不同应力条件下裂隙岩体广义流变特性及稳定性研究_王峰.pdf

Safety risk assessment of highwayslope construction based onmultidimensional contact cloud modelCHEN Zhao1,SUN Jingnan2,ZHOU Zilong2,SHI Zhihai1(1 Guangxi Beitou Highway Construction and Investment GroupCo.,Ltd.,Nanning 530029,China;2 School of Resources andSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:To better avoid the losses caused by highway slopeconstructionaccidentsinmountainousareasandobtainhierarchical management and effective prevention and control ofrisks during slope construction,the safety risk assessment indexsystem and risk level standard of highway slope construction inmountainous areas are established according to the actual riskidentification of a highway slope construction in Guangxi Provinceand the current risk assessment index of slope construction.Firstly,the subjective and objective weights of each slopeconstruction risk assessment index are respectively determined bythe G1 method and the improved CRITIC(Criteria ImportanceThough Intercrieria Correlation)method and then optimized byusing the game theory to obtain the optimal weight of each riskassessment index.Secondly,by adopting the same differentopposite principle of set pair analysis and the 3Encriterion of thecloudmodel,thecloudconnectiondegreeofthemultidimensional cloud model is improved.A multidimensionalconnectioncloudmodelthatcantakeintoaccounttheuncertainty,randomness,and fuzziness of evaluation indexesandreflectinteractionsbetweenevaluationindexesisestablished.Finally,the established model is applied to theconstructionsafetyriskassessmentofsixhighwayslopeconstruction cases in Guangxi Province,and the construction risklevels of six slopes are determined.Meanwhile,the determinedconstruction risk level of each slope is compared to the evaluationresults based on the multidimensional cloud model,set paircloud model,cloud model,set pair analysis method,and indexsystem method.Results indicate that the multi-dimensionalconnection cloud model not only ensures the consistency ofevaluation results but also realizes the determination of slopesafety risk transformation trends in the construction process.Therefore,the established safety risk assessment index systemand