郑万铁路巴东组泥岩力学试验研究

王国军 朱小兵 刘保林 赵东平 季启航

（1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司， 重庆 400023；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 成都 610031；3.西南交通大学， 成都 610031）

郑万高速铁路小三峡隧道全长18.9 km，隧道洞身段穿越三叠系中统巴东组一、二段（T2b1+2）、下统嘉陵江组（T1j）、及大冶组（T1d）等地层，其中三叠系中统巴东组一、二段是以紫红色泥岩为主的地层。泥岩具有强度低、遇水软化明显、膨胀等特点［1］，属于软岩类。地勘资料显示，泥岩呈块碎状镶嵌结构及层状结构，围岩稳定性差；岩溶一般较发育，容易产生大量坍塌和涌水，将对隧道的施工造成较大的影响。因此，对巴东组泥岩的力学特征进行研究，可为依托于该隧道工程的理论计算分析工作提供基础。

泥岩物理力学参数方面，殷跃平［2-4］等对三峡库区内巴东组泥岩的膨胀性、崩解性、干湿循环强度弱化特性等力学特性进行了研究；张家铭［5］等通过三轴试验得到了巴东组泥岩的全应力 - 应变曲线，并将其划分为4个阶段，提出了每一段的本构方程；王闫超［6］等建立了巴东组泥岩的流变本构模型，准确描述了岩石的3个典型流变阶段。

目前，针对巴东组泥岩的自身特性已有部分研究，但其试验所得参数与现场实际岩体的参数存在较大区别，而且对于如何将试验得到的岩样参数转化为现场岩体参数尚未提及。本文通过单轴和三轴压缩试验对巴东组泥岩物理力学参数进行了测试，并基于Hoek-Brown准则将试验参数转化为了现场岩体参数。研究成果可为后期研究的理论及数值分析提供依据，也可为其他工程提供参考。

1 试验方案

巴东组泥岩岩样采自郑万高速铁路小三峡隧道的多个区段，按规范要求加工为直径50 mm、高100 mm的标准圆柱体试件。利用MTS-815型程控伺服刚性试验机对巴东组泥岩的物理力学参数进行测试。该试验机用于岩石及混凝土的试验，可以在常温、高温条件下进行岩石及混凝土材料单轴、三轴压缩试验，在多种控制模式之间可随意切换，是现在国内较为先进的室内岩石力学试验设备。

试验共制144个巴东组泥岩岩样，试验测得的巴东组泥岩岩样最大密度为2.77 g／cm3，最小密度为2.61 g／cm3，平均密度为2.70 g／cm3。依据完整度和密度对岩样进行分组，分别对烘干和饱水状态下试验岩样进行单轴压缩试验与三轴压缩试验，得到烘干和饱水状态下巴东组泥岩的弹性模量、内摩擦角、粘聚力以及泊松比。试验分组如表1所示。

表1 巴东组泥岩力学试验分组表

2 试验结果分析

2.1 巴东组泥岩单轴压缩试验

常规单轴压缩试验包括烘干状态和饱水状态各6组，根据试验过程中MTS试验机的控制计算机自动采集的原始数据计算轴向应力、轴向应变和环向应变，并由式（1）计算得到巴东组泥岩的弹性模量。

式中：E——弹性模量（MPa）；

σ——轴向应力（MPa）；

εd——轴向应变。

巴东组泥岩单轴应力 - 应变曲线如图1所示。从图1可以看出，单轴压缩试验过程中巴东组泥岩在烘干与饱水状态下应力 - 应变曲线形态基本一致，峰值前可分为3个阶段：裂隙压密阶段、弹性阶段以及塑性变形阶段。在裂隙压密阶段，由于岩样内部存在微小裂隙或节理面，岩样内部受压闭合，应力应变曲线有向上弯曲的趋势；在弹性阶段，岩样的裂隙受压密实后，应力应变曲线近似于直线，表明该阶段泥岩的性质较为稳定；在塑性变形阶段，由于岩样承受较大的外部荷载，内部裂隙起裂扩展，并最终在荷载作用下裂隙贯通导致岩样发生破坏。

图1 巴东组泥岩单轴应力 - 应变曲线图

巴东组泥岩在烘干与饱水状态下的单轴抗压强度、弹性模量以及泊松比如表2所示。相较于烘干状态，饱水状态下巴东组泥岩的单轴抗压强度与弹性模量有所降低，泊松比有所增大，即饱水条件下巴东组泥岩的变形更为显著。

表2 巴东组泥岩参数均值统计表

2.2 巴东组泥岩三轴压缩试验

常规三轴压缩试验包括烘干转台和饱水状态各6组，每 组 5个 试 样 分 别 按 2 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa及10 MPa围压进行试验。围压以0.05 MPa／s加载速率至预定侧压力，轴向加载方式以0.1 mm／min的速度进行加载，得到不同围压下的破坏强度，并利用式（2）、式（3）求出每组的峰值内摩擦角（φ）和粘聚力（c）。

