结构性效应对层状岩体力学特性与破坏特征的影响

赵泽胤

陕西省水利电力勘测设计研究院  陕西西安  710001

摘要：水利工程尤其是大型水电站常常建设在山区，高山较多、地质构造运动复杂，因此水利工程边坡稳定性存在很大的风险，对水电站工程安全性也是很大的威胁。因此，研究水利工程边坡含夹层软弱岩体的工程力学性质具有重要意义。受地质构造运动影响，岩体边坡中常存在一定的软弱夹层，威胁了水利工程的长期安全性。大量现有研究表明，我国山区边坡中岩体较为常见的软弱夹层为泥岩或破碎风化岩，导致岩体的力学性质变差，同时在降雨条件下也更容易出现边坡失稳滑动的问题。此外，部分学者指出，含水率是影响边坡岩体力学性质的重要参数。一般而言，含水率越高，岩石内部结构之间的胶结能力也就越弱；同时水分会导致岩石内部颗粒流失，岩石内部产生一定范围的孔隙。因此，学者们认为，含水率越高，岩石的承载能力就越弱，则边坡的稳定性也就越差。

关键词：结构性效应；层状岩体力学特性；破坏特征；影响

1 岩体工程地质力学基本知识

岩体工程地质力学的研究对象是工程场地附近的岩体结构。岩体, 由一种或多种不同的岩石组合而成, 受到形成环境以及后期构造影响后, 岩体内会呈现各种各样不同的结构面。在实际环境中, 岩体会被各种各样不同的结构面切分成为不同的结构体并出现破裂带。进行岩体工程地质力学等地质研究时, 必须先研究岩体结构。进行水利水电工程地质勘察时, 依据相关规范并结合实际工程经验对岩体结构类别进行量化和细化, 岩体主要分为5类。Ⅰ类岩体, 主要为厚层状或整体块状结构;Ⅱ类岩体, 主要为中厚层状或块状结构;Ⅲ类岩体, 主要为镶嵌状或互层状结构;Ⅳ类岩体, 主要为碎裂状或薄层状结构;V类岩体, 主要为散体状结构。在具体工程中, 可以根据工程区域的具体地质条件以及影响岩体质量的因素, 进行适当调整, 从而结合工程区域岩体的具体特性, 制定相应的岩体质量分类或岩体工程地质分类, 以及结构面分类, 用于实际工程情况下的边坡、坝基、地下洞室围岩等结构的岩体具体分类, 赋予相应结构面岩土体以及岩类物理力学参数值。高地应力等因素会对岩体分类造成影响, 其对岩体分类造成的影响, 有待进一步研究。

2试样制备

本次研究依托于某大型水电站山体边坡加固工程，该工程主要服务为满足水力发电及蓄洪功能需求，此外还需要服务区域部分地区的水利灌溉作用。根据资料调查及前期工程现场工程地质勘察资料可知，该水电站边坡岩的主要组成为砂岩，但是，受区域地质构造运动影响，水电站边坡内发现大范围的薄层泥岩软弱夹层的存在。经过现场调查，发现地区软弱泥岩夹层的平均厚度约为30mm。此外，根据现有研究发现，相较于砂岩岩块，薄层泥岩的强度较低，且遇水易变形软化，力学性质变差。因此可见，薄层泥岩对水电站边坡的稳定性具有很大的影响。参照现有组合岩体室内模拟试验，利用混凝土制备材料和石膏分别模拟夹层岩体中的硬、软岩部分，其中石膏层厚为20.00mm夹层倾角分别为0°、30°、45°和60°。按照相关试验规范要求，对软、硬部分进行组合、胶结，最终制备得到直径为50mm、高度为100mm的标准工程试验岩体。

3数值试验

3.1数值方法与假设条件

天然岩体具有各向异性、非连续、非弹性、非均质性等特点，而传统的有限单元法、有限差分法等数值模拟方法无法较好地分析层状岩体界面损伤破裂过程。充分考虑了岩石破裂过程中的各向异性、非线性和非均质等特点，提出了RFPA模拟方法并开展了岩体破裂演化分析。因此，笔者基于RFPA开展层状岩体尺寸效应研究。

