巖體原位力學(xué)試驗(yàn)在滇中引水工程中應(yīng)用分析

趙科

摘要：當(dāng)前基于原位測(cè)試技術(shù)對(duì)工程巖體質(zhì)量進(jìn)行快速評(píng)價(jià)以及定量分析已經(jīng)取得很大進(jìn)步，從而極大推動(dòng)了工程地質(zhì)工作發(fā)展，而不僅僅是停留于定性評(píng)價(jià)以及經(jīng)驗(yàn)判斷階段?；谠粶y(cè)試，可以有效獲得其原始情況下的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)，繼而做出更為科學(xué)性的分析，本文就滇中引水工程可研階段巖體試驗(yàn)應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：引水工程;可研分析;巖體原位試驗(yàn);

就當(dāng)前而言，基于原位檢測(cè)技術(shù)對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估已經(jīng)取得較好的進(jìn)展。基于原位測(cè)試結(jié)果與大型試驗(yàn)相結(jié)合可以更為全面獲得工程巖體物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)指標(biāo)，從而為工程的后期設(shè)計(jì)以及施工等提供可靠指導(dǎo)意見。此外，原位測(cè)試所用設(shè)備也相對(duì)輕便，操作過程也比較簡(jiǎn)單，對(duì)于工作環(huán)境要求較低，因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛。此次依據(jù)筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，以滇中引水工程可研階段巖體試驗(yàn)為例，對(duì)原位測(cè)試應(yīng)用及其注意事項(xiàng)進(jìn)行分析。

1.工程概述

作為國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)修建的節(jié)水供水重大水利項(xiàng)目的標(biāo)志性項(xiàng)目，滇中引水工程是我國(guó)目前西南地區(qū)工程規(guī)模最大，耗資最多的水利資源配置項(xiàng)目之一。整個(gè)工程項(xiàng)目分為水源工程以及輸水工程兩個(gè)實(shí)施部分，前者主要位于麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)境內(nèi)，而后者主要以石鼓鎮(zhèn)為起點(diǎn)，經(jīng)過麗江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市最終流入紅河州新坡背內(nèi)，設(shè)計(jì)總的工程長(zhǎng)度661千米。整個(gè)工程沿線地形復(fù)雜，為了確保工程順利可靠進(jìn)行，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)延河流域進(jìn)行巖體情況了解。故此次項(xiàng)目工程委派我院就滇中引水工程玉溪段、大理II段相關(guān)勘探平硐內(nèi)進(jìn)行巖體原位力學(xué)測(cè)驗(yàn)，從而獲得相關(guān)巖體力學(xué)參數(shù)，以便于后期工程設(shè)計(jì)施工。

2.巖體原位試驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1試驗(yàn)設(shè)備

此次滇中引水可研階段試驗(yàn)主要采用液壓千斤頂、液壓泵及管路、壓力表、滾軸排、剛性承壓板、傳力管柱、測(cè)量支架、磁性表架、測(cè)表、鋼板、照明系統(tǒng)等設(shè)備。綜合分析該工程需要同時(shí)應(yīng)用直剪試驗(yàn)以及變形試驗(yàn)兩種。在直剪試驗(yàn)階段，首先對(duì)法向加力設(shè)備以及傳力設(shè)備進(jìn)行安裝，隨后安裝剪力設(shè)備。保持法向荷載與剪切面的垂直角度以及保證剪向荷載與剪切面相互平行，并控制其與剪切面的間距不應(yīng)當(dāng)大于試驗(yàn)體邊長(zhǎng)的5%。在試驗(yàn)體的兩端均增設(shè)法向及切向變形測(cè)量點(diǎn)，用于對(duì)試樣法向以及切向變形情況進(jìn)行實(shí)施檢測(cè);而在變形試驗(yàn)階段，則預(yù)先將供壓系統(tǒng)相關(guān)構(gòu)件均保持保持一致安裝于承壓板上，確保軸線與加壓方向的一致性。此外，在承壓板的對(duì)稱位置增設(shè)變形測(cè)量點(diǎn)，對(duì)加壓方向的變形情況進(jìn)行實(shí)施檢測(cè)。

2.2試驗(yàn)方法

巖體直剪、混凝土與巖體接觸面直剪、巖體變形試驗(yàn)（剛性承壓板法），三種試驗(yàn)方法的巖體力學(xué)加載平面示意圖如下圖1所示。

試驗(yàn)前，首先在平硐內(nèi)試驗(yàn)區(qū)均勻布置一系列試驗(yàn)點(diǎn)。詳細(xì)布置結(jié)果如下圖2所示。

直剪試驗(yàn)，針對(duì)試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)存在的浮渣以及巖塊等進(jìn)行清理。實(shí)際每組試驗(yàn)所用的混凝土以及巖體等均加工為五個(gè)試體，尺寸則控制為0.5×0.5×0.35m，各個(gè)之間的間距設(shè)置以不低于0.75m為宜。巖體試件澆筑鋼筋混凝土保護(hù)套?；炷翝仓鶐r面起伏差按0.5～1.0㎝控制，同一組試驗(yàn)起伏差宜一致。試件采用人工澆水養(yǎng)護(hù)，待混凝土齡期達(dá)到28天后進(jìn)行試驗(yàn)。基于時(shí)間逐級(jí)對(duì)法向荷載進(jìn)行加壓，每間隔五分鐘讀取一次位移數(shù)據(jù)。直到兩次讀取結(jié)果不高于0.01毫米時(shí)為穩(wěn)定時(shí)的值，隨即進(jìn)行再次加壓，直至試點(diǎn)預(yù)加法向荷載穩(wěn)定后即可進(jìn)行剪切荷載。執(zhí)行剪切荷載期間，應(yīng)當(dāng)依據(jù)預(yù)測(cè)最大力按8-12級(jí)進(jìn)行等量運(yùn)輸加壓，當(dāng)該級(jí)增量為前級(jí)1.5倍時(shí)，降低一半力，直到剪斷。同樣剪切荷載通過時(shí)間進(jìn)行勻速控制，每5分鐘進(jìn)行一次加載，并讀取變形數(shù)據(jù)。待實(shí)體徹底剪斷后，基于摩擦試驗(yàn)對(duì)剩下強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。