risklevelstandardofhighwayslopeconstructioninmountainous areas are effective and reliable,which is moreconducive to risk management and effective prevention andcontrol of slope construction.Keywords:safetyengineering;riskassessment;slopeconstruction;set pair analysis;multi-dimensionalcontact cloud文章编号:1009-6094(2023)06-1800-07不同应力条件下裂隙岩体广义流变特性及稳定性研究王 峰(中铁二十三局集团第六工程有限公司,重庆 401121)摘 要:裂隙岩体开挖后形成扰动区,随着时间的延长,应力和应变同时变化的这种流变现象确实存在,在刚性支护后,随着时间的延长,强度会恢复,且在强度恢复过程中应力和应变又同时变化,这种流变现象用一般的蠕变和应力松弛很难解释清楚,通过广义流变来研究不良地质裂隙岩体的稳定性和长期强度非常重要。首先,对广义流变特征、力学机制进行了总结分析,将隧道开挖扰动区分为开挖破碎区(Excavation Fracture Zone,EFZ)、开 挖 损 伤 区(ExcavationDamaged Zone,EDZ)和原岩弹性区(Inner Elastic Zone,IEZ),将峰后卸荷损伤区(Unloading Damage Zone,UDZ)和塑性流变区(Plastic Disturbed Zone,PDZ)合并为广义流变损伤区(Generalized Relaxation Disturbed Zone,GRDZ),重点探讨了不同裂隙岩体开挖扰动区岩石广义流变的工程物理意义;然后,开展了不同条件下的广义流变试验,得到裂隙岩体开挖扰动区岩石的广义流变特性;对比分析了单轴压缩、单轴拉伸和三轴压缩条件下广义流变特征的相似性和差异性,得到广义流变等时线近似于全应力 应变曲线向内的收缩线;最后,建立了可变模量本构方程,得到蠕变破坏寿命公式,根据广义流变曲线和开挖扰动区围岩应力、应变曲线的关系可知,流变破坏主要发生在广义流变区域的 I 区和 II 区的上半部分。此成果对分析裂隙岩体围岩稳定性、预测不良地质公路隧道工程寿命等具有应用价值。关键词:安全工程;广义流变;围压效应;等时线;工程意义中图分类号:X43 文献标志码:ADOI:10.13637/j.issn.1009-6094.2022.0616收稿日期:20220411作者简介:王峰,高级工程师,从事隧道 工 程 研 究,1097730807 。0 引 言近年来,我国公路地质灾害不断增加,不良地质边坡引发的地质灾害数量和比例不断上升,不良地质边坡治理已经成为我国高速公路基础设施建设、运营期间的关键科学问题之一1 3。1992 年,Fukui 等4首次提出了广义流变概念,即随着时间的延长,应力和应变同时发生变化,表现出时间依存性,此后广义流变理论为研究岩体渐进破坏等提供了新的思路。国内关于广义流变方面的0081第 23 卷第 6 期2023 年 6 月 安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and Environment Vol.23 No.6Jun.,2023研究成果很少,2017 年,张海龙等5全面系统地介绍了单轴压缩荷载下广义流变的工程物理意义,并用基于 Maxwell 模型的可变模量本构方程对河津凝灰岩广义流变试验进行了数值模拟,计算结果与试验结果一致性较好6。广义流变试验需要能够长期准确控制应力和变形的以应力规还法控制的伺服试验机来实现。将应力和应变信号通过加算和减算实现两个信号的线性组合,并将组合信号作为控制信号反馈给伺服阀,实现应力归还控制7 8。张海龙等9用变阻器技术实现了应力归还控制,并对 I 类II 类岩石执行了荷载速率依存性试验10,获得 II 类岩石峰后完整的应力 应变曲线。在不良地质裂隙岩体中,岩体既不是纯蠕变,也不是纯应力松弛,而是随着时间的延长应力和应变同时发生变化,表现为广义流变特征,并容易导致不良地质公路隧道、斜坡等发生破坏,这种广义流变现象用纯蠕变和纯应力松弛很难解释清楚,它是岩石力学领域面临的一个挑战性难题4,11。这种广义流变现象,具有渐进破坏特性,符合广义流变特征,用广义流变来研究不良地质裂隙岩体稳定性,对研究山区城市的地质灾害、预测岩体破坏寿命等有重要的意义和应用价值。胡斌等12基于传统流变本构模型,提出流变损伤演化方程,建立了一种能够同时描述软弱夹层 3个阶段的非线性流变损伤本构 模 型(NonlinearRheological Damage Constitutive Model,NRDM)。本文借鉴此非线性流变模型,引入广义流变理论,开展不同条件下的广义流变试验,得到不同条件下广义流变的相似性和差异性,探寻复杂条件下岩体广义流变工程意义,研究裂隙岩体开挖扰动区围岩稳定性。1 岩体广义流变工程意义1.1 广义流变理论广义流变试验是通过应力归还法来实现的,应力归还控制式见(1)5 9。