片理角度對綠泥石片巖強度控制的研究★

孫澤寧，劉珠蘭，劉洪建

(青島理工大學，山東 青島 266000)

1 概述

中國西南地區(qū)廣泛分布綠泥石英片巖，邊坡工程問題多發(fā)，與片巖具有片理構(gòu)造、力學性質(zhì)具有各向異性特征有著密切關(guān)系，但目前對綠泥石片巖完整的力學性質(zhì)研究依舊缺乏。鄒浩等[1]對武當石英片巖對隧洞安全性的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)由于各項異性，不同剪應(yīng)力及片理角度下的破壞形式不同；陳懿，周亞軍等[2]對片理角度為0°和90°的綠泥石片巖進行了單軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)當片理角度不同時，巖石的彈模、泊松比等都大不相同；衡帥等[3]對頁巖各項異性進行研究，但對片理巖石涉及較少。

陡崖穩(wěn)定性研究目前還不成熟，近些年由于崖坡崩落所造成的人員傷亡頻繁發(fā)生(見表1)?；诖朔N情況，朱林[4]、劉勝利[5]、龍海濤[6]等都對片理影響下的崖坡穩(wěn)定性進行了相關(guān)研究，但其研究中均未能完整體現(xiàn)片理對崖坡的控制作用。基于此種情況，本文以黃藏寺水利樞紐工程，對0°，15°，45°，75°，90°的綠泥石片巖進行了室內(nèi)試驗，研究其完整力學性質(zhì)變化曲線，并以此建立不同片理角度的BBM-DFN陡崖模型，分析不同片理角度對崖坡穩(wěn)定性的影響。

表1 國內(nèi)外高陡崖坡巖崩案例不完全統(tǒng)計

2 室內(nèi)試驗

2.1 工程概況

黃藏寺水利樞紐工程坐落于黑河的上游，壩址區(qū)是位于黃藏寺村以下11 km的黑河干流峽谷進口段，河水面高程2 520 m～2 530 m。黃藏寺壩址“V”型河谷狹窄，河床覆蓋層及岸邊松散堆積物厚度不大，基巖以寒武系中統(tǒng)的石英片巖為主，從總體上來說為中硬巖，巖體局部為含有綠泥石白云母片巖或白云母綠泥石片巖的軟質(zhì)巖，其含量大約為5%。

2.2 試樣制備

本次加工試樣角度θ為0°，15°，45°，75°，90°等5個角度，不同片理角度的綠泥石云母片巖圖見圖1，圖中箭頭為片理角度方向。本次巖樣的平均密度2 750 kg/m3，試樣兩端上下表面平整度的誤差為±0.1 mm，端面垂直于試件軸線，允許偏差為±0.25°，試件加工精度按SL/T 264—2020水利水電巖石試驗規(guī)程執(zhí)行。其中試樣分為天然干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)的綠泥石云母片巖，飽和狀態(tài)試樣的處理方式為：使用烘干箱對自然試樣烘干24 h之后再于常溫真空罐內(nèi)水浸泡48 h取出立即進行試驗。

2.3 試驗方案

單軸壓縮試驗采用中國科學院武漢巖土力學研究所RMT-150C巖石力學試驗系統(tǒng)，考慮天然狀態(tài)下，不同片理角度的綠泥石云母片巖在單軸受壓時的變形及破壞規(guī)律，全方位得出片理角度對巖樣力學性質(zhì)的影響。

具體試驗方案見表2。試驗圖見圖2。

表2 單軸壓縮試驗方案

2.4 各項異性及強度特征變化規(guī)律

2.4.1 單軸壓縮試驗結(jié)果

通過室內(nèi)單軸試驗發(fā)現(xiàn)(見表3)：當片理角度θ=0°時，巖樣平均強度為105.34 MPa，波動區(qū)間為95 MPa～125 MPa，數(shù)據(jù)的標準離差率為10.68%；當片理角度θ=15°時，巖樣平均強度為87.6 MPa，波動區(qū)間為76 MPa～118 MPa，標準離差率為17.98%；當片理角度θ=45°時，巖樣平均強度為74.54 MPa，波動區(qū)間為62 MPa～93 MPa，標準離差率為14.42%；當片理角度θ=75°時，巖樣平均強度為60.63 MPa，波動區(qū)間為50 MPa～75 MPa，標準離差率為15.74%；當片理角度θ=90°時，巖樣平均強度為88.7 MPa，波動區(qū)間為73 MPa～99 MPa，標準離差率為10.4%。綜上所述可以看到巖樣的平均強度隨片理角度增大呈現(xiàn)“V”字形(見圖3)，標準離差率整體符合要求。

