碎裂巖體等效工程特性試驗(yàn)研究

謝曄,荀曉慧,魏玉峰,聶德新

(成都理工大學(xué),成都 610059)

1 引言

受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造應(yīng)力作用,天然巖體中存在著大量可見(jiàn)或微裂隙[1]。對(duì)巖體結(jié)構(gòu)和其物理力學(xué)特征進(jìn)行研究是巖體力學(xué)的基本問(wèn)題。經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的長(zhǎng)期地質(zhì)演化和復(fù)雜構(gòu)造,巖石受到累積應(yīng)力的作用,存在著各種不同尺度的不連續(xù)面,從中、微裂縫到大型斷層和褶皺。這些軟弱帶由于其強(qiáng)度、剛度和抗變形能力較低,對(duì)巖石的完整性乃至整體力學(xué)性能有很大的負(fù)面影響。尤其針對(duì)碎裂巖體此類力學(xué)性質(zhì)較差的巖體,對(duì)其工程特性進(jìn)行研究,是評(píng)價(jià)巖體是否適用于工程實(shí)踐的關(guān)鍵[2]。

在過(guò)去的幾十年里,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者們對(duì)于碎裂巖體的工程特性有著廣泛關(guān)注。聶德新等[3-5]首先于1994年提出了巖體強(qiáng)度再生理論,認(rèn)為作用于軟弱結(jié)構(gòu)面上的正應(yīng)力可以一定程度上改善軟弱夾層的力學(xué)性質(zhì),生成與新的地質(zhì)環(huán)境相適應(yīng)的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)特征下巖體的力學(xué)性質(zhì)將會(huì)恢復(fù)至新的強(qiáng)度;郭啟良[6]認(rèn)為,盡管巖體的結(jié)構(gòu)與完整程度各不相同,但在原地狀態(tài)下大都具有一定的承載力;Heping Xie等[7]和Pei J L等[8]對(duì)天然裂隙大理巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)。認(rèn)為天然裂隙巖石的破壞特征受裂隙分布和裂隙形態(tài)的控制,是一個(gè)局部漸進(jìn)的破壞過(guò)程,最終是突然破壞。盡管天然巖石比類巖石材料更難達(dá)到理想的效果,但天然巖石的試驗(yàn)研究能更好地揭示實(shí)際巖石的工程特性。

在巖體的等效力學(xué)特征研究上,Singh[9-10]提出了節(jié)理巖體的連續(xù)介質(zhì)表征方法,并給出了等效連續(xù)介質(zhì)各向異性巖體彈性模量的估算公式。Zienkiewicz等人[11]使用了等效連續(xù)體方法(稱為多層模型)來(lái)模擬不連續(xù)巖體;Gerrard[12]還使用了等效連續(xù)體方法,將單元的柔度表示為完整巖石的柔度和單個(gè)節(jié)理組的柔度之和;Fossum[13]提出了估算隨機(jī)節(jié)理巖體有效彈性性質(zhì)的關(guān)系式;Chen[14]基于彈性巖石基質(zhì)和具有非線性法向和剪切響應(yīng)的節(jié)理組之間應(yīng)變分配的連續(xù)介質(zhì)假設(shè),提出了節(jié)理介質(zhì)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的速率方程;Duncanh和Goodman[15]將節(jié)理巖體描述為等效的各向異性連續(xù)體;Amadei和Goodman[16]在對(duì)節(jié)理巖體建模的嘗試中,在為裂隙巖體開(kāi)發(fā)的本構(gòu)關(guān)系中隱含地考慮了節(jié)理的影響;Wei和Hudson[17]開(kāi)發(fā)了一種等效材料方法,根據(jù)不連續(xù)面的幾何和力學(xué)性質(zhì)估算變形模量。