-/E=Ct=f(t)(1)式中 为应变,为应力,f(t)为时间的函数,C为从原点加载速率,t 为时间,为应力归还量,E 为弹性模量。对式(1)进行无量纲处理,得到式(2)。=(2)式(2)为式(1)的增量形式,对式(1)进行转换,得到控制式(3)。C=-/E (3a)C=/E =(3b)式中和 是应变速率和应力速率。当 =0 时,是恒定应变速率控制;当 =时,是恒定应力速率控制;当 =、0 时,是应力归还控制。广义流变理论及实现形式如图 1 所示8,从原点开始以速率 C 进行加载,经过 ti时间后到达 A 点(此点称为广义流变启动点)后停止加载,从启动点 A 开始执行广义流变试验4 6,13 14。当 =时,从 A 点开始执行蠕变试验;当=0 时,从 A 点开始执行应力松弛试验;当 1 时,从 A 点开始执行 AC 方向的流变试验;当 0 时,从 A 点开始执行 AB 方向的流变试验;当 0 1时,从 A 点开始执行 AD 方向的流变试验;当 =1时,是峰前全应力 应变方向。从而可知,蠕变和应力松弛是广义流变的特殊形式,裂隙岩体中,随着时间的延长,岩体从启动点开始,沿不同的方向系数 表现流变特征。图 1 广义流变概略图Fig.1 Schematic diagram of generalized rheology1.2 隧道开挖扰动区围岩广义流变特征裂隙岩体开挖后,随着时间的延长,开挖扰动区的分布范围显著增大,如果没有支护或支护不及时,则表现出明显的流变效应。裂隙岩体开挖扰动区包括临空面的开挖破碎区(Excavation Fracture Zone,EFZ)、开挖损伤区(Excavation Damaged Zone,EDZ)和原岩弹性区(Inner Elastic Zone,IEZ)。其中开挖损伤区 EDZ 又分为:峰后卸荷损伤区(UnloadingDamage Zone,UDZ),其裂隙较发育、损伤严重;塑性流变区(Plastic Disturbed Zone,PDZ),其时效特性明显;峰前损伤区(Inner Damage Zone,IDZ),其损伤弱。本文将 UDZ 和 PDZ 合并为广义流变损伤区(GeneralizedRelaxationDisturbedZone,GRDZ)15 16。图 1 中广义流变的启动点 A 根据裂隙岩体的破坏特征分布在这 3 个区域任何位置,当启动点 A 在 IEZ 区域时,广义流变特征不明显;当启1081 2023 年 6 月 王 峰:不同应力条件下裂隙岩体广义流变特性及稳定性研究 Jun.,2023动点 A 在 GRDZ 区域时,开挖扰动区岩石的流变效果非常明显;当启动点 A 在 EFZ 区域时,可理解为开挖破碎区岩石广义流变破坏。图 2 为隧道开挖扰动区围岩受力 隧道位移的广义流变特征,纵轴表示隧道岩壁受力(松弛),横轴表示隧道位移(蠕变),A0、A1、A2分别表示隧道开挖后支护时间的启动点,支护时间的启动点可作为广义流变的启动点,从而在支护后隧道岩壁受力和隧道位移符合广义流变特征。图 2 隧道开挖扰动区围岩广义流变Fig.2 Generalized rheology of tunnel surroundingrock in disturbed area2 岩体广义流变试验及结果分析2.1 广义流变控制方法本文以田下凝灰岩为研究对象,田下凝灰岩产于日本枥木县的田下地区长斜坡中,试件为 25 mm50 mm(直径 高)的圆柱体。本文执行了田下凝灰岩三轴压缩荷载条件下的广义流变试验(围压为3 MPa 和 6 MPa,应力水平为 50%,=0.3、0、-3、和 3,松弛时间为 105s)、田下凝灰岩单轴压缩荷载(应力水平为 50%,=0.3、0、-0.3、-1、-3、和 3,松弛时间为 105s)和单轴拉伸荷载(应力水平为 50%,=0.3、0、-1、和 3,松弛时间为 3 104s)的广义流变试验。三轴荷载条件下广义流变试验步骤如下:1)安装试件,调节围压到 3 MPa 和 6MPa;2)从原点开始在式(3)控制下以速率 C=1 10-5s-1加载到启动点后停止加载;3)从启动点开始,在式(4)控制下执行广义流变试验,广义流变时间(从 启 动 点 到 试 验 结 束 所 花 费 的 时 间)为105s17。-/E=0 (4a)/E=0 =(4b)2.2 广义流变试验结果分析单轴压缩荷载条件下田下凝灰岩在 50%应力水平下的广义流变试验结果如图 3 所示,表示的是在半对数轴上应力变化量、应变变化量和时间之间的关系。图 3 50%田下凝灰岩广义流变特性(单轴压缩)Fig.3 Generalized rheology behaviours of Tage tuff under50%stress level(uniaxial compression)在 =3 时,应力和应变都增大,应力、应变时间曲线都体现为上凹特征,其变化符合对数法则;在=时,应力恒定、应变随时间逐渐增大,表现为蠕变特性,符合蠕变的对数法则;在 =-3、-1 和-0.3 时,应力减小,应变增大,应力 时间曲线体现为下凹特征、而应变 时间曲线体现为上凹特征,其变化符合对数法则;在 =0 时,应变恒定、应力随时间逐渐降低,表现为应力松弛特性,符合应力松弛的对数法则;在 =0.3 时,应力和应变都减小,应力、应变时间曲线都体现为下凹特征,其变化符合对数法则。