应用RFPA开展数值计算时，基于以下几点假设：①在计算过程中考虑材料的非均质性，单元破坏的积累导致材料宏观损伤；②单元具有脆-塑性或弹-脆性，单元的强度和弹性模量等服从均匀分布、韦伯分布、正态分布等；③当单元应力条件满足破坏准则时，破坏单元刚度降低；④声发射、损伤量与破坏单元数量成正比。

3.2试验设计

本次试验分别研究了夹层倾角、含水率对软弱岩体力学性质的影响，室内对含软弱夹层复合岩体开展了力学实验。在试验过程中，首先以1kN的轴向荷载将含软弱夹层岩体试样固定在试验台上，此后，利用位移控制模式进行加载，加载速度为0.01mm/min, 直至试样破坏。在试验过程中，利用试验设备电子位移计全程对岩体的轴向变形进行测量与记录，以得到岩体完整的应力-应变曲线试验结果，分析其变形特性。

4试验结果分析

4.1应力-应变曲线特征

基于室内含软弱夹层岩体试样的单轴压缩试验,当轴向荷载较小时，岩体内的原生孔隙得到压密；此后，随着轴向荷载的增大，岩体的应力-应变曲线进入弹性变形阶段，此阶段岩体的轴向变形随荷载增大而呈现出线性增大的变化关系。在此之后，岩体屈服直至破坏，试验结束。分析岩体变形破坏后特征可以发现，当夹层倾角为0°时，含软弱夹层岩体试样的应力-应变曲线呈脆性破坏特征，达到峰值应力后其应力-应变曲线迅速跌落；而当夹层倾角为30°、45°和60°时，含软弱夹层岩体试样的应力-应变曲线呈现出一定的脆-延性破坏特征，达到峰值应力后其应力-应变曲线下降速度慢，且具有较明显的峰后残余强度特征。

4.2含水率影响分析

基于室内单轴压缩应力-应变曲线试验结果，得到在相同夹层倾角条件下(0°),含夹层软弱岩体的抗压强度随含水率变化关系。随着含水率的增加，含夹层软弱岩体的抗压强度呈现出逐渐变小的变化趋势。当含夹层软弱岩体的含水率为3%时，岩体的抗压强度为11.06MPa。此后，随着含水率的增加，岩体的抗压强度逐渐降低。当岩体的含水率分别为6%和9%,此时其强度则分别为9.85MPa和8.33MPa,相对含水率3%时降低10.94%和18.19%,强度下降幅度非常明显。分析认为，这是由于当岩体中存在大量水分子时，组合岩体尤其是其软岩部分内部胶结结构会被破坏；此外，在通过浸水对岩石含水率进行控制和调整的过程中，由于水分的流失会带走岩石内部细小颗粒，导致岩石内部的结构逐渐破坏、流失，岩石内部会形成一定数量的孔隙。综上所述，岩体的抗压强度随着含水率的增加而逐渐降低。

4.3夹层倾角影响分析

当含水率均为3%时，不同夹层倾角条件下含夹层软弱岩体的抗压强度。随着夹层倾角的逐渐增大，含夹层软弱岩体的抗压强度呈现先降低后增大的变化规律。当含夹层软弱岩体的夹层倾角为0°时，岩体的抗压强度为11.06MPa。此后，随着夹层倾角的增加，岩体的抗压强度分别为8.87MPa、6.78MPa和7.52MPa。由此可见，软弱夹层倾角对组合岩体力学性质的影响较为复杂，当夹层倾角为45°时，岩体的单轴抗压强度最低，较含水平软弱夹层的岩体下降了39.70%,下降幅度非常明显。

5岩体力学勘察

5.1工程区域的地质构造稳定性以及地震研究

汶川大地震以后, 国家相关部门十分重视地震对水利水电工程的影响, 相关部门专门发文要求, 进行大型水利水电工程设计时, 必须要进行工程防震抗震设计, 并必须专门接受审查。