在關(guān)于碎裂巖體的力學(xué)試驗(yàn)研究方面,目前最常用的方法就是采用相似材料進(jìn)行配比來(lái)代替巖石材料進(jìn)行試驗(yàn)。如廖美春[18]采用石膏模型來(lái)代替巖體對(duì)深埋隧洞(廠房)開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生的分區(qū)破裂現(xiàn)象進(jìn)行物理模擬;也有學(xué)者[19-20]根據(jù)相似原理設(shè)置物理模擬材料,通過(guò)插入鋁皮設(shè)置節(jié)理縫隙,探究了經(jīng)錨桿加固后碎裂巖體的力學(xué)特征;印度的Tiwari[21]通過(guò)石灰與細(xì)砂經(jīng)過(guò)一定配比制作巖石試樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)。

對(duì)于非原巖材料制樣的模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō),試驗(yàn)結(jié)果并不能真實(shí)地反映巖體的真實(shí)參數(shù),怎樣才能得到巖體的真實(shí)參數(shù)是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。對(duì)于大多數(shù)巖石工程,現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件總是復(fù)雜多變的,現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)總是難以控制[22]。此外,由于不同位置工程巖體的地質(zhì)特征不同,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果往往反映局部場(chǎng)地,即試驗(yàn)結(jié)果僅對(duì)試驗(yàn)區(qū)域有效,而不適用于整個(gè)工程區(qū)域。因此,在有關(guān)天然狀態(tài)下碎裂巖體的工程特性方面的研究,目前少有考慮巖體的賦存環(huán)境。本文通過(guò)分析碎裂巖體的成巖過(guò)程,結(jié)合國(guó)內(nèi)外沉積物壓密試驗(yàn)成果,以公伯峽水電站碎裂巖體為研究對(duì)象,開(kāi)展室內(nèi)等效壓密實(shí)驗(yàn),從而對(duì)碎裂巖體的等效工程特性進(jìn)行探討。

2 碎裂巖體天然狀態(tài)物理性質(zhì)

2.1 粒度成分

圖1 向家壩左岸擠壓帶碎裂巖體

根據(jù)谷德振先生在《巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)》[23]提出的巖體結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為,受構(gòu)造或風(fēng)化作用影響、由巖屑和碎屑組成的結(jié)構(gòu)面間距不超過(guò)50 cm的巖體為碎裂巖體。而《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287-2006)[24]將碎裂結(jié)構(gòu)巖體又進(jìn)一步細(xì)分為兩大類:結(jié)構(gòu)面間距在10～30 cm之間的為塊裂結(jié)構(gòu)巖體和結(jié)構(gòu)面間距小于10 cm的為碎裂結(jié)構(gòu)。上述兩種碎裂巖體結(jié)構(gòu)劃分依據(jù)均為巖體結(jié)構(gòu)面間距,而在構(gòu)造或風(fēng)化作用強(qiáng)烈地區(qū)的碎裂巖體,其結(jié)構(gòu)特征往往受大量發(fā)育、不規(guī)則的微小結(jié)構(gòu)面控制,這些微小的裂紋尚未貫通擴(kuò)展為裂隙面,但在開(kāi)挖、爆破等沖擊震動(dòng)作用下極易相互貫通,形成形狀各異的短小裂隙,裂隙之間經(jīng)過(guò)相互交切,使巖體顯得十分破碎。針對(duì)此類破碎較強(qiáng)的巖體,其結(jié)構(gòu)面間距測(cè)量工作開(kāi)展往往相對(duì)困難,為了進(jìn)一步獲取碎裂巖體的結(jié)構(gòu)尺度特征,本文對(duì)向家壩左岸擠壓帶(圖1)、溪洛渡玄武巖層間錯(cuò)動(dòng)帶(圖2)和白鶴灘水電站柱狀節(jié)理碎裂巖體(圖3)進(jìn)行取樣分析,通過(guò)室內(nèi)篩分實(shí)驗(yàn),獲取不同電站碎裂巖體級(jí)配特征如圖4～6。

