碎裂巖體等效工程特性試驗研究

謝曄,荀曉慧,魏玉峰,聶德新

(成都理工大學,成都 610059)

1 引言

受地質運動和構造應力作用,天然巖體中存在著大量可見或微裂隙[1]。對巖體結構和其物理力學特征進行研究是巖體力學的基本問題。經過數百萬年的長期地質演化和復雜構造,巖石受到累積應力的作用,存在著各種不同尺度的不連續面,從中、微裂縫到大型斷層和褶皺。這些軟弱帶由于其強度、剛度和抗變形能力較低,對巖石的完整性乃至整體力學性能有很大的負面影響。尤其針對碎裂巖體此類力學性質較差的巖體,對其工程特性進行研究,是評價巖體是否適用于工程實踐的關鍵[2]。

在過去的幾十年里,國內外許多學者們對于碎裂巖體的工程特性有著廣泛關注。聶德新等[3-5]首先于1994年提出了巖體強度再生理論,認為作用于軟弱結構面上的正應力可以一定程度上改善軟弱夾層的力學性質,生成與新的地質環境相適應的結構,該結構特征下巖體的力學性質將會恢復至新的強度;郭啟良[6]認為,盡管巖體的結構與完整程度各不相同,但在原地狀態下大都具有一定的承載力;Heping Xie等[7]和Pei J L等[8]對天然裂隙大理巖進行了單軸壓縮試驗。認為天然裂隙巖石的破壞特征受裂隙分布和裂隙形態的控制,是一個局部漸進的破壞過程,最終是突然破壞。盡管天然巖石比類巖石材料更難達到理想的效果,但天然巖石的試驗研究能更好地揭示實際巖石的工程特性。

在巖體的等效力學特征研究上,Singh[9-10]提出了節理巖體的連續介質表征方法,并給出了等效連續介質各向異性巖體彈性模量的估算公式。Zienkiewicz等人[11]使用了等效連續體方法(稱為多層模型)來模擬不連續巖體;Gerrard[12]還使用了等效連續體方法,將單元的柔度表示為完整巖石的柔度和單個節理組的柔度之和;Fossum[13]提出了估算隨機節理巖體有效彈性性質的關系式;Chen[14]基于彈性巖石基質和具有非線性法向和剪切響應的節理組之間應變分配的連續介質假設,提出了節理介質應力-應變響應的速率方程;Duncanh和Goodman[15]將節理巖體描述為等效的各向異性連續體;Amadei和Goodman[16]在對節理巖體建模的嘗試中,在為裂隙巖體開發的本構關系中隱含地考慮了節理的影響;Wei和Hudson[17]開發了一種等效材料方法,根據不連續面的幾何和力學性質估算變形模量。

在關于碎裂巖體的力學試驗研究方面,目前最常用的方法就是采用相似材料進行配比來代替巖石材料進行試驗。如廖美春[18]采用石膏模型來代替巖體對深埋隧洞(廠房)開挖時產生的分區破裂現象進行物理模擬;也有學者[19-20]根據相似原理設置物理模擬材料,通過插入鋁皮設置節理縫隙,探究了經錨桿加固后碎裂巖體的力學特征;印度的Tiwari[21]通過石灰與細砂經過一定配比制作巖石試樣進行三軸試驗。

對于非原巖材料制樣的模擬實驗來說,試驗結果并不能真實地反映巖體的真實參數,怎樣才能得到巖體的真實參數是一個需要解決的問題。對于大多數巖石工程,現場地質條件總是復雜多變的,現場原位試驗總是難以控制[22]。此外,由于不同位置工程巖體的地質特征不同,現場試驗結果往往反映局部場地,即試驗結果僅對試驗區域有效,而不適用于整個工程區域。因此,在有關天然狀態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境。本文通過分析碎裂巖體的成巖過程,結合國內外沉積物壓密試驗成果,以公伯峽水電站碎裂巖體為研究對象,開展室內等效壓密實驗,從而對碎裂巖體的等效工程特性進行探討。