在地震研究中, 活断层的判别标志有: (1) 地震断裂带中构造岩或者被错动脉体是晚更新世; (2) 错断晚更世以来的地层; (3) 沿着断层存在历史地震, 或者存在现代中、强震的震中分布, 或者存在密集而频繁的近期微震; (4) 经现代化监测表明, 沿着断层存在地形变和地位移; (5) 经地质构造上的证实, 被发现的断层与已知的活断层有着共同或共生的关系。在工程地质勘察规范中, 工程场地岩体中活动断层的年龄被限定在十万年以来存在过活动的断层。水坝等主要水工建筑物应该尽量避免跨越活断层或者与活断层有构造活动联系或相关联的分支断层, 特别应该注意尽量避开晚更新世晚期以来有过地质活动的断层。水坝选址不适宜选在地震等级为6级及以上的震中区或者地震的基本烈度为Ⅸ度及其以上的强震区。如果在上述两种情况下建水坝, 需要专门进行论证。汶川特大地震后, 地震灾区的大部分大中型水电水利工程, 虽然有不同程度的损坏现象, 但却没有一个水电水利工程在地震中发生重大次生灾害, 这有力说明工程地质勘察规范中所规定的区域构造稳定性的技术标准、工作方法、评价原则是正确的, 能经受大地震考验。

5.2高坝坝基工程地质研究

我国的水坝高度有些已达到了300米, 成了俗称的“高坝”, 水荷载和坝基荷载对高坝坝基岩体质量的要求非常严格。主要有以下技术要求: (1) 高坝坝基岩土体在长期被水渗透和作用的前提下, 必须保持力学、化学及物理性质的稳定, 并要确保坝基的渗透压力和渗漏量维持在允许的范围内, 以免发生渗透破坏; (2) 在各项不同荷载作用下, 高坝坝基各个部位的变形和应力值应该确保在允许范围内, 以免出现不均匀变位或局部应力集中的现象而影响大坝安全运行; (3) 高坝坝基岩土体在其所承受的荷载作用下确保不会产生滑移失稳。

如果高坝采用混凝土坝基, 需要先对坝基岩体工程地质进行分类以及对岩体质量进行分级, 要重点对影响坝基抗滑稳定性的软弱结构面的性状以及它们的不利组合的边界条件进行勘察, 并需要根据岩体的软弱结构面类型选定它们的强度参数和变形参数以适合工程建设的需要。要对影响高坝坝基不均匀变形与应变的弱化岩体进行详细勘察以避免其对水利水电工程的工程质量带来安全隐患。如果进行高坝建设时采用当地采挖来的工程材料将坝基建在深厚的覆盖层上, 必须对覆盖层的结构和详细分层、埋藏谷的范围、河床深槽的范围等相关地质资料进行详细勘察, 特别要对漂孤石层、架空层、粉细砂层、软土层的物质组成、渗透特性、分布范围进行详细勘察, 同时要详细准确地评价地震作用下的地层不均匀沉陷可能性、地层渗透稳定性、砂层液化程度, 这是为了给水利水电工程建设时采取合适的防地层渗透、抗砂层液化、防地层不均匀沉陷等措施提供科学的依据。

结论

岩石培养基质的最高抗压强度和弹性模量表现出规范效应，两者均随试样高度的增加而降低，随着围压的增加，规范效应不太明显，围压对规范效应的影响减弱。随着高度的增加，岩石培养基质的整体破坏程度变弱，破坏强度降低。在低围压下，会发生一些结构类型的不平衡破坏。在高围压下，由于侧向围压管束，结构类型不平衡程度变弱，岩体的延性特征逐渐显现。在三轴标准下，当层面倾角为0°和45°时，随着层面相对密度的增加，峰后残余抗压强度增加，峰后应变率降低，岩体由延性变为延性。高围压使小倾角或大倾角岩体由延性变为延性，而中等水平倾角标准下围压的脆延性转换效应不太显著。当围压和层理相对密度相同时，岩层倾角为90°时，岩体的最大抗压强度和弹性模量较大。在围压作用下，层状岩体的损伤程度不强，岩体中的裂缝被围压压实，开裂模式随岩层倾角变化显著。

参考文献

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