花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判

王竹波, 张艳艳, 张红光, 刘云

(1.中国水利水电第十一工程局有限公司,河南 郑州 450001; 2.河南新华五岳抽水蓄能发电有限公司,河南 信阳 465400)

实现“碳中和”的前提是“零碳”的电力,发展抽水蓄能对实现“零碳”目标至关重要[1-3]。在抽水蓄能电站工程中,地下水工隧洞是其重要的结构建筑物,开挖施工期间难免遭遇蚀变类岩层,严重制约工程施工的顺利推进。目前已有多处相关工程案例报道了水电工程施工中遭遇的严重蚀变岩层,比如北京青石岭水电站、二滩水电站、广州抽水蓄能电站以及河南天池抽水蓄能电站等[4-8],此类岩体导致各类工程出现治理难题。不难发现,岩体蚀变原因在于,特殊水力环境下的地下水对岩层的物理化学侵蚀引发岩体矿物成分、结构类型的显著改变,进而引起原生岩体的力学特性改变。由于赋存的水力环境的显著差异性,工程区存在的蚀变岩层性质具有多样性特征,最终导致此类岩体整体软弱、破碎,甚至被蚀变成砂土性状[9-11]。

不少学者针对蚀变花岗岩体开展了相关研究。廖建强[12]指出大多数蚀变花岗岩体中包含不同含量的蒙脱石等膨胀性黏土矿物,其遇水易产生膨胀、崩解等,力学特性弱化严重。同时,以蒙脱石化为主的蚀变岩的研究[13-15]表明,蒙脱石化蚀变岩的强度特性极差,力学性能类似于全(强)风化原岩,在浸水湿化后急剧弱化而崩解,属软质岩土。由此可知,处于此类地层的隧洞工程围岩易诱发围岩流动大变形、涌水涌沙等工程灾害,甚至在工程竣工数年之后发生垮塌。针对此类膨胀岩出现的各类工程问题,国内外学者做了诸多深入的研究。例如:BARLA M[16]采用三轴试验对膨胀性岩体进行了膨胀性研究;MAO D W等[17]基于重塑试样测试所得的膨胀力参数,分析了穿越含膨胀性黏土花岗岩蚀变带的挪威Finnfast海底隧道及Hanekleiv隧道围岩稳定性及其支护受力情况。

然而,尽管诸多学者围绕前述工程问题开展了一定的研究,但仍存在不足和问题,尤其缺乏对含膨胀性黏土矿物的花岗岩蚀变土力学特性的深入认识。而且,穿越此类岩层的水工隧洞围岩的安全稳定性也制约着施工技术的发展,已成为地下工程中亟待解决的关键性技术问题。鉴于此,本文以河南五岳抽水蓄能电站蚀变带为工程背景,通过一系列力学试验,分析含膨胀性矿物的花岗岩蚀变土的力学强度特性,并运用模糊数学理论综合评判了其关键力学指标对该地层工程围岩稳定性的影响权重,为此类工程围岩的稳定性控制和有效支护提供科学依据。

1 试验

1.1 试验材料

试验所有材料取自河南五岳抽水蓄能电站工程区花岗岩蚀变带,该蚀变带最大宽度达到100 m,其内岩体呈土状夹强风化岩块,浅灰白色或浅肉红色,如图1所示,其自然含水率为13.0%。X射线衍射分析结果显示[18],采样土中含蒙脱石等膨胀性矿物,含量为38.29%,遇水易发生膨胀、崩解。

图1 现场花岗岩蚀变情况

由于现场采样土粒径较大,不能满足室内试验仪器尺寸要求,需对超粒径颗粒进行处理。按照《土工试验方法》(GB/T 50123—2019)[19],采用等量替代法和相似级配法确定了重塑级配粒径范围,由此获得了重塑土级配范围及基本参数。

1.2 试验设备及方案

图2所示为重塑土粒径分布曲线,根据《土工试验方法》(GB/T 50123—2019)[19],按照图2所示的级配参数对采样土进行重塑制样,试样尺寸为直径39.1 mm、高度80 mm,如图3所示。结合工程实际水力环境,拟采用固结排水的试验方式,共设置4种围压应力水平,即100、200、400、600 kPa,制样干密度为1.55 g/cm3,剪切速率固定为0.015 mm/min,试验终止标准为轴向应变(εa)达到25%。试验仪器采用的是TSZ-1应变控制式三轴仪。