圖2 溪洛渡玄武巖錯(cuò)動(dòng)帶

圖3 白鶴灘柱狀節(jié)理碎裂玄武巖

圖4 白鶴灘水電站碎裂巖體級(jí)配曲線

圖5 溪洛渡水電站碎裂巖體級(jí)配曲線

圖6 向家壩水電站碎裂巖體級(jí)配曲線

從不同水電站壩址區(qū)碎裂巖體級(jí)配曲線中可以看出,試樣中塊度在10 cm以下的土重含量均大于80%,且基本不含黏粒,該試驗(yàn)結(jié)果與上述關(guān)于碎裂巖體塊度的規(guī)定有著很好的對(duì)應(yīng)性。因此,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,對(duì)于碎裂巖體結(jié)構(gòu)也可以通過(guò)巖體塊度指標(biāo)進(jìn)行定義為:由構(gòu)造作用形成的、塊度在10 cm以下的巖塊或碎屑;由風(fēng)化卸荷形成的塊度在10～30 cm之間的巖塊或碎屑。

2.2 物理指標(biāo)

碎裂巖體由于其特殊的結(jié)構(gòu)性易受擾動(dòng)而解體,因此在取樣過(guò)程中稍有碰撞或沖擊就會(huì)破壞其原狀性質(zhì)。為了盡量獲取巖體真正原位狀態(tài)下的物理指標(biāo),避免鉆探過(guò)程中沖洗液浸泡導(dǎo)致巖體含水率增大,利用減震法將錯(cuò)動(dòng)帶上層完整巖體削去,采用團(tuán)隊(duì)新開(kāi)發(fā)的原位取樣技術(shù),獲取溪洛渡水電站和白鶴灘水電站壩址區(qū)層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶以及向家壩水電站左壩肩破碎帶碎裂巖體未松弛狀態(tài)下的原狀試樣(圖7)。通過(guò)上述取樣方法獲取的試樣是在打開(kāi)巖蓋后即刻進(jìn)行的,且采用了特質(zhì)的材料進(jìn)行包裹,能夠有效避免巖體長(zhǎng)時(shí)間暴露后吸水或者松弛,通過(guò)室內(nèi)比重試驗(yàn)、及烘干實(shí)驗(yàn),獲取不同壩址區(qū)碎裂巖體原狀試樣密度及含水率如表1～3所示。

圖7 碎裂巖體原狀樣取樣過(guò)程

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出,原位狀態(tài)下的碎裂巖體具有較高的密度和較低的含水率,天然密度在2.3～2.5 g/cm3之間,干密度在2.3～2.4 g/cm3之間含,水率基本在3%～6%之間。且從溪洛渡水電站收集到的試樣室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖7)可以看出,隨著距離洞壁深度的增加,巖體的含水率逐漸降低,密度逐漸增大。這是由于位于深部的巖體未受擾動(dòng),避免了表部風(fēng)華剝蝕,能夠基本保持早期構(gòu)造或重力壓密的狀態(tài)。由此可以看出,巖體的物理指標(biāo)很大程度受巖體所處的地質(zhì)環(huán)境影響,深埋狀態(tài)下的碎裂巖體應(yīng)具有相對(duì)較高的密度和較低的含水率特性。

表1 溪洛渡碎裂巖體物理性質(zhì)

表2 白鶴灘碎裂巖體物理性質(zhì)

表3 向家壩碎裂巖體物理性質(zhì)

3 國(guó)外自重壓密試驗(yàn)成果分析

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中巖體在高地應(yīng)力條件下會(huì)產(chǎn)生褶皺和斷層,斷層錯(cuò)動(dòng)繼而引起巖體發(fā)生變形和破碎,在剪脹作用下碎裂的巖塊之間出現(xiàn)空隙,新出現(xiàn)的空隙使原有的巖體體積變大,隨著時(shí)間推移,當(dāng)后期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不再劇烈或構(gòu)造應(yīng)力達(dá)不到形成斷層時(shí)的應(yīng)力量值時(shí),此時(shí)巖體受上覆新的沉積物自重應(yīng)力作用而被逐漸填充、擠壓,從而體積減小、密度增大。通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)自重壓密的研究成果,獲取不同沉積物蓋層厚度-干密度關(guān)系曲線圖、孔隙比-壓力曲線圖如圖8。