表3 單軸受壓試驗數(shù)據(jù)表

2.4.2 破裂形態(tài)

從圖4巖樣裂紋分布圖中可以看到，當巖樣片理角度為0°和15°時(見圖4(a)和圖4(b))，巖樣破壞以剪切破壞為主，破裂面穿過片理面，屬于破裂面穿過片理面的剪切破壞；而當片理角度大于45°時(見圖4(c)和圖4(d))，拉伸破壞逐漸出現(xiàn)，且破裂面與片理角度逐漸平行，屬于平行于片理面的剪切-拉伸破壞；最后當片理角度達到90°，就是片理方向和受力方向平行時(見圖4(e))，巖樣呈現(xiàn)縱向裂紋貫穿的劈裂狀態(tài)。

3 片理角度對陡崖穩(wěn)定性控制因素

3.1 黃藏寺左岸陡崖工程概況

本文基于黃藏寺水利樞紐左岸巖質(zhì)高陡崖坡工程實際，利用3DEC數(shù)值模擬軟件中所建立的BBM-DFN模型進行高陡崖坡穩(wěn)定性計算，探究不同巖石片理角度對該崖坡發(fā)生巖崩位置及可能性的影響，讓后續(xù)壩體施工及高陡崖坡加固作為參考，并提出一些有指導性的施工建議。

3.2 黃藏寺左岸陡崖工程模型的建立與參數(shù)選取

本次研究主要是陡崖表面巖石的崩落，故只選取高程2 620 m以上的強風化強卸荷層進行建模(見圖5)，模型一最大高度為115 m，X向最大為248 m，最大限度的考慮了陡崖可能發(fā)生崩落的位置，Y向厚度70 m，共7個，片理角度分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°。參數(shù)表為表4，表5。

表4 巖體參數(shù)表

表5 細觀節(jié)理參數(shù)表

3.3 不同片理角度模型模擬

考慮到在片理巖室內(nèi)試驗中，巖石片理角度不同對于巖石的特性參數(shù)有著十分重要的影響，故在陡崖穩(wěn)定性計算中加入了不同片理角度對陡崖穩(wěn)定性影響，參數(shù)采用正常陡崖參數(shù)，片理采用DFN節(jié)理切割模型，選取密度為0.2，角度分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°建立7種不同片理角度的陡崖模型。不同工況趨勢曲線見圖6。

筆者對比片理角度為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°的陡崖位移和裂紋，表明片理角度對其穩(wěn)定性有一定影響。從破壞裂紋數(shù)的變化可以看出，隨著片理角度升高，剪切破壞裂紋數(shù)整體呈下降趨勢，其中片理角度為45°的破壞裂紋數(shù)突然升高，說明當片理角度為45°時，陡崖抗剪強度有一定程度的下降；拉破壞裂紋數(shù)則呈現(xiàn)波動狀，除片理角度為45°與剪切裂紋情況相同外，隨著片理角度變化，片理角度為15°的裂紋數(shù)略高于片理角度為0°，而片理角度為30°裂紋數(shù)又略小于片理角度為0°，在經(jīng)過片理角度為45°后，片理角度為60°的抗拉裂紋數(shù)有大幅減少，少于片理角度為30°時，但后續(xù)隨著片理角度增大，抗拉裂紋數(shù)反而逐漸升高?？偭鸭y數(shù)在片理角度為75°時最少，而在片理角度為45°時最多，可以推斷出在片理角度為45°時陡崖穩(wěn)定性最差，片理角度為75°時陡崖穩(wěn)定性最高。

4 結(jié)論

1)針對黃藏寺工程的綠泥石云母片巖，通過單軸壓縮試驗，研究不同片理角度綠泥石云母片巖的力學參數(shù)，試驗結(jié)果表明，隨著片理角度的增加，單軸抗壓強度呈先減小后增加的“V”字型布置，巖石破壞形式破裂也由剪切、拉剪變?yōu)榕哑茐臑橹鳌?/p>

2)片理角度的變化對巖石剪切及拉伸破壞均有影響，可知隨片理角度增高，陡崖坡的巖崩危險有著明顯的變化，片理角度45°時危險系數(shù)最高，片理角度為75°時危險最低，得出的結(jié)論為片理角度在高陡崖坡巖崩的研究中不可忽略的一個因素。