图2 重塑土粒径分布曲线

图3 重塑土试样

2 结果分析

根据试验结果,从土样强度、变形特征方面进行分析,研究不同围压应力水平对重塑土力学强度指标的影响规律。

2.1 不同围压水平对土样强度的影响

图4展示了不同围压条件下土样的偏应力(σ1-σ3)-轴向应变(εa)曲线。由图4可以发现:不同围压应力水平下,土样的偏应力(σ1-σ3)与εa整体表现出类似应变硬化类型,土样变形经历了明显的初期弹性变形和后期较大塑性变形阶段,全过程未出现峰值强度屈服点;在围压较小时,弹性阶段曲线很短,塑性阶段表现为主体变形特征;而围压较大时,曲线出现了较为明显的弹性阶段,相应的塑性阶段则有一定程度的缩短,但其仍为土样的主体变形特征;瞬时偏应力(σ1-σ3)随着围压应力的增大而增大,在轴向应变值较大(如εa>5.0%)时,对应的瞬时偏应力(σ1-σ3)差值基本趋于稳定。

图4 不同围压下试样偏应力与轴向应变之间的关系

根据图4中偏应力-轴向应变曲线类型,设定轴向应变等于15%时的偏应力为试样破坏偏应力((σ1-σ3)f),即峰值强度,由此可获得不同围压下的峰值强度值,如图5所示。

由图5可知:总体上,当围压应力水平改变时,试样峰值强度变化明显,围压越大对应的峰值强度越大;具体地,当围压从最小值100 kPa依次按照2、4、6倍增加到最大围压600 kPa的过程中,峰值强度分别增加1.60、2.47、3.00倍;围压从较小值(如100 kPa)逐渐增大时,峰值强度的增长幅度明显;当围压从较大值逐渐增大时,则峰值强度对应的增长幅度显著减弱,比如当围压为100 kPa时,每增加 100 kPa,峰值强度对应增加82.5 kPa,该值是当围压从400 kPa增加到500 kPa过程中所对应峰值强度增长值的2.24 倍。同时,经过数据拟合可知,峰值强度与围压之间存在良好的线性相关性,拟合优度达到0.96。

此外,基于各个围压及其对应的峰值强度 (图5),便可绘制出一个极限状态莫尔圆,这样可绘制出4个极限状态应力莫尔圆,做出这些极限状态莫尔圆的公切线就可得出天然重塑土的摩尔-库仑抗剪强度包络线,如图6所示。其中,τ、σ分别代表剪切面的剪应力和正应力。由此获得土样的黏聚力(c)、内摩擦角(φ)分别为39.7 kPa、12.4°。

2.2 不同围压水平对土样体积应变的影响

重塑土样的体积应变εv和轴向应变εa的关系如图7所示。由图7可知:同一围压应力水平下,体积应变εv随着轴向应变εa的增加而增大,继而趋于平缓,曲线类似“双曲线”形式;同一轴向应变εa、不同围压应力水平下,围压越大,重塑土体积应变越小,且在围压为400、600 kPa较大应力水平时,两者的体积应变εv差值变得越小,说明较小的围压应力水平对重塑土样的体积应变εv作用敏感,应加强围侧向应力水平,以提高围岩稳定性。

图7 不同围压下体积应变与轴向应变的关系

2.3 不同围压水平对强度参数的影响

根据邓肯-张双曲线模型,模型中切线变形模量(Et)的计算方法见式(1)[20],即

(1)

式中:σ1为最大主应力,kPa;σ3为围压,即最小主应力,kPa;pa为标准大气压力,kPa;Rf为破坏比,其值小于1;K、n为试验常数。

则切线泊松比(ut)的计算公式如下:

(2)

式中G、D和F为试验常数。因此,可根据式(1)和式(2),运用MATLAB绘制出围压改变时切线变形模量和泊松比的变化情况,结果如图8和图9所示。

图9 切线泊松比与围压应力水平的关系

根据以上试验结果,将相应的邓肯-张模型的8个试验常数(K、n、φ、c、Rf、G、D、F)代入式(1)、式(2)便可得出不同应力水平(σ1、σ3)下对应的切线变形模量和切线泊松比。根据现场地应力测试数据进行换算得最大主应力σ1为658.33 kPa, 最小主应力σ3为475.33 kPa。将其代入式(1)、式(2)可得弹性模量和泊松比分别为983.72 kPa和0.39。

3 洞室围岩稳定性模糊评判

由于地下洞室围岩的力学性能决定其整体承载能力,进而影响其变形程度,掌握各个力学指标对围岩稳定性的影响权重,有助于提出针对性的治理措施与技术方案。为此,基于上述试验获得的五岳抽水蓄能电站蚀变带土体的力学参数,运用模糊数学理论的二级模糊综合评判方法,分析各个因素对此类洞室围岩稳定性的影响权重。

