巖溶角礫巖物理力學特性現(xiàn)場試驗研究

郭喜峰， 吳相超， 熊詩湖

(1.長江科學院 重慶分院， 重慶 400026； 2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

烏江白馬航電樞紐壩基及兩岸壩肩分布有大量巖溶角礫巖，其粒徑大小不一，基本呈散粒狀，較疏松，且夾有泥質(zhì)條紋條帶，這對開挖后形成的高陡邊坡抗滑穩(wěn)定和壩基穩(wěn)定性影響很大。巖溶角礫巖是碳酸鹽巖在近地表次生作用的產(chǎn)物，地下水溶解作用使溶洞頂、底板因失去支撐而塌陷、崩解和碎裂，經(jīng)再度膠結成巖而成。這類巖體遇水后強度急劇降低，極易崩解軟化，有著特殊的工程力學性質(zhì)，引起了學者們的廣泛重視。因此，有必要對這類巖體的基本物理力學特征進行研究，這對于巖溶角礫巖地層施工和后期邊坡支護都具有重要的工程指導意義。現(xiàn)有研究多關注于巖溶角礫巖的發(fā)育特征及形成條件，鮮見有關巖溶角礫巖物理力學特性的研究[1-3]。巖溶角礫巖性狀特殊，介于土和巖石之間，一般無法獲取完整巖芯，原位試驗則為獲取巖體特性參數(shù)最為直接的手段之一。

本文以烏江白馬航電樞紐為工程背景，在白馬和紅石橋2個壩址平洞選取3處地質(zhì)代表性較強的試驗位置，開展原位巖溶角礫巖巖體變形試驗、三軸試驗和巖體直剪試驗。此外，為了研究水對巖體力學性質(zhì)的影響，在白馬壩址2處試驗位置還進行了物理性質(zhì)實驗。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)背景

烏江白馬航電樞紐項目于2018年3月21日獲得國家發(fā)展改革委核準，位于重慶市武隆縣境內(nèi)的白馬鎮(zhèn)，是烏江開發(fā)的最后一個梯級[1]。預可行性研究階段主要比選了羊角新灘、紅石橋、白馬3個壩址，推薦白馬壩址為代表性壩址，擬建混凝土重力壩，初擬水庫正常蓄水位183.00 m，總庫容3.95億m3，最大壩高93.0 m，裝機容量405 MW。

壩址區(qū)分布的巖溶角礫巖，角礫成分與圍巖相同，主要為灰-淺灰色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r等；角礫形態(tài)棱角分明，大小懸殊，多呈棱角狀、次棱角狀，泥質(zhì)灰?guī)r礫石因其質(zhì)軟常形成次渾圓狀；角礫礫徑從幾厘米到數(shù)米不等，礫石大小混雜，無分選性，呈雜亂堆積；局部角礫中還保持原始沉積特征；有的角礫之中有較小的角礫，反映出角礫形成的多次性。巖溶角礫巖中膠結物以粘土質(zhì)和碳酸鹽為主，膠結程度與膠結物的成分及其含量有關，一般以碳酸鹽為主膠結者，巖石較堅硬，而以粘土或碳酸鹽-粘土膠結者則較疏松。巖溶角礫巖具明顯的次生結構和構造，如蜂窩狀溶孔(洞)、晶洞、土狀構造以及次生交代殘余結構。

1.2 試驗布置

在白馬壩址左岸PD1#平洞內(nèi)針對灰色和黃色2種不同顏色的巖溶角礫巖進行試驗，試驗內(nèi)容包括4組/12點巖體變形試驗、2組/12點巖體直剪試驗、三軸試驗1組/6點、大密度試驗和含水率試驗各4組/12點、顆粒分析試驗2組/6點。試驗位置布置見圖1。

注：黃色巖溶角礫巖試驗段，變形試驗和三軸試驗位置對應關系為E3-1～S4、E3-2～S6、E3-3～S5、E4-1～S3、E4-2～S2、E4-3～S1。

從PD1平洞中巖體出露情況來看，15～25 m主要以灰色巖溶角礫巖為主，90～97 m主要以黃色巖溶角礫巖為主。因PD1平洞主洞滲水，主洞穩(wěn)定性極差，主洞底板水泥路面的破壞對底板巖體擾動松弛嚴重，為減少水的影響和施工擾動，準確反映巖體力學性狀，在主洞兩壁人工開挖9條支洞，并實施臨時性支護措施，再在支洞底板上布置巖體力學試驗。