田下凝灰岩 50%应力水平下的三轴压缩荷载(3 MPa 围压)广义流变试验结果如图 4 所示,并与单轴压缩条件下的广义流变做了对比分析。田下凝2081 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期图 4 50%田下凝灰岩广义流变特性(三轴、单轴)Fig.4 Generalized rheology behaviours of Tage tuff under50%stress level(triaxial,uniaxial compression)灰岩强度分别为 22.53 MPa(单轴压缩强度)和28.88 MPa(三轴压缩强度)。在围压 3 MPa、50%应力水平下的三轴荷载广义流变启动点明显高于单轴压缩荷载条件下的启动点,在 =0.3 和 0 时,三轴荷载条件下广义流变曲线和单轴压缩荷载条件下曲线重合的非常好,在 =-3、和 3 时,三轴荷载条件下广义流变曲线在单轴压缩荷载条件曲线的上方,且 =3 时,两条曲线的重合度偏大。分别连接105s 时广义流变数据点,可知三轴荷载条件下应力、应变的变化量都小于单轴压缩荷载条件下的变化量,但两条连线都几乎平行于对应的全应力 应变曲线,表现出明显的广义流变流变围压效应。综上所述,岩体在流变中受到周围岩体压力的束缚,其应力和应变的变化也将受到限制,主要是由流变的围压效应所致,即广义流变特征具有围压影响效应,在未来研究中需进行大量相关试验验证完善。在实际工程中,更多的是斜坡中围岩发生广义流变,研究不同围压下的广义流变,对掌握不良地质公路隧道和地下巷道等流变特征、预测工程寿命具有重要的应用价值。2.3 广义流变变化量统计分析图 5 为压拉荷载条件(单轴压缩、三轴压缩(3MPa、6 MPa)和单轴拉伸)下 104s 时广义流变统计对比分析图,横轴表示方向系数,纵轴表示应变、应力变化量。在 104s 时刻 50%应力水平下广义流变拉压系数 k=k-T/k-U,表示单轴拉伸和压缩条件下应变变化量的比值,分别为 0.12(=0.3)、0.59(=-1)、0.53(=)、0.4(=3);k=k-T/k-U表示单轴拉伸和压缩条件下应力变化量的比值,分别为 0.11(=0.3),0.17(=0)、0.26图 5 压拉荷载条件下广义流变特性对比(104s)Fig.5 Comparison of generalized rheology behavioursunder compressive and tensile conditions(104s)(=-1)、0.34(=3)。从拉压系数可知,单轴拉伸条件下的应力和应变变化量明显小于单轴压缩条件下的变化量18 19,裂隙岩体广义流变特性表现出明显的应力路径效应。在 104s 时刻 50%应力水平下广义流变围压比系数 w=k-3/k-0和 w=w-3/w-0,表示围压分别为3 MPa 和0 条件下的应变和应力变化量的比值,应变围压系数比分别为0.78(=0.3)、0.97(=-3)、0.86(=)、0.93(=3),应力围压系数比分别为 0.62(=0.3)、0.85(=0)、0.74(=-3)、0.78(=3);w=k-6/k-0和 w=w-6/w-0,表示围压分别为 6MPa 和 0 条件下的应变和应力变化量的比值,应变围压系数比分别为 0.1(=0.3)、0.9(=-3)、0.64(=)、0.73(=3),应力围压系数比分别为0.24(=0.3)、0.66(=0)、0.47(=-3)、0.64(=3)。从围压系数可知,围岩为 6 MPa 条件下的应力、应变变化量明显小于围岩为 3 MPa 条件下的变化量,也小于围岩为 0(单轴压缩荷载)条件下的变化量,裂隙岩体广义流变特性表现出了明显的围3081 2023 年 6 月 王 峰:不同应力条件下裂隙岩体广义流变特性及稳定性研究 Jun.,2023压影响效应。2.4 广义流变等时线选取围压为 3 MPa 压缩荷载条件下应力水平分别为 50%、80%、95%的广义流变 103s、104s 和 105s 时刻的数据点,连接3 个时刻不同应力水平和不同方向系数 下的广义流变数据点,得到 3 个时刻的等时线,见图 6。田下凝灰岩广义流变等时线整体曲线形态与全应力 应变曲线非常相似,且不同时刻的等时线总被包含在全应力 应变曲线内,广义流变在不同时刻的等时线大概与全应力 应变曲线平行,随着时间延长,表现为向内收缩的全应力 应变曲线。从而可通过广义流变等时线来分析裂隙岩体应力和应变随时间变化的特性,分析岩体局部力学特性和演化特征,广义流变等时线对准确掌握岩体变形特征、研究不良地质隧道岩体流变特性、探究渐进破坏过程、预测隧道工程寿命、分析裂隙岩体的稳定性具有重要的指导意义和应用价值。图 6 三轴荷载条件下广义流变等时线Fig.6 Isochrone of generalized rheology undertriaxial loading conditions3 开挖扰动区围岩稳定性分析开挖扰动区岩石随着时间的延长,应力和应变同时发生变化,为了模拟这种流变现象,本文提出可变模量本构方程,见式(5)。