激励，膨胀性可分为内部膨胀性，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。

在常温下观察蒙脱石的层间水状态，则可见到其层间成平行水分子并有规则的层面排列。

和水继续作用，则水分子层相继在层间平等堆积，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。

因为粘土矿物都是层状硅酸盐，所以其表面积主要是底表面积。

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、贯通而产生的体积膨胀现象，故亦称应力扩容膨胀性。

如果说内部膨胀是指层间膨胀、外部膨胀是指粒间膨胀的话，扩容膨胀则是集合间体系或更大的微裂隙的受力扩容。

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均匀分布造成崩裂现象；高应力软岩和节理化软岩的崩解性则主要表现为在航道工程力的作用下，由于裂隙发育的不均匀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决定的，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研究范畴。

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、流动、结构面的闭合和滑移变形。

流动又可分为粘性流动和塑性流动。

易扰动性软岩的易扰动性系指由于软岩软弱、裂隙发育、吸膨胀等特性，导致软岩抗外界环境扰动的能力极差。

对卸荷松动、施工震动、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。

尝试利用多轴非线性模型，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情况。

由于考虑了围压对岩石刚度有提高的影响，非线性计算结果更安全一些，但这不足以弥补砾岩因泡水降低弹模带来的影响。

此外，通过对比双轴与常规三轴试验成果，得出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、受拉或纯剪力的情况是极少的，事实上它们都处于双轴和三轴应力状态⑴。

国内外多轴试验表明，在双轴[2〜4]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，因为其应力基本处于低应力区；但对软岩基础上的拱坝则需分析岩石强度、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，通常做法是根据单轴试验结果拟合计算参数，并将叠加原理应用于多轴的情况[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，这和实际情况有一定差别。

本文结合新疆某拱坝，根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，通过比较，得出一些有价值的结论2工程背景新疆某水利枢纽工程，是一项以灌溉为主，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，采用在坝肩设人工短缝、拱冠设中缝、下游面设人工短缝等措施，以降低坝体的刚度，达到改善坝体应力的目的[4]。

坝址区出露侏罗系中、上统和白垩系下统地层，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。

室内试验表明，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，是本文研究的主要对象。

3试验及成果4.1试验仪器及选用试件根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部分。

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。

该试验机为长春试验机研究所与清华大学水利系共同设计，并由前者开发制造出来的。

主要由主机(图1)、电控箱和计算机控制处理系统三大部分组成。

采用机电伺服机构提供垂直与水平方向的荷载，试验机加载能力：垂直方向为500 kN(压)，水平方向为300 kN(压)；采用差动式位移传感器测量垂直和水平方向变形，测量分辨率达到0.1 pm。

加载时，荷载加载速率控制在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研究所常规三轴仪完成。

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控制在0.4 MPa/s 以内。

米用的辅助设备有传感器、动态应变仪、函数记录仪等。

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 '00 mmx'00 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7〜'4 d，常规三轴试验中是在负压罐内用清水泡水' d。

4.2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：(')随着侧压的升高，无论是加载向应变q，还是侧向应变&均减少。

这一情况对于干燥、泡水2种状态是一致的。

(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0 MPa时，变模值只有2 000 MPa，与干燥状态的变模值14 600 MPa相比相差甚多。

4.2.2常规三轴试验与定侧压双轴试验成果比较图4，5为加载向变模增长系数f'与侧压％关系曲线图。

f'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。

另外可以看出，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50〜60 MPa)、低应力水平下，双轴试验可以代替常规三轴试验。

比较图4，5可以发现，侧压对泡水岩石影响较大，侧压为4 MPa时，泡水状态f'可达1.8，而相同条件下，干燥状态f'只有'.'。

其次，比较图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出f'随着侧压的增加而增大；而双轴试验结果则不这样，随着侧压的增加，f'增长平缓，侧压为3和4 MPa条件下的f'值差别不大。

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5 计算及成果图 6 为新疆某工程1 335 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四个控制点的位移和应力进行分析。

如图所示：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。

(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，位移值有一定差别：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别就是拱冠处下游面x 方向的拉应力。

采用线弹性模型计算时：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 点拉应力迅速增大，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) 采用非线性模型的目的，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，采用非线性模型和采用线弹性模型，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C 点的拉应力由原来的1.9MPa 下降到1.3 MPa，即由原来的不安全状态转变为较安全状态，虽然其值还是远大于干燥状态下拉应力值。

结论本文尝试利用多轴非线性模型，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情况。

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，非线性计算结果更安全一些。

另外，本文还进行了岩石在干燥、泡水两种状态下的对比，结果说明虽然由于围压的作用，软岩的强度和刚度均有一定程度的提高，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，在泡水软化的软弱基础上修建拱坝，更应该注意坝肩的防渗处理，降低坝肩浸润线，保持和加大部分坝肩岩体的干燥，这样做不仅有利于坝肩稳定，而且也可大大改善坝体应力。