在不同蓋層厚度下孔隙比和蓋層壓力關(guān)系曲線如圖8所示,方程對(duì)應(yīng)的干密度和孔隙比指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 國(guó)外不同沉積物孔隙比、壓力關(guān)系匯總表

圖8 國(guó)內(nèi)外不同蓋層厚度物理指標(biāo)關(guān)系曲線

從收集的資料可以看出,當(dāng)沉積物干密度在2.3～2.4 g/cm3之間時(shí),所承受的壓力在50～60 MPa左右,因此可以認(rèn)為,現(xiàn)場(chǎng)獲取的試樣在歷史上曾受到的壓力達(dá)50～60 MPa。

4 碎裂巖體等效壓密試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)依據(jù)

由于組成碎裂巖體的巖塊或碎屑本身的抗變形能力較大,通常認(rèn)為其是不可壓縮的剛體,因此碎裂巖體壓縮的實(shí)質(zhì)可以被看作是巖塊或巖屑之間空隙被填充或擠壓的過(guò)程,巖體的孔隙比計(jì)算公式可以表示為:孔隙比=空隙體積/塊體體積。

通過(guò)對(duì)公伯峽水電站右岸壩址區(qū)揭露的巖層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),臨近古風(fēng)化花崗巖中隨處可見(jiàn)嵌入的第三系紅色礫砂巖(圖9),對(duì)二者進(jìn)行物理指標(biāo)參數(shù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其密度基本一致。從兩種不同的巖性成巖過(guò)程來(lái)看,紅色礫砂巖是在臨夏組地層沉積時(shí)填充至斷層或褶皺中,隨古風(fēng)化花崗巖一同經(jīng)歷重力壓密作用,即使花崗巖無(wú)論從結(jié)構(gòu)還是構(gòu)造上密度都要比礫砂巖要低,但經(jīng)歷了相同歷史時(shí)間的壓密和重分布,最終導(dǎo)致兩者在密度和物理力學(xué)性質(zhì)上保持高度的相似性。由此可以看出,雖然天然壓密條件下存在一定的時(shí)間效應(yīng),原位碎裂巖體的強(qiáng)度和壓縮量更大,但同時(shí)可以作為室內(nèi)等效壓密實(shí)驗(yàn)結(jié)果的安全冗余度來(lái)考慮,即天然碎裂巖體的室內(nèi)等效壓密與天然地質(zhì)條件下的壓密結(jié)果應(yīng)該是具有等效性的。

圖9 公伯峽水電站右岸揭露的巖層

根據(jù)實(shí)際工程調(diào)查結(jié)果可以看出,原巖狀態(tài)下的碎裂巖體即使被大量發(fā)育的隨機(jī)節(jié)理相互切割,但在長(zhǎng)時(shí)間重力壓密條件下,如果未發(fā)生錯(cuò)動(dòng),其結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)仍具有一定的完整性和較高的強(qiáng)度及模量。通過(guò)室內(nèi)高精度壓密試驗(yàn),理論上可以對(duì)相同碎裂程度的巖塊進(jìn)行等效壓密恢復(fù)至原巖狀態(tài)下巖體的物理狀態(tài),即給予巖體歷史上經(jīng)受的天然壓力進(jìn)行壓密,應(yīng)該能夠獲取與野外原位狀態(tài)下相近的密度、孔隙比等物理指標(biāo)。根據(jù)胡克定律:

σ=E·Es

(1)

式中,σ為應(yīng)力;E為彈性模量;Es為壓縮模量。

(2)

