冻融循环条件下含软弱夹层隧道围岩力学性质及破坏特征

张 立

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089）

川藏铁路起自四川成都，终至西藏拉萨，线路全长近1 750 km，其中隧道总长占比超过20%，对我国社会经济发展具有重要意义[1-3]。然而，由于我国西部地区地形起伏大，地质条件复杂，岩体多具有大范围裂隙或软弱夹层，不良工程地质问题突出，给川藏铁路隧道工程建设带来了很大的难题[4-5]。因此，研究软弱夹层对隧道围岩工程力学性质的影响在川藏线隧道工程建设围岩支护工作中至关重要。

受地质构造运动的影响，川藏铁路沿线工程地质条件较差，岩体中存在大量充填型节理，导致岩石力学性质发生劣化，强度大幅降低[6-7]。此外，围岩的力学性质也受节理的倾角控制[8-10]。因此，研究夹层倾角对岩体力学性质的影响十分重要。张泽林等[11]研究发现含泥岩软弱夹层的岩体的剪切破坏均发生在软弱层内部，且随软弱层厚度和倾角的增加，倾角在0°～60°范围内，试样的剪切强度逐渐降低。丁恩理等[12]对某水电站泥岩-白云岩互层情况进行研究，室内采用相似材料制备了不同层厚比和夹层倾角条件下的互层岩体并开展了力学试验，发现互层岩体的强度随夹层倾角的增大而逐渐减小，且岩体中软层厚度越大，岩体整体强度越低。汤友生等[13]指出弱夹层对煤系砂岩的单轴抗压强度具有明显的弱化作用，岩体的抗压强度随夹层倾角的增加呈现出先减小再增大的变化规律，且在倾角为30°时夹层对强度的弱化效应最显著。

由于研究区气温波动较大，且隧道的建设、运行周期较长，冻融循环影响下隧道围岩发生物理风化，岩石内部产生大量微裂隙，其力学性质均产生较大的损伤[14-16]。张君岳等[17]开展了冻融循环下红砂岩物理力学性质研究，并指出红砂岩在冻融损伤过程中出现了裂纹、颗粒脱落和片落三种劣化模式，且其孔隙率随冻融次数增大而增大，纵波波速和抗压强度随冻融次数增大而逐渐减小。宋彦琦等[18]研究发现随着冻融循环次数的增加，灰岩的抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数逐渐减小，弹性波速也逐渐减小，但岩石的塑性变形能力有所增强。刘新喜等[19]深入研究了冻融循环对炭质页岩力学性质的影响，并指出随冻融循环次数、应力水平和时间增加，炭质页岩轴向应变逐渐增大。综上所述，严寒气候会显著劣化川藏铁路隧道围岩的安全性和稳定性，研究冻融循环对含软弱夹层岩体力学性质的影响具有十分重要的意义。

本文以川藏铁路某隧道围岩为研究对象，室内制备了不同夹层倾角、不同冻融循环次数条件下的含软弱夹层岩体，研究夹层倾角和冻融循环对隧道围岩力学性质及破坏特征的影响。本研究旨在为严寒气候与不良地质条件下川藏铁路隧道围岩支护工作提供一定的借鉴作用。

1 试样制备与试验设计

1.1 试样制备

根据现场调查结果，川藏铁路成都—林芝段某隧道围岩为白垩纪红砂岩，且发育有薄层泥岩软弱夹层，泥岩夹层厚度在2～3 cm之间，强度较低。对取自工程现场的红砂岩岩块钻孔取芯并进行切割，作为夹层岩体中的硬岩部分；利用石膏模拟夹层岩体中的软弱夹层部分，设计石膏层厚20 mm。按照《工程岩体试验方法标准》[20]将软、硬部分组合制备为φ50 mm×100 mm的标准岩体，制备完成的含夹层岩体如图1所示，其物理参数如表1所示。

表1 含软弱夹层岩体物理参数Table 1 Physical parameters of rock mass containing weak interlayer

图1 岩体试样Fig.1 Rock mass specimens

1.2 试验设计

为进一步研究冻融循环对含软弱夹层岩体力学性质的影响，室内设计了4种不同循环次数（n为0，10，20，30 次）下的含软弱夹层岩体单轴压缩试验。冻融循环试验操作流程如下：

（1）将含软弱夹层岩体试样全部放入真空饱和设备中进压饱和48 h。

（2）取出试样并擦干后，利用TDS冻融试验机对含不同夹层倾角的岩体试样进行冻融。其中，上下限温度分别为20，-20 ℃。每次冻融循环为12 h的冷冻后，将岩体试样放入20 ℃水中浸泡12 h进行常水温融化。