2 碎裂巖體天然狀態物理性質

2.1 粒度成分

圖1 向家壩左岸擠壓帶碎裂巖體

根據谷德振先生在《巖體工程地質力學基礎》[23]提出的巖體結構理論認為,受構造或風化作用影響、由巖屑和碎屑組成的結構面間距不超過50 cm的巖體為碎裂巖體。而《水力發電工程地質勘察規范》(GB50287-2006)[24]將碎裂結構巖體又進一步細分為兩大類:結構面間距在10～30 cm之間的為塊裂結構巖體和結構面間距小于10 cm的為碎裂結構。上述兩種碎裂巖體結構劃分依據均為巖體結構面間距,而在構造或風化作用強烈地區的碎裂巖體,其結構特征往往受大量發育、不規則的微小結構面控制,這些微小的裂紋尚未貫通擴展為裂隙面,但在開挖、爆破等沖擊震動作用下極易相互貫通,形成形狀各異的短小裂隙,裂隙之間經過相互交切,使巖體顯得十分破碎。針對此類破碎較強的巖體,其結構面間距測量工作開展往往相對困難,為了進一步獲取碎裂巖體的結構尺度特征,本文對向家壩左岸擠壓帶(圖1)、溪洛渡玄武巖層間錯動帶(圖2)和白鶴灘水電站柱狀節理碎裂巖體(圖3)進行取樣分析,通過室內篩分實驗,獲取不同電站碎裂巖體級配特征如圖4～6。

圖2 溪洛渡玄武巖錯動帶

圖3 白鶴灘柱狀節理碎裂玄武巖

圖4 白鶴灘水電站碎裂巖體級配曲線

圖5 溪洛渡水電站碎裂巖體級配曲線

圖6 向家壩水電站碎裂巖體級配曲線

從不同水電站壩址區碎裂巖體級配曲線中可以看出,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,該試驗結果與上述關于碎裂巖體塊度的規定有著很好的對應性。因此,結合現場調查結果,對于碎裂巖體結構也可以通過巖體塊度指標進行定義為:由構造作用形成的、塊度在10 cm以下的巖塊或碎屑;由風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

碎裂巖體由于其特殊的結構性易受擾動而解體,因此在取樣過程中稍有碰撞或沖擊就會破壞其原狀性質。為了盡量獲取巖體真正原位狀態下的物理指標,避免鉆探過程中沖洗液浸泡導致巖體含水率增大,利用減震法將錯動帶上層完整巖體削去,采用團隊新開發的原位取樣技術,獲取溪洛渡水電站和白鶴灘水電站壩址區層內錯動帶以及向家壩水電站左壩肩破碎帶碎裂巖體未松弛狀態下的原狀試樣(圖7)。通過上述取樣方法獲取的試樣是在打開巖蓋后即刻進行的,且采用了特質的材料進行包裹,能夠有效避免巖體長時間暴露后吸水或者松弛,通過室內比重試驗、及烘干實驗,獲取不同壩址區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程

由上述試驗結果可以看出,原位狀態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實驗結果(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,避免了表部風華剝蝕,能夠基本保持早期構造或重力壓密的狀態。由此可以看出,巖體的物理指標很大程度受巖體所處的地質環境影響,深埋狀態下的碎裂巖體應具有相對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

表2 白鶴灘碎裂巖體物理性質

表3 向家壩碎裂巖體物理性質

3 國外自重壓密試驗成果分析

構造運動過程中巖體在高地應力條件下會產生褶皺和斷層,斷層錯動繼而引起巖體發生變形和破碎,在剪脹作用下碎裂的巖塊之間出現空隙,新出現的空隙使原有的巖體體積變大,隨著時間推移,當后期的構造運動不再劇烈或構造應力達不到形成斷層時的應力量值時,此時巖體受上覆新的沉積物自重應力作用而被逐漸填充、擠壓,從而體積減小、密度增大。通過總結國內外有關自重壓密的研究成果,獲取不同沉積物蓋層厚度-干密度關系曲線圖、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系曲線如圖8所示,方程對應的干密度和孔隙比指標見表4。

表4 國外不同沉積物孔隙比、壓力關系匯總表

圖8 國內外不同蓋層厚度物理指標關系曲線

從收集的資料可以看出,當沉積物干密度在2.3～2.4 g/cm3之間時,所承受的壓力在50～60 MPa左右,因此可以認為,現場獲取的試樣在歷史上曾受到的壓力達50～60 MPa。