=1+3(5a)3=(5b)d1/dt=a1-m11e(5c)d/dt=a3m3e(5d)式中 a1、a3、m1、m3、是系数;是可变模量,其初值为弹簧弹性系数的倒数,引入可变模量主要是用来模拟开挖扰动区岩石破裂前后的特征,当岩石达到破坏强度后,将不断增大,可模拟破坏后开挖扰动区岩石的情况。对式(5)推导得到如式(6)所示的蠕变应变,蠕变破坏寿命见式(7)。cr=a1(m1+1)ecrt+11m1+1cr(6)tF=1a3(m3-1)ecr=ecr(7)式中 cr表示蠕变应变;cr表示蠕变应力水平;tF表示蠕变破坏寿命;=1/(a3(m3-1),表示蠕变破坏寿命系数。根据张海龙等6可变模量本构方程参数获取方法,本文以 a1=0.1、a3=1、m1=10、m3=36、=1.5 为计算参数,对单轴压缩荷载条件下田下凝灰岩 50%应力水平下的广义应变进行数值计算,计算结果见图 7。图 7 50%应力水平下广义流变计算结果(单轴压缩)Fig.7 Calculated results of generalized rheology under50%stress level(uniaxial compression)图 7 中各方向系数 下的实线为广义流变试验曲线(105s),带箭头虚线为计算结果,计算结果比试验稍微偏大,但计算结果和试验结果方向几乎一致。图中带箭头虚线无限延长,与全应力 应变的曲线相交,发生广义流变破坏,其中蠕变破坏是广义流变破坏的特殊形式,从启动点到破坏点处的时间为广义流变破坏寿命。由图 7 可知,田下凝灰岩在 I区和蠕变曲线上下部分会发生广义流变破坏,而在III 区 II 区下半部分则不能发生广义流变破坏。从本构方程及试验结果得到,蠕变应变随着蠕变应力水平的增加而增大;蠕变破坏寿命随着蠕变应力水平的增加而减小。蠕变破坏寿命可预测地下隧洞开挖后隧道位移和时间的变化规律,主要从如下 5 个方面提高围岩的稳定性。1)裂隙岩体开挖后,形成开挖扰动区,随着时间的延长,开挖扰动区逐渐扩大,弹性能释放。2)根据广义流变理论准确掌握围岩应力和应4081 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期变变化规律,并选择恰当的时间进行刚性初支及浇筑。3)根据广义流变曲线和开挖扰动区围岩应力和应变曲线的关系可知,一般在广义流变 I 区和区上部分区域会发生广义流变破坏,而在区和区下半部分则不会发生广义流变破坏,从而对破坏后的围岩进行刚性支护使残余强度增大,提高围岩的稳定性。4)对于破坏后的围岩,通过研发新型高分子材料进行注浆,提高围岩的强度,降低流变应力水平,延长隧洞流变破坏寿命。5)在本构方程(5)的基础上,优化可变模量本构方程,对开挖扰动区围岩变形情况进行数值模拟,根据应力释放结果实时进行二衬加固,提高围岩的稳定性。4 结 论不良地质的裂隙岩体工程中,围岩的流变特征既不是纯蠕变,也不是纯应力松弛,而是随着时间的延长应力和应变同时变化,表现出广义流变特征。本文系统梳理了裂隙岩体广义流变行为和动态演化过程,分析了不同加载条件下广义流变的相似性和差异性,对比分析得到裂隙岩体开挖扰动区岩石广义流变具有明显的围压影响效应,并得到广义流变等时线近似于全应力 应变曲线向内的收缩线。结合广义流变的这两个结论,构建了可变模量本构方程,推导了蠕变应变和蠕变破坏寿命的解析解,得到蠕变应变随着蠕变应力水平的增加而增大,蠕变破坏寿命随着蠕变应力水平的增加而减小。对于开挖扰动区的岩石,选择合理的支护时间,通过弹性和刚性支护来提高岩壁的支护反力,延长隧道围岩破坏寿命,提高隧道的长期稳定性,预测不良地质条件下裂隙岩体隧道工程寿命。参考文献(References):1 吴浩金.浅谈不良地质高边坡局部坍塌处理J.广东交通职业技术学院学报,2011,10(1):4042.WU H J.A brief discussion on bad geological high slopepartial collapse processing J.Journal of GuangdongCommunications Polytechnic,2011,10(1):4042.2 蒋国富,贾艳领,戴文远.不良地质公路隧道施工围岩稳定性数值模拟分析J.西部交通科技,2010(1):6570.JIANG G F,JIA Y L,DAI W Y.The numericalsimulation analysis on construction in unfavorable geologyroad tunnelJ.Western China Communications Science&Technology,2010(1):6570.3 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strength recovers with the increase of time after therigid support,and there accompany both stress and strain changein the process of strength recovery.It is very hard that thisphenomenonisthoroughlyexplainedbypurecreepandrelaxation,which