在這2個主要洞段，選擇角礫巖粒徑較均勻，且能反映其特性的適當位置，開挖小型試驗支洞。在15～25 m洞段左右各開挖3個試驗支洞，尺寸為1.5 m×1.0 m×1.0 m，對灰色巖溶角礫巖進行變形、直剪和物理性質(zhì)試驗，90～97 m洞段共開挖3個試驗支洞，尺寸為2.0 m×1.5 m×2.0 m，對黃色巖溶角礫巖進行變形、三軸壓縮和物理性質(zhì)試驗。

2 試驗方法

2.1 物理性質(zhì)試驗

本次巖溶角礫巖物理性質(zhì)試驗主要包括現(xiàn)場原位密度、含水率和顆粒分析等3個試驗內(nèi)容。在PD1平洞黃色角礫巖和灰色角礫巖洞段，對每種巖性在天然含水狀態(tài)和飽和狀態(tài)各進行1組原位密度試驗和含水率試驗。

原位密度試驗采用灌水法。每組試驗選3點，按《土工試驗規(guī)程》(SL 237-1999)規(guī)定的方法挖制大小約0.5 m×0.5 m×0.5 m的試坑。原位密度試驗和含水率試驗完成后，對所取代表性的土樣用土工分析篩(20、10、5、2.5、1.25、0.8 mm)進行逐級篩分，按照每個篩上剩余巖土質(zhì)量計算不超過某粒徑所占百分比，繪制級配曲線。

2.2 力學特性試驗

2.2.1 巖體變形試驗

在試驗支洞內(nèi)，人工鑿制滿足平整度要求和邊界條件的試驗面。試驗采用剛性承壓板法，剛性承壓板面積2 000 cm2；最大試驗壓力1.2 MPa～1.6 MPa，采用逐級一次循環(huán)法加壓。壓力量測系統(tǒng)選用0.4級的精密壓力表，量程0～60 MPa；變形量測系統(tǒng)選用0.001 mm的千分表。

2.2.2 巖體直剪試驗

試驗采用平推法，剪切面尺寸約48 cm×48 cm，剪應力方向與巖體受力方向一致。法向應力大小按照不低于工程最大壓力的1.2倍并保證試驗支洞安全的原則，按等差級數(shù)合理地分配到每個試體上。試體被剪斷后，在同等法向應力下，按上述程序進行抗剪試驗。在整個施加剪應力過程中始終保持法向應力不變。試驗結束后對剪切面進行描述，量測起伏差，確定有效剪切面積。

2.2.3 巖體三軸壓縮試驗

試樣為長方形柱體，底面與原巖相連，天然含水狀態(tài)，尺寸為50 cm×50 cm×100 cm，人工在洞壁掏挖制樣，切割機切割成型。

應力路徑采用等側壓施加側向壓力方式，即σ2=σ3為水平方向。6點側壓力分別為0.19、0.11、0.41、0.56、0.71、0.86 MPa；σ1為鉛直方向。

載荷步驟：1)采用靜水加壓方式同步施加σ1=σ2=σ3到σ3；2)保持σ2=σ3恒定，先后加、卸載σ1進行軸壓力和在比例界限點時循環(huán)一次變形試驗；3)施加σ1至破壞。加、卸載分級進行，每級荷載穩(wěn)定10 min，加載前后測讀巖體變形。

試驗設備及安裝：側壓力采用液壓鋼枕施加、外套反力框架，軸壓力采用千斤頂施加。采用百分表測量變形，對稱安裝4個百分表于試件頂部鋼板表面測量頂面軸向變形，在試件4側邊中心預設測量標點，測量中部橫向變形和軸向變形。試驗場景照片如圖2所示。

圖2 巖體三軸實驗場景

3 試驗成果及分析

3.1 物質(zhì)組成特征及物理性質(zhì)指標

黃色和灰色巖溶角礫巖在天然含水狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的密度、含水率試驗成果及顆粒分析試驗成果分別如表1和圖3所示。由現(xiàn)場物理試驗成果可以看出，不論天然狀態(tài)還是飽和狀態(tài)，灰色巖溶角礫巖的密度和含水率均大于黃色巖溶角礫巖。顆粒分析結果表明，灰色巖溶角礫巖不均勻系數(shù)為10.0～65.2，曲率系數(shù)為1.7～4.6；黃色巖溶角礫巖不均勻系數(shù)為6.5～8.9，曲率系數(shù)為1.0～1.1。前者變化范圍大，后者變化范圍小，說明灰色巖溶角礫巖顆粒分布不一致，黃色巖溶角礫巖顆粒分布一致[4]。從物理特性上分析，灰色巖溶角礫巖密度大于黃色巖溶角礫巖，但其均勻性后者優(yōu)于前者。