3.1 评判模型的建立

在全面分析影响洞室围岩力学特性指标的基础上,确定出对应的影响因素及其层次属性和模糊属性,进而合理构建出关于其力学特性的二级模糊综合评判模型,如图10所示。

图10 二级模糊综合评判模型

3.2 隶属度的确定

根据《工程岩体分级标准》[21]和《岩土工程勘察规范》[22],并参考专家意见,获得力学特性(p) 的影响因素所包含的6个评价指标取值,见表1。

表1 评价指标取值

对于定量化的连续型影响因素,统计分析得知其数据分布呈现出正态型规律,对应隶属函数μj(xi)可表示为[23]:

(3)

式中:xi为第i个因素的实测值;mij为第j个评价等级关于第i个因素的标准值,可取各单因素分级标准的平均值;σij为标准差。

根据式(3)可计算出各个因素的隶属函数值,见表2。

表2 连续性影响因素隶属度

3.3 权重的确定

由于层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是运用一定的逻辑数学推导并检验一致性的方法,能够综合处理包括各类数据、专家意见及主观判断等在内的各类定量与定性因素,所以该方法是一种简单且有效的系统分析方法,具有比其他权重分配法更高的可信度[23]。图11为层次分析法流程图。

图11 层次分析法流程图

由图11可知,AHP法主要包括构造两两比较判断矩阵、判断矩阵的求解、一致性检验以及获得权重等4项内容。一般地,构造两两比较判断矩阵通常使用 1—9 比例标度,具体见表3。此时,基于岩体力学特性模糊评判模型(图10),并依照表3所示的比例标度,可对影响岩体力学特性的6个评判因素(p1、p2、p3、p4、p5、p6)相对重要程度进行15次两两比较,得出模糊判断矩阵E。在此基础上,依据方根法求解原理,获得判断矩阵(E)的最大特征值λmax和特征向量W(W=(w1,w2,…,wn),这是最为关键的两个指标,对应的计算公式如下:

表3 判断矩阵的比例标度及含义

(4)

(5)

AHP法常用一致性比率(CR)检验判断矩阵的一致性条件,其表达式如下:

(6)

式中:n为E的行数或列数;CI为偏离一致性的指标;RI为平均随机一致性指标。

满足判断矩阵的一致性标准是CR<0.10,若该条件不满足(CR≥0.10),则需再次调整判断矩阵元素,直至满足检验条件。由此,根据方根法计算步骤,获得的判断矩阵各元素值见表4。结合式(5)和式(6),最终得出最大特征值λmax和CR分别为6.36、0.059。所以,该判断矩阵满足一致性要求,其对应的岩体力学特性影响因素(Rc、c、φ、γ、E、μ)的权重集为:

表4 判断矩阵各元素值

A′={0.404,0.171,0.131,0.033,0.131,0.131}。

3.4 模糊综合评判

根据Hoek-Brown经验方程,岩块单轴抗压强度与抗剪强度参数(黏聚力c、内摩擦角φ)关系如下:

(7)

将上述得到的黏聚力c、内摩擦角φ的值代入式(7),得出重塑土单轴抗压强度为67.18 kPa。因此,可得出影响此类岩体洞室稳定性的所有力学性能指标值,结果见表5。

表5 蚀变花岗岩土力学参数评价结果

进一步地,由表2中相应的单因素隶属函数,可求得上述各个因素的隶属度,其矩阵记为R,由此关于力学特性的一级模糊综合评价集为:

B=A′·R=

由表5可知,决定五岳抽水蓄能电站花岗岩蚀变带岩体稳定性的主控力学指标为内摩擦角和泊松比,变形模量影响最小。所以,在获取影响洞室围岩稳定性的力学特性指标基础上,可运用模糊综合评判法评判其围岩的稳定性,并进一步动态跟踪隧道工程开挖、支护、二次支护等一系列过程的综合稳定性能分级,对岩土工程提出合理的总体支护建议。

4 结论

1)河南五岳抽水蓄能电站工程区花岗岩蚀变带岩体松软破碎,属于严重蚀变的花岗岩土,其内富含蒙脱石等强膨胀性矿物,对应含量为38.29%。

2)不同围压条件下,试样偏应力-轴向应变曲线表现出应变硬化类型,具有明显的初期弹性变形和后期较大的塑性变形阶段。当轴向应变保持不变时,围压的逐渐增大将引起更大增幅的瞬时偏应力,相应的峰值强度便越大。试验获得的土样黏聚力、内摩擦角分别为39.7 kPa、12.4°。

3)围压保持不变时,土样体积应变随着轴向应变的增加而增大,继而趋于平缓,曲线类似“双曲线”形式。同一轴向应变条件下,围压越大,土样体积应变越小,对应体积应变的差值越小,表明较小的围压对重塑土样的体积应变作用敏感。

4)模糊评判结果表明,花岗岩蚀变带岩体的力学特性主要受内摩擦角和泊松比这两个指标控制,而对应的变形模量影响权重最小。