利用RMTS-150型岩石力学测试系统开展含软弱夹层岩体的单轴压缩试验，该设备可实现最大轴压为1 000 kN。利用LVDT位移计进行轴向位移监测，其量程为-2.50～2.50 mm，上述试验设备精度均在0.5%以内。

2 试验结果分析

2.1 破坏特征分析

表2展示了不同试验条件下含软弱夹层岩体单轴压缩破坏形态特征。在单轴压缩试验条件下，含软弱夹层岩体均发生了破坏，岩体的硬岩部分变形较小，而软岩夹层部分的破坏比较强烈。软岩夹层的横向变形较硬岩部分大，岩体不同部分间表现出明显的非协调变形。当夹层倾角较小时（β=0°、30°），岩体破坏后断裂裂纹出现在软弱夹层部位，且其与夹层倾角接近平行，而硬岩部分仅出现细小微裂纹；当夹层倾角较大时（β=45°、60°），岩体破裂面与夹层呈X型交叉状，穿夹层滑移在硬岩部分与软弱夹层均产生了明显的大裂纹。冻融循环对岩体的破坏形态也有一定的影响。

由表2可知，随着干湿循环次数的增加，相同夹层倾角条件下岩体的破坏模式基本一致，但其破坏程度越来越强烈。分析认为，在冻融循环试验条件下的影响下，岩体内部矿物颗粒产生了不协调膨胀，进而产生了微裂纹。此外，冷冻条件下岩体内部水分结晶膨胀，并在融化过程中流失，也导致了岩体内部出现大量微裂纹。因此，冻融循环后含软弱夹层岩体的破坏更加强烈。

表2 不同试验条件下岩体破坏形态特征Table 2 Faliure characteristics of rock mass specimen under different testing conditions

2.2 应力应变曲线

图2为典型含软弱夹层岩体单轴加载应力-应变曲线及变形破坏过程。由图2中（a）可知，在低应力作用下，含软弱夹层岩体应力应变曲线呈下凹型，岩体内部孔隙被逐渐压密，此时岩体整体并未出现明显裂纹或破坏。随着轴向荷载的逐渐增大，岩体进入弹性变形阶段。由图2中（b）可知，夹层岩体的破坏从软弱夹层的变形开始，当进入屈服变形阶段时，硬岩部分未出现明显裂纹而软弱夹层部分开始破碎并脱落。此外，由图2中（c）可知，当达到峰值强度后，软岩夹层大范围破碎脱落而硬岩部分仅出现局部微小裂纹。破坏后的含软弱夹层岩体仍具有一定的承载能力，此时软弱夹层已经完全破碎脱落，试验停止。

图2 典型夹层岩体单轴应力-应变曲线及变形破坏过程Fig.2 Typical stress-strain curves of rock mass with weak interlayer and deformation diagrams

图3为不同夹层倾角、冻融循环次数条件下含软弱夹层岩体应力-应变曲线，不同夹层倾角和冻融循环下岩体的应力-应变曲线特征存在显著差异。当夹层倾角β=0°时，岩体的应力-应变曲线具有明显的孔隙压缩阶段，而随着夹层倾角的逐渐增大，这种孔隙压缩特征变得不明显。结合夹层岩体的变形破坏特征图分析认为，在夹层倾角β=0°时，轴向荷载通过硬岩能够均匀有效地传导到孔隙率较大的软弱夹层，因此软弱夹层能够大幅压密且在后期完全破碎脱落。随着夹层倾角的逐渐增大，岩体的破坏逐渐转化为沿夹层角度的剪切破坏，软弱夹层未能得到有效压密。此外，随着冻融循环次数的增加，含软弱夹层岩体的塑性变形能力逐渐增强，但承载能力降低。分析认为，这是由于冻融循环导致岩体内部矿物颗粒产生了不协调膨胀，岩体内部出现大量微裂纹、损伤程度增大，因此岩体的塑性变形能力增强而承载能力变差。

图3 不同状态下含软弱夹层岩体应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of muddy limestone under different water-bearing conditions

随着冻融循环次数的增长，岩石的单轴抗压强度不断降低，塑性变形能力逐渐增强。以含水平夹层岩体为例，未经历冻融循环岩体的抗压强度为16.91 MPa，对应峰值点轴向应变为0.76%。随着冻融循环次数的增加，岩体的单轴抗压强度分别相对降低18.98%、30.63%和37.84%，峰值点轴向应变相对增大59.21%、61.84%和97.36%。此外，岩体的弹性模量也呈逐渐降低的变化趋势。当夹层倾角β=0°时，0，10，20，30次冻融循环下岩体的弹性模量分别为3.86，2.70，2.03，1.55 GPa。随着夹层倾角的逐渐增大，岩体的抗压强度和弹性模量呈先增大后减小的变化趋势。当冻融循环次数n=0时，夹层倾角分别为0°、30°、45°和60°下岩体的抗压强度分别为16.91，14.82，11.07，15.55 MPa，弹性模量分别为3.86，3.53，3.03，3.63 GPa。