而巖體變形試驗(yàn)則主要采用承壓板法，以直徑50.5cm剛性承壓板進(jìn)行逐級(jí)加載負(fù)荷。加工試點(diǎn)過程中，對(duì)其表層潛在干擾進(jìn)行清除，試件表面采用人工與機(jī)械加工、砂輪打磨，起伏差距控制在0.5cm為宜，隨后在試件表面添加高標(biāo)號(hào)砂漿，承壓板緊壓穩(wěn)固在試驗(yàn)點(diǎn)上。承壓面以外1.5倍承壓板直徑范圍內(nèi)巖體表面應(yīng)平整，無松動(dòng)塊石。巖體試件和砂漿采用人工澆水養(yǎng)護(hù)，待高標(biāo)號(hào)砂漿養(yǎng)護(hù)兩周后可進(jìn)行試驗(yàn)。荷載按試驗(yàn)最大正應(yīng)力分5級(jí)施加。變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：每級(jí)壓力每隔10min讀數(shù)一次，當(dāng)滿足|△Ws/Ws|<5%時(shí)（式中：分子為測(cè)表相鄰兩次讀數(shù)差，分母為同級(jí)壓力下第一次讀數(shù)和前一級(jí)壓力下最后一次讀數(shù)差），可認(rèn)為穩(wěn)定，施加下一級(jí)壓力。

3.結(jié)果分析

本文以玉溪段大塘子隧洞出口XQPD3平硐工程為例進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。該段平硐長(zhǎng)度為67.5米，相關(guān)原位試驗(yàn)則設(shè)置于硐深24.7-42.0m一段的底板中，所有試驗(yàn)點(diǎn)均為水飽和狀態(tài)。

混凝土與巖體接觸面直剪試驗(yàn)結(jié)果，該試驗(yàn)段在硐深24.7-30.8m段，該區(qū)間巖體以砂巖為主，強(qiáng)風(fēng)化、蘭灰色、黃褐色，薄～中厚層狀?yuàn)A塊狀，裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀125°∠30°。試件面加工大致平整，起伏差一般0.5～1.0cm，澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，實(shí)測(cè)強(qiáng)度28.9MPa。正應(yīng)力為0.249MPa～1.210MPa，剪力方向?yàn)镹316°，抗剪斷試驗(yàn)剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)的剪切位移范圍4.31mm～8.75mm，抗剪（摩擦）試驗(yàn)剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)的剪切位移范圍2.32mm～5.18mm，如下圖所示：

巖體直剪試驗(yàn)：試驗(yàn)段在硐深33.1～40.2m段，巖體為黃褐色、蘭灰色、紫紅色薄層狀砂巖，巖層產(chǎn)狀125°∠30°，強(qiáng)風(fēng)化，泥化嚴(yán)重。試件較完整，垂直荷載根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，正應(yīng)力為0.249MPa～1.014MPa，剪力方向?yàn)镹315°，抗剪斷試驗(yàn)剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)的剪切位移范圍3.40mm～8.84mm，抗剪（摩擦）試驗(yàn)剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)的剪切位移范圍1.43mm～4.41mm。如下圖所示：

巖體變形試驗(yàn)：試驗(yàn)點(diǎn)位置在42.0m處，試驗(yàn)點(diǎn)巖體為薄層頁巖，全風(fēng)化，灰色、黃褐色，泥化嚴(yán)重，手摳掉塊，且部分呈軟塑狀，試驗(yàn)點(diǎn)加工平整。巖體在40～42m段為全風(fēng)化薄層頁巖，灰色夾黃褐色，巖層產(chǎn)狀132°∠42°，泥化嚴(yán)重，地質(zhì)要求在此段作變形試驗(yàn)。正應(yīng)力與變形P～W關(guān)系曲線如下圖所示。試驗(yàn)正應(yīng)力在0～1.216 MPa范圍內(nèi)分五級(jí)施加，在最大正應(yīng)力1.216MPa時(shí)，試驗(yàn)點(diǎn)變形模量365MPa，彈性模量1075MPa。

4.結(jié)束語

總體而言，基于巖體原位力學(xué)試驗(yàn)，極大提高了國(guó)內(nèi)在科學(xué)測(cè)量巖體物理力學(xué)參數(shù)等方面研究水平，可以為工程設(shè)計(jì)單位以及施工部門等提供更為科學(xué)的參考指標(biāo)。此次以滇中引水工程為例，對(duì)巖體直剪、混凝土與巖體接觸面直剪強(qiáng)度參數(shù)、巖體變形特征參數(shù)進(jìn)行整理研究。此次只是針對(duì)一段區(qū)間進(jìn)行試點(diǎn)測(cè)試，而實(shí)際平硐長(zhǎng)度達(dá)數(shù)十米，因此結(jié)構(gòu)構(gòu)造各方面也不盡相同，實(shí)際在使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能結(jié)合圍巖地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行綜合性的分析判評(píng)定。

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