圖3 角礫巖級配曲線

表1 現(xiàn)場物理試驗成果表

3.2 巖體工程力學特性

3.2.1 巖體變形特性

在左岸PD1平洞內(nèi)進行了4組巖溶角礫巖的變形實驗，試驗成果如表2所示。每組變形試驗中，各點之間模量值相差不大。

表2 巖體變形試驗成果表

從PD1平洞揭露的巖溶角礫巖巖體破碎、粒徑大小不一、膠結較差，基本呈散粒狀，且夾有泥質(zhì)條紋條帶。洞內(nèi)滲水嚴重，表明巖體含水率偏大。從變形試驗成果來看，巖溶角礫巖變形模量低，接近于土的性質(zhì)。天然含水狀態(tài)下，灰色巖溶角礫巖和黃色巖溶角礫巖變形模量變化范圍接近，黃色略高于灰色。泡水狀態(tài)下，2種顏色巖溶角礫巖的變形模量變化范圍也接近，均值基本一致。

從圖4變形試驗曲線看，巖溶角礫巖變形試驗曲線基本可分為2種類型：

圖4 巖體變形實驗典型曲線

1)上凹型：巖體表層松散、性狀差，低壓力時變形急劇增大，隨壓力增加，松散巖體逐漸被壓密，變形減速增長，滯回環(huán)面積減小。常見于天然含水狀態(tài)。

2)直線型。巖溶角礫巖經(jīng)充分泡水，膠結物軟化，礫石分布大致均勻，無層面及其他大型結構面的影響，在試驗壓力范圍，巖體表現(xiàn)出均質(zhì)體的變形特性，變形與壓力成比例。常見于泡水狀態(tài)。

巖溶角礫巖巖體的變形特性還與其粒徑大小相關。白馬壩址所揭露的巖溶角礫巖與紅石橋壩址所揭露的巖溶角礫巖性狀大致相當，巖體較破碎，滲水嚴重，顆粒間為泥質(zhì)充填。但紅石橋壩址所揭露的巖溶角礫巖粒徑大于白馬壩址所揭露的巖溶角礫巖。從變形試驗曲線來看，白馬壩址所揭露的巖溶角礫巖巖體變形試驗曲線天然狀態(tài)為上凹型曲線，泡水狀態(tài)為直線型，表明該巖體粒徑較小，易壓縮特性，顯現(xiàn)出在低應力作用下壓縮變形較大的特征。紅石橋壩址所揭露的巖溶角礫巖粒徑偏大，底板偶見塊石，有拱形效應作用，其變形曲線為上凸型曲線，表明該巖體在低應力作用下壓縮量較小。所以紅石橋壩址所揭露的巖溶角礫巖巖體在所給應力作用下，其變形模量和彈性模量值為0.23～0.35 GPa和0.64～1.34 GPa，均大于白馬壩址所揭露的巖溶角礫巖巖體模量值。

綜合分析巖體物理性質(zhì)和變形特性，含水率與變形特性見表3。由表3可知，含水率對巖溶角礫巖的力學特性有弱化作用，同類巖性巖體，含水率越高，變形模量越低；含水率越低，變形模量越高[5-6]。

表3 含水率與變形參數(shù)對照表

圖5為含水量與彈性模量的變化情況，隨著含水量的增加彈性模量下降[7]。對不同含水量情況下彈性模量進行擬合可得彈性模量E與含水量ω之間關系為E=0.638 5e-0.24ω。

圖5 巖體變形模量-含水率關系曲線

同種巖體，泡水前后巖體變形模量對比見表4。泡水后變形模量明顯降低。灰色巖溶角礫巖泡水后，變形模量降低了60.36%。黃色巖溶角礫巖泡水后，變形模量降低了72.43%。這主要是因為巖體中泥質(zhì)膠結物泡水后軟化，呈現(xiàn)出與土類似的性質(zhì)?？梢姾疇顟B(tài)對巖體變形模量影響很大，特別是對黃色巖溶角礫巖比灰色巖溶角礫巖的影響更大。