式中,P為壓力(MPa);S為不同壓力下對(duì)應(yīng)的壓縮量(應(yīng)變)。

根據(jù)前述等效壓密原理,在室內(nèi)高精度加壓條件下,是否能獲得與天然地質(zhì)條件下碎裂巖體相同或接近的壓縮模量,是檢驗(yàn)室內(nèi)等效試驗(yàn)結(jié)果的可靠依據(jù)。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用是團(tuán)隊(duì)所在單位國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)的美國(guó)MTS巖石試驗(yàn)機(jī),儀器主要由伺服機(jī)操作系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)組成,其中,試驗(yàn)伺服控制系統(tǒng)可以記錄試樣加載全過(guò)程壓力、變形曲線。試驗(yàn)加壓裝置采用特質(zhì)的具有極高強(qiáng)度、抗變形能力達(dá)1 000 MPa的模具及加壓活塞,模具外徑250 mm,內(nèi)徑與加壓活塞尺寸相同,為50 mm。加壓過(guò)程如圖10所示。由圖10(e)、(f)可以看出,加載后的碎裂巖體試樣在高壓作用下展現(xiàn)出與原狀巖體極為相似的形貌。

圖10 試驗(yàn)過(guò)程

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程中的礫砂巖與花崗巖各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)變化曲線如圖11所示。從圖11中的過(guò)程曲線可以看出,無(wú)論是孔隙比、干密度、壓縮模量和變形模量,隨壓力的變化曲線規(guī)律性均較好,擬合出的曲線方程相關(guān)度均較高。通過(guò)查閱相關(guān)地質(zhì)資料,公伯峽水電站蓋層分布厚度在1 900～2 000 m左右,根據(jù)前述物理指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果,若取干密度在2.4～2.5 g/cm3之間,則壓力可在48～50 MPa之間,考慮該地區(qū)曾受喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用,以10 MPa構(gòu)造應(yīng)力為冗余度,可認(rèn)為公伯峽水電站第三系地層及古全風(fēng)化花崗巖曾受50～60 MPa壓力。將室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果、國(guó)內(nèi)外研究資料以及現(xiàn)場(chǎng)研究資料中50～60 MPa壓力下各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,如表5所示。

表5 等效實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與國(guó)內(nèi)外研究成果對(duì)比

從表5中可以看出,在50～60 MPa壓力下,等效試驗(yàn)中古全風(fēng)化花崗與礫砂巖各項(xiàng)物理指標(biāo)基本接近,證明二者在相同量級(jí)的壓力下可以最終達(dá)到相同的物理力學(xué)性質(zhì);室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲取的結(jié)果具有較好的對(duì)應(yīng)性,無(wú)論是干密度與變形模量基本能夠保持一致。其中等效試驗(yàn)結(jié)果中無(wú)論是花崗巖還是礫砂巖,均與國(guó)外資料中的下線值有著較高的匹配度,從而證明了開(kāi)展室內(nèi)等效實(shí)驗(yàn)壓密實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文通過(guò)不同水電站碎裂巖體的物理指標(biāo)和等效壓密試驗(yàn),對(duì)碎裂巖體的等效工程特性進(jìn)行研究,主要獲得了以下研究成果:

(1) 獲取了不同電站的碎裂巖體粒度成分、密度、含水率、孔隙比等物理指標(biāo),從塊度角度重新定義了碎裂巖體結(jié)構(gòu)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 收集了國(guó)內(nèi)外巖體自重壓密試驗(yàn)成果,獲取了不同沉積物厚度與密度、壓力、孔隙比等指標(biāo)的關(guān)系曲線。

圖11 等效壓密試驗(yàn)力學(xué)指標(biāo)過(guò)程曲線

(3) 通過(guò)對(duì)公伯峽水電站古風(fēng)化花崗巖和第三系礫砂巖進(jìn)行室內(nèi)等效壓密試驗(yàn),驗(yàn)證了室內(nèi)壓密試驗(yàn)獲取的各項(xiàng)物理指標(biāo)與原位狀態(tài)下碎裂巖體的物理指標(biāo)具有一定的等效性。