式中：σc——轴向应力 - 围压关系曲线纵坐标的应力截距（MPa）；

m——轴向应力 - 围压关系曲线的斜率；

φ——内摩擦角（°）；

c——粘聚力（MPa）；

烘干状态巴东组泥岩（第一组）主应力差 - 轴向应变关系曲线如图2所示。随着围压的增大，主应力差 - 应变曲线的斜率明显增大，破坏状态下的主应力差与轴向应变明显提高，巴东组泥岩的强度随着侧压力的增大而有所提高。

图2 烘干状态巴东组泥岩（第一组）主应力差 - 轴向应变关系曲线图

烘干状态与饱水状态下巴东组泥岩弹性模量如表3和图3所示。随着围压的增大，巴东组泥岩的弹性模量逐渐增大；烘干状态下巴东组泥岩弹性模量的增长速率明显大于饱水状态，相对于烘干状态，饱水状态下巴东组泥岩弹性模量的减幅由10.33%（围压2 MPa）增长到19.91%（围压10 MPa），即围压较大时水对巴东组泥岩弹性模量的削弱作用更为显著。巴东组泥岩内摩擦角、粘聚力、泊松比如表4所示。由表4可知，相较于烘干状态，饱水状态下巴东组泥岩内摩擦角降低9.39%，粘聚力降低10.07%，泊松比提高9.09%。

表3 巴东组泥岩弹性模量统计表（GPa）

表4 巴东组泥岩内摩擦角、粘聚力、泊松比统计表

图3 巴东组泥岩弹性模量与围压的变化关系曲线图

3 现场岩体参数转化

试验所用的岩样取自完整岩块，根据TB 1003 -2016《铁路隧道设计规范》［7］可将上述试验的巴东组泥岩划分为Ⅱ级围岩，而小三峡隧道现场岩体较为破碎，围岩等级仅为Ⅳ级，现场岩体的力学参数与试件测试所得参数相差较大。

针对上述情况，将试验所得参数转化为现场岩体参数，以便后续的研究。Hoek-Brown准则可基于地质强度指标（GSI）评价岩体的强度，并估算岩体破碎状态下的弹性模量、粘聚力以及内摩擦角，其表达式为：

式中：σ1、σ3——分别为最大、最小主应力（MPa）；

σc——完整岩体的单轴抗压强度（MPa）；

mb、a——岩石经验参数（量纲为1）；

s——反映岩体的破碎程度。

mb、a、s可通过式（5）～式（7）计算得出。

式中：mi——岩石经验参数（量纲为1），反映岩石的软硬程度；

GSI——地质强度指标；

D——岩石的扰动系数。

基于Hoek-Brown破坏准则，Rocscience开发的RocLab程序可以利用完整岩样的单轴抗压强度与弹性模量、地质强度指标（GSI）、岩体参数mi以及岩体扰动系数D计算得出现场破碎岩体的弹性模量、内摩擦角与粘聚力。

地质强度指标可根据现场岩体结构以及结构面表面进行判断。由现场掌子面揭示情况可知，掌子面表面岩体包含许多不连续集形成的角状块体褶层与断层，结构面中度风化且较为平整。根据GSI分级表［8］可大致估算现场岩体的GSI值为40，泥岩的mi值可根据参考值取7，由于现场采用机械开挖，对围岩的扰动较小，岩体干扰系数可取0。利用巴东组泥岩单轴试验测得的单轴抗压强度平均值39.74 MPa，弹性模量平均值8.84 GPa，以及现场隧道埋深情况、岩体重度，利用RocLab程序得出现场岩体的相关系数如图4所示。

图4 RocLab程序计算结果图

根据RocLab程序的计算结果可以看出：小三峡隧道现场巴东组泥岩岩体的弹性模量为1.41 GPa，内摩擦角为33.89°，粘聚力为0.716 MPa。根据《铁路隧道设计规范》对各级围岩的物理力学指标的参考值，Ⅳ级围岩的弹性模量为1.3～6 GPa，内摩擦角为27°～39°，粘聚力为 0.2～0.7 MPa，换算得到的小三峡隧道巴东组泥岩的物理力学参数，可将现场围岩等级划分为Ⅳ级，该结果与地质勘测结果一致。

4 结论

本文基于单轴、三轴压缩试验对巴东组泥岩的物理力学参数进行测试，并利用Hoek-Brown准则转化为现场岩体参数，为后续研究奠定了基础，得出的主要结论如下：

（1）巴东组泥岩的破坏可大致分为3个阶段：裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性变形阶段。在塑性变形阶段，随着岩样内部裂隙的起裂扩展，最终在荷载作用下裂隙贯通引起岩样破坏。

（2）在饱水状态下，巴东组泥岩的弹性模量、内摩擦角以及粘聚力有所减小，泊松比有所增大。

（3）随着围压的增大，巴东组泥岩的弹性模量逐渐增大，破坏状态下的主应力差与轴向应变明显提高，强度有所增大；在围压较大时，水对巴东组泥岩弹性模量的削弱作用更为显著。

（4）基于Hoek-Brown准则，利用RocLab程序，根据完整岩样单轴抗压强度、弹性模量、地质强度指标（GSI）、岩体参数mi以及岩体扰动系数D，得到现场岩体的弹性模量、内摩擦角以及粘聚力，与Ⅳ级围岩物理力学参数参考值基本对应。