4 碎裂巖體等效壓密試驗

4.1 試驗依據

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

通過對公伯峽水電站右岸壩址區揭露的巖層進行現場調查發現,臨近古風化花崗巖中隨處可見嵌入的第三系紅色礫砂巖(圖9),對二者進行物理指標參數試驗發現其密度基本一致。從兩種不同的巖性成巖過程來看,紅色礫砂巖是在臨夏組地層沉積時填充至斷層或褶皺中,隨古風化花崗巖一同經歷重力壓密作用,即使花崗巖無論從結構還是構造上密度都要比礫砂巖要低,但經歷了相同歷史時間的壓密和重分布,最終導致兩者在密度和物理力學性質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間效應,原位碎裂巖體的強度和壓縮量更大,但同時可以作為室內等效壓密實驗結果的安全冗余度來考慮,即天然碎裂巖體的室內等效壓密與天然地質條件下的壓密結果應該是具有等效性的。

圖9 公伯峽水電站右岸揭露的巖層

根據實際工程調查結果可以看出,原巖狀態下的碎裂巖體即使被大量發育的隨機節理相互切割,但在長時間重力壓密條件下,如果未發生錯動,其結構應當仍具有一定的完整性和較高的強度及模量。通過室內高精度壓密試驗,理論上可以對相同碎裂程度的巖塊進行等效壓密恢復至原巖狀態下巖體的物理狀態,即給予巖體歷史上經受的天然壓力進行壓密,應該能夠獲取與野外原位狀態下相近的密度、孔隙比等物理指標。根據胡克定律:

σ=E·Es

(1)

式中,σ為應力;E為彈性模量;Es為壓縮模量。

(2)

式中,P為壓力(MPa);S為不同壓力下對應的壓縮量(應變)。

根據前述等效壓密原理,在室內高精度加壓條件下,是否能獲得與天然地質條件下碎裂巖體相同或接近的壓縮模量,是檢驗室內等效試驗結果的可靠依據。

4.2 試驗過程

試驗采用是團隊所在單位國家重點實驗室引進的美國MTS巖石試驗機,儀器主要由伺服機操作系統、加壓系統組成,其中,試驗伺服控制系統可以記錄試樣加載全過程壓力、變形曲線。試驗加壓裝置采用特質的具有極高強度、抗變形能力達1 000 MPa的模具及加壓活塞,模具外徑250 mm,內徑與加壓活塞尺寸相同,為50 mm。加壓過程如圖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出與原狀巖體極為相似的形貌。

圖10 試驗過程

4.3 試驗結果分析

試驗過程中的礫砂巖與花崗巖各項物理力學指標變化曲線如圖11所示。從圖11中的過程曲線可以看出,無論是孔隙比、干密度、壓縮模量和變形模量,隨壓力的變化曲線規律性均較好,擬合出的曲線方程相關度均較高。通過查閱相關地質資料,公伯峽水電站蓋層分布厚度在1 900～2 000 m左右,根據前述物理指標試驗結果,若取干密度在2.4～2.5 g/cm3之間,則壓力可在48～50 MPa之間,考慮該地區曾受喜馬拉雅構造運動作用,以10 MPa構造應力為冗余度,可認為公伯峽水電站第三系地層及古全風化花崗巖曾受50～60 MPa壓力。將室內試驗結果、國內外研究資料以及現場研究資料中50～60 MPa壓力下各項指標進行對比,如表5所示。

表5 等效實驗、現場測量與國內外研究成果對比

從表5中可以看出,在50～60 MPa壓力下,等效試驗中古全風化花崗與礫砂巖各項物理指標基本接近,證明二者在相同量級的壓力下可以最終達到相同的物理力學性質;室內試驗結果與現場測試獲取的結果具有較好的對應性,無論是干密度與變形模量基本能夠保持一致。其中等效試驗結果中無論是花崗巖還是礫砂巖,均與國外資料中的下線值有著較高的匹配度,從而證明了開展室內等效實驗壓密實驗的準確性。

5 結論

本文通過不同水電站碎裂巖體的物理指標和等效壓密試驗,對碎裂巖體的等效工程特性進行研究,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,從塊度角度重新定義了碎裂巖體結構的劃分標準。

(2) 收集了國內外巖體自重壓密試驗成果,獲取了不同沉積物厚度與密度、壓力、孔隙比等指標的關系曲線。

圖11 等效壓密試驗力學指標過程曲線

(3) 通過對公伯峽水電站古風化花崗巖和第三系礫砂巖進行室內等效壓密試驗,驗證了室內壓密試驗獲取的各項物理指標與原位狀態下碎裂巖體的物理指標具有一定的等效性。