了三轴力学性质测试，描述了软岩在饱水时间为 1 个月的全应力–应变曲线特征，重点探讨了围压和饱水状态对
软岩强度的影响规律，详细分析了二者对软岩强度变化的作用机制及特点。最后，根据围岩动态演化规律，结合
试验研究结论，提出高地应力软弱围岩的支护原则。
关键词：岩石力学；饱水软岩；力学性质软化；三轴试验；支护原则
摘要：常规三轴压缩试验一直是认识岩石在复杂环境(如地下水丰富和高地应力)下力学性质的主要手段，因此，
利用 XTR01–01 型微机控制电液伺服岩石三轴试验仪研究在不同饱水时间和不同围压下软岩强度的变化规律，
就宜万铁路堡镇隧道高地应力大变形段中所揭示的黑色炭质页岩设计了不同饱水状态下的三轴试验方案，并进行
收稿日期：2007–06–18；修回日期：2007–07–26 基金项目：国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA11Z119) 作者简介：郭富利(1976–)，男，2003 年毕业于太原理工大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学试验方面的研究工作。E-mail： guofuli1@
第 26 卷 第 11 期
郭富利，等. 地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究
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1引言
随着交通建设和采矿业的不断发展，越来越多 的隧道以及其他地下工程将不得不穿越软岩地层。 对于此类不良地质工程问题，软岩的力学特性研究 就成为了工程界最为关注的问题之一。
国内外学者[1～6]就围压对岩石力学强度的影响 做了大量的室内三轴试验。试验结果认为：(1) 岩 石抗压强度随着围压的增加而提高；(2) 饱水状态 对岩石力学强度影响的试验研究相对较少，一般认 为饱水时间越长，岩石抗压强度越低；(3) 同时考 虑地下水和围压对岩石力学强度影响的试验研究相 对较少。
Abstract：Baozhen tunnel is the only soft rock tunnel and the key project in the Yichang—Wanzhou Railway. The very complex geological environments，such as high earth stress，deep-buried rich groundwater，very weak and cracked rock masses and asymmetric pressure along the rock strata，make self-stability of the tunnel unfavorable. During tunnel construction，the high deformation rate，intense and long-time deformation are the basic characteristics. At the same time，the deformation shows asymmetrical features and uniformities. Through analyzing the causes of large deformation，it is deemed that groundwater and high earth stress are the critical factors causing large deformation. So using XTR01–01 microcomputer electro-hydraulic servo-controlled triaxial test instrument to study the change law of soft rock strength under different saturated time and confining pressure is significant to assure the design, construction and operation safety of tunnel. The mechanical behaviors of black macker that is widely distributed in Baozhen tunnel are discussed by designing a series of triaxial compressive tests under different saturated times；and research on variation laws of mechanical properties under different confining pressures and saturated times is carried out，describing complete stress-strain curve of macker(saturated time is 1 month) with different confining pressures. The variation laws along with confining pressure and saturated time are analyzed. In addition，the mechanism and relationship between confining pressure，saturated time and strength are researched. Finally，according to dynamic evolution law of adjacent rock，the supporting principles for large deformation in weak rock and high earth stress are put forward. Key words：rock mechanics；water-saturated soft rocks；softening of mechanical properties；triaxial test； supporting principles
图 3 为几条比较有代表性的全应力–应变曲线 (图中曲线上的数据为围压)。从炭质页岩三轴压缩 全过程典型曲线(见图 4)可以看出，炭质页岩的应 力–应变全过程曲线可以划分为 OA，AB，BC，CD， DE 五段，以峰值点 C 为界，全过程曲线可划分为 峰前控制电液伺服岩石三轴试验仪 Fig.1 Microcomputer electro-hydraulic servo-controlled
triaxial test machine XTR01–01
结合宜万铁路堡镇隧道重大工程建设，根据堡 镇隧道高地应力大变形段所揭示的围岩情况、地应 力和地下水分布情况以及现场监控量测资料和围岩 收敛变形特征，认为引起隧道大变形的主导因素是 软岩、高地应力和地下水。因此开展堡镇隧道高地 应力大变形段软岩在不同饱水时间和不同围压下力 学性质变化规律的室内试验研究，对于揭示软岩力 学性质的饱水软化和软岩强度随围压增加而提高的 本质和规律及指导大变形段工程支护实践具有重要 意义。试验岩样取自大变形段广泛分布的炭质页岩， 岩体中裂隙发育，失水易干裂，浸水易软化，岩体
堡镇隧道是宜万铁路建设的控制性工程之一， 地质条件之复杂实属罕见，工程特点可以概括为： 深埋、偏压、富水、高地应力，软岩、顺层、山高 谷深、地质复杂、施工风险多、科技含量大及建设 标准高。
3 软岩饱水的力学试验设计
XTR01–01 型微机控制电液伺服岩石三轴试 验仪(如图 1 所示)是由长春市新特技术有限责任公 司研制。由轴压系统、侧向压力系统、孔隙水系统 和微机系统 4 部分组成。试验机可作岩石单轴及三 轴(包括带孔隙水压)的各种试验。采用双层微机测 控配置，高分辨率快速全数字化自动控制技术，用 高级语言编制岩石力学性能试验专用的积木式控制 软件和可视软件支持，良好的中文人机交换界面， 自动数据采集，自动存储，屏幕动态显示试验全过 程[7]。
4 软岩饱水三轴试验结果及其分析
4.1 软岩全应力–应变曲线特征 首先，将所采集的岩样进行分类、选样并用油
性彩笔标号，选取饱水时间为 1 个月的岩样试件进 行试验。试验(包括单轴和三轴试验)采用轴向位移 控制，纵向应变率为 1×10－5 s－1。对于三轴压缩试 验采用先加围压至预定值，然后加轴向力直至试样 破坏。最后，根据计算机自动采集的数据进行统计 和拟合，绘出炭质页岩全应力–应变曲线。
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岩石力学与工程学报
2007 年
强度低，胶结程度差，易风化，地下水较发育。炭 质页岩容重为 27.19 kN/m3，含水率 2%～4%。试验 岩样尺寸为φ 50.00 mm×l00.00 mm，制样过程造成 的岩样尺寸误差为±0.4 mm，其试验设计流程如图 2 所示。本试验采用不同围压和不同饱水时间下炭质 页岩的三轴试验方法，试验采用轴向位移控制，速 率为 0.1 mm/min。
GUO Fuli，ZHANG Dingli，SU Jie，XIAO Congmiao
(Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)
中图分类号：TU 452
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2007)11–2324–09
EXPERIMENTAL STUDY ON INFLUENCES OF GROUNDWATER AND CONFINING PRESSURE ON MECHANICAL BEHAVIORS OF SOFT ROCKS
然而在实际岩体工程中，岩石一般处于三向应 力状态并同时承受地下水的作用。因此，围压和地 下水对岩石力学强度的影响规律研究就显得尤为重 要。鉴于此，本文以宜万铁路堡镇隧道高地应力大 变形段的炭质页岩为研究对象，结合围岩赋存条件， 利用常规三轴压缩试验研究围压和饱水时间对软岩 力学强度的影响规律，为堡镇隧道高地应力大变形 段的设计、施工和安全运营等提供理论依据，并根 据试验结果提出高地应力大变形段围岩的支护原 则。