2.3 夹层倾角影响

基于应力-应变曲线得到不同冻融循环次数下含软弱夹层岩体力学参数随夹层倾角变化，如表3所示。由表3可知，在相同的冻融循环次数条件下，随着夹层倾角的增大，岩体的单轴抗压强度和弹性模量均先减小后增大，当软弱夹层倾角β=0°时，岩体的单轴抗压强度和弹性模量最大；随着夹层倾角的增大，岩体的抗压强度和弹性模量产生了明显降低，软弱夹层倾角β=30°时岩体的抗压强度相对下降12.38%～25.87%，弹性模量相对下降6.50%～25.24%。当夹层倾角β=45°时，抗压强度和弹性模量均取得最小值，此时岩体的承载能力最差，软弱夹层对岩体力学性质的弱化效应最明显。而随着夹层倾角的进一步增大，岩体的抗压强度和弹性模量出现一定程度的增大。以未经历冻融循环试验组为例，相较于β=45°条件下，当β=60°时，岩体的抗压强度相对提高40.47%，弹性模量相对提高19.80%。

表3 不同条件下含软弱夹层岩体力学参数Table 3 Mechanical parameters of rock mass with weak interlayer under different conditions

2.4 冻融循环影响

图4为不同夹层倾角下含软弱夹层岩体力学参数随冻融循环次数变化关系。由图可知，在相同的软弱夹层倾角条件下，随着冻融循环次数的增加，岩体的单轴抗压强度和弹性模量均逐渐减小。未经历冻融循环的岩体承载能力最强，此时岩体的单轴抗压强度和弹性模量最大；而随着冻融循环次数的增多，岩体的承载能力逐渐劣化，岩体的抗压强度和弹性模量产生了明显降低；岩体的变形能力增强，峰值点应变逐渐增大。相较于未经历冻融循环的岩体，当冻融循环次数达到30次时岩体的抗压强度相对下降37.84%～47.43%，弹性模量相对降低59.85%～71.62%，而峰值点轴向应变则相对增大87.84%。由此可见，冻融循环过程能够大幅降低工程岩体的力学性质，且随着冻融循环次数的增加，岩体的力学参数不断劣化，这为川藏铁路工程的长期稳定性带来一定的威胁。

图4 岩体力学参数随冻融循环次数变化关系Fig.4 Mechanical parameters of rock mass evolves with freezing thawing cycles

进一步分析岩体的力学参数与冻融循环次数之间的关系，拟合结果如图4所示。由图可知，单轴抗压强度、弹性模量和冻融循环次数之间呈负指数相关，即在冻融循环的影响下，岩体的抗压强度和弹模逐渐减小但减小速率越来越慢。峰值点应变与冻融循环次数之间呈线性正相关，随着冻融循环次数的增大，岩体的峰值点应变呈线性增大趋势。

由于试验条件限制，本次研究仅针对不同夹层倾角（β=0°、30°、45°、60°）和冻融循环次数条件下（n=0，10，20，30）的含夹层岩体展开了单轴压缩试验，而川藏铁路沿线穿越地区的地质条件更加复杂，隧道工程所面临的还有地应力和地下水影响，因此，后续开展不同围压、孔隙水压和干湿循环等条件下的试验研究具有深刻意义。

3 结论

（1）含软弱夹层岩体破坏后其硬岩部分变形较小，而软岩夹层部分的破坏较为强烈。软岩夹层的横向变形较硬岩部分大，岩体软、硬夹层表现出明显的非协调变形。当夹层倾角较小时，岩体破坏后断裂裂纹出现在软弱夹层部位，而硬岩部分仅出现细小微裂纹；当夹层倾角较大时，岩体破裂面与夹层呈X型交叉状，岩体硬岩部分与软弱夹层均产生了明显的大裂纹。

（2）夹层倾角对岩体力学性质影响显著。随着软弱夹层倾角的增大，岩体的抗压强度和弹性模量先减小后增大，且当夹层倾角为45°时，抗压强度和弹性模量最小，抗压强度较含水平软弱夹层岩体降低35.27%，弹性模量降低34.84%。

（3）在冻融循环作用的影响下，岩体的承载能力减弱而塑性变形能力增强。当冻融循环次数达到30次时岩体的抗压强度相对下降37.84%～47.43%，弹性模量相对降低59.85%～71.62%，而峰值点轴向应变则相对增大87.84%。岩体的抗压强度、弹性模量呈负指数型递减，峰值点应变则呈线性增加。