表4 泡水前后變形模量對比

3.2.2 巖體強度特性

1)巖體直剪試驗。

巖體直剪試驗的對象為灰色的巖溶角礫巖，其試驗成果見表5所示。τ1組為天然狀態(tài)灰色巖溶角礫巖?？辜魯鄰姸葏?shù)f′=0.60，c′=0.28 MPa；τ2組為泡水狀態(tài)灰色巖溶角礫巖，抗剪斷強度參數(shù)為f′=0.43、c′=0.18 MPa；τ3組為紅石橋壩址飽和狀態(tài)巖溶角礫巖，抗剪斷強度參數(shù)為f′=0.40、c′=0.08 MPa。

表5 巖體直剪試驗成果

τ1組、τ2組試驗位置接近，巖性一致，地層巖性、地質(zhì)構造等因素對強度特性的影響較小，主要差別在于2組含水狀態(tài)的不同。結果表明，泡水狀態(tài)比天然狀態(tài)抗剪強度低，說明含水狀態(tài)對巖溶角礫巖抗剪強度有弱化作用。天然狀態(tài)，泥質(zhì)或粉質(zhì)粘土膠結物尚能發(fā)揮一定的強度，一旦泡水即軟化成泥，強度降低，這就是天然和泡水2種含水狀態(tài)下巖體力學特性存在差異的主要原因。τ3組角礫巖主要為泥質(zhì)膠結，由于受長期滲水影響軟化，強度降低，含水量成為影響其抗剪強度參數(shù)的主要因素。

由表5可以看出，巖溶角礫巖呈現(xiàn)塑性破壞的特征，天然狀態(tài)下的f/f′為0.92，飽和狀態(tài)下的f/f′為0.98，可見飽和狀態(tài)下的塑性特征更為明顯，抗剪斷峰值強度f′值和抗剪峰值強度的f非常接近。

2)巖體三軸壓縮試驗。

三軸試驗成果見表6所示，按照莫爾-庫侖強度準測得到的抗剪強度參數(shù)見表7所示。

表6 巖體三軸試驗成果表

表7 莫爾-庫侖強度參數(shù)

從受力機理上來看，三軸壓縮試驗受力狀態(tài)與直剪試驗不同，它是在三向應力狀態(tài)下的強度試驗，而巖體直剪試驗是只考慮正應力作用的直接剪切強度試驗[8-9]。從試件受力后的破壞特征來看，三軸壓縮試驗無固定的剪切面，沿弱面破壞，其破壞機理與巖體的完整性、顆粒的大小和排列、裂隙的走向傾向于受力方向相關；而直剪試驗有互動的剪切面，基本上沿指定的剪切面破壞，其破壞機理與巖體的完整性、巖面粗糙程度、起伏差大小相關。三軸壓縮試驗的抗剪強度參數(shù)是由摩爾庫倫準則確定的，而直剪試驗是由正應力和剪應力建立的庫倫準則確定的。由于巖溶角礫巖顆粒分布不均，膠結較差，且松散，難以形成較為理想的三軸剪切破壞，所以三軸壓縮試驗確定的黃色巖溶角礫巖抗剪強度參數(shù)為f′=0.80、c′=0.75 MPa(天然狀態(tài))，這要高于天然狀態(tài)灰色巖溶角礫巖原位直剪強度參數(shù)(f′=0.60、c′=0.28 MPa)。

4 巖石力學試驗參數(shù)取值

總體原則是，對于巖體變形模量或彈性模量的取值，采用壓力～變形曲線上建筑物最大荷載下相應的變形關系選取標準值。由于大部分巖體變形試驗的試驗壓力-變形曲線基本上為線性，取最后2級壓力下的變形計算參數(shù)無較大差別，按試驗的最大應力下的應力與變形計算試驗值，根據(jù)不同地質(zhì)單元取試驗值平均值為標準值。對于巖體抗剪斷強度和抗剪強度取值，主要考慮巖體抗剪試驗時試樣呈塑性破壞，采用屈服強度作為標準值。

上述巖石力學試驗基本覆蓋了白馬航電樞紐工程壩址區(qū)所揭露的有代表性的巖溶角礫巖工程地質(zhì)單元，但由于同一試驗對象的試驗數(shù)量的限制，不足以按照數(shù)值統(tǒng)計方法進行相關的分析[10-11]，以試驗成果為依據(jù)，結合工程地質(zhì)條件，采用工程地質(zhì)類比法提出該工程的巖體力學參數(shù)建議值，如表8、表9所示。

表8 巖溶角礫巖變形參數(shù)試驗建議值

表9 巖溶角礫巖抗剪強度試驗建議值

5 結論

1)天然狀態(tài)，灰色巖溶角礫巖密度2.34～2.