水利工程邊坡含夾層軟弱巖體工程力學(xué)性質(zhì)試驗研究

鄭 揚

(桐廬富春水利水電建筑有限公司，浙江 杭州 311500)

水利工程尤其是大型水電站常常建設(shè)在山區(qū)，高山較多、地質(zhì)構(gòu)造運動復(fù)雜，因此水利工程邊坡穩(wěn)定性存在很大的風(fēng)險，對水電站工程安全性也是很大的威脅[1- 3]。因此，研究水利工程邊坡含夾層軟弱巖體的工程力學(xué)性質(zhì)具有重要意義。

受地質(zhì)構(gòu)造運動影響，巖體邊坡中常存在一定的軟弱夾層，威脅了水利工程的長期安全性。大量現(xiàn)有研究表明，我國山區(qū)邊坡中巖體較為常見的軟弱夾層為泥巖或破碎風(fēng)化巖，導(dǎo)致巖體的力學(xué)性質(zhì)變差，同時在降雨條件下也更容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)滑動的問題[4- 6]。此外，部分學(xué)者指出，含水率是影響邊坡巖體力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。一般而言，含水率越高，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的膠結(jié)能力也就越弱；同時水分會導(dǎo)致巖石內(nèi)部顆粒流失，巖石內(nèi)部產(chǎn)生一定范圍的孔隙。因此，學(xué)者們認(rèn)為，含水率越高，巖石的承載能力就越弱，則邊坡的穩(wěn)定性也就越差[7- 9]。

綜上所述，現(xiàn)有研究關(guān)于不同含水率下含軟弱夾層巖體工程力學(xué)性質(zhì)的綜合研究較少。因此，本文基于單軸壓縮力學(xué)試驗，對不同含水率、不同夾層傾角條件下的含軟弱夾層巖體的力學(xué)性質(zhì)展開了綜合研究。研究成果為我國水利工程邊坡設(shè)計提供了一定的數(shù)據(jù)借鑒作用。

1 試驗

1.1 試樣制備

本次研究依托于四川省某大型水電站山體邊坡加固工程，該工程主要服務(wù)為滿足水力發(fā)電及蓄洪功能需求，此外還需要服務(wù)區(qū)域部分地區(qū)的水利灌溉作用。根據(jù)資料調(diào)查及前期工程現(xiàn)場工程地質(zhì)勘察資料可知，該水電站邊坡巖的主要組成為砂巖，但是，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運動影響，水電站邊坡內(nèi)發(fā)現(xiàn)大范圍的薄層泥巖軟弱夾層的存在。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)地區(qū)軟弱泥巖夾層的平均厚度約為30mm。此外，根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，相較于砂巖巖塊，薄層泥巖的強度較低，且遇水易變形軟化，力學(xué)性質(zhì)變差。因此可見，薄層泥巖對水電站邊坡的穩(wěn)定性具有很大的影響。參照現(xiàn)有組合巖體室內(nèi)模擬試驗，利用混凝土制備材料和石膏分別模擬夾層巖體中的硬、軟巖部分，其中石膏層厚為20.00mm夾層傾角分別為0°、30°、45°和60°。按照相關(guān)試驗規(guī)范要求，對軟、硬部分進行組合、膠結(jié)，最終制備得到直徑為50mm、高度為100mm的標(biāo)準(zhǔn)工程試驗巖體[10]，其具體物理參數(shù)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

本次試驗分別研究了夾層傾角、含水率對軟弱巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，室內(nèi)對含軟弱夾層復(fù)合巖體開展了力學(xué)實驗。在試驗過程中，首先以1kN的軸向荷載將含軟弱夾層巖體試樣固定在如圖1所示試驗臺上，此后，利用位移控制模式進行加載，加載速度為0.01mm/min，直至試樣破壞。在試驗過程中，利用試驗設(shè)備電子位移計全程對巖體的軸向變形進行測量與記錄，以得到巖體完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗結(jié)果，分析其變形特性。

表1 含軟弱夾層巖體物理參數(shù)

圖1 YAW- 2000型萬能試驗機

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

基于室內(nèi)含軟弱夾層巖體試樣的單軸壓縮試驗得到圖2，由圖2可知，當(dāng)軸向荷載較小時，巖體內(nèi)的原生孔隙得到壓密；此后，隨著軸向荷載的增大，巖體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進入彈性變形階段，此階段巖體的軸向變形隨荷載增大而呈現(xiàn)出線性增大的變化關(guān)系。在此之后，巖體屈服直至破壞，試驗結(jié)束。分析巖體變形破壞后特征可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夾層傾角為0°時，含軟弱夾層巖體試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈脆性破壞特征，達(dá)到峰值應(yīng)力后其應(yīng)力-應(yīng)變曲線迅速跌落；而當(dāng)夾層傾角為30°、45°和60°時，含軟弱夾層巖體試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出一定的脆-延性破壞特征，達(dá)到峰值應(yīng)力后其應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降速度慢，且具有較明顯的峰后殘余強度特征。

圖2 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 含水率影響分析

基于室內(nèi)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗結(jié)果，得到在相同夾層傾角條件下(0°)，含夾層軟弱巖體的抗壓強度隨含水率變化關(guān)系見表2。由表可知，隨著含水率的增加，含夾層軟弱巖體的抗壓強度呈現(xiàn)出逐漸變小的變化趨勢。當(dāng)含夾層軟弱巖體的含水率為3%時，巖體的抗壓強度為11.06MPa。此后，隨著含水率的增加，巖體的抗壓強度逐漸降低。當(dāng)巖體的含水率分別為6%和9%，此時其強度則分別為9.85MPa和8.33MPa，相對含水率3%時降低10.94%和18.19%，強度下降幅度非常明顯。分析認(rèn)為，這是由于當(dāng)巖體中存在大量水分子時，組合巖體尤其是其軟巖部分內(nèi)部膠結(jié)結(jié)構(gòu)會被破壞；此外，在通過浸水對巖石含水率進行控制和調(diào)整的過程中，由于水分的流失會帶走巖石內(nèi)部細(xì)小顆粒，導(dǎo)致巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)逐漸破壞、流失，巖石內(nèi)部會形成一定數(shù)量的孔隙。綜上所述，巖體的抗壓強度隨著含水率的增加而逐漸降低[10- 11]。

表2 含夾層軟弱巖體的抗壓強度隨含水率變化關(guān)系

2.3 夾層傾角影響分析

當(dāng)含水率均為3%時，不同夾層傾角條件下含夾層軟弱巖體的抗壓強度見表3。由表3可知，隨著夾層傾角的逐漸增大，含夾層軟弱巖體的抗壓強度呈現(xiàn)先降低后增大的變化規(guī)律。當(dāng)含夾層軟弱巖體的夾層傾角為0°時，巖體的抗壓強度為11.06MPa。此后，隨著夾層傾角的增加，巖體的抗壓強度分別為8.87MPa、6.78MPa和7.52MPa。由此可見，軟弱夾層傾角對組合巖體力學(xué)性質(zhì)的影響較為復(fù)雜，當(dāng)夾層傾角為45°

表3 含夾層軟弱巖體的抗壓強度隨夾層傾角變化關(guān)系

時，巖體的單軸抗壓強度最低，較含水平軟弱夾層的巖體下降了39.70%，下降幅度非常明顯。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)夾層傾角為0°時，含軟弱夾層巖體試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈脆性破壞特征；而當(dāng)夾層傾角為30°、45°和60°時，含軟弱夾層巖體試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出一定的脆-延性破壞特征。

(2)隨著含水率的增加，含夾層軟弱巖體的抗壓強度逐漸變小，巖體力學(xué)性質(zhì)明顯劣化；相較之下，巖體抗壓強度隨著夾層傾角的增大而先降低后增大，不同夾層傾角下巖體的抗壓強度分別為11.06MPa、8.87MPa、6.78MPa和7.52MPa。

(3)本次研究僅從力學(xué)角度研究了含水率和夾層傾角對軟弱巖體工程性質(zhì)的影響，而缺乏微觀角度的極力解釋，下一步應(yīng)當(dāng)對破壞后的巖體展開微觀電鏡掃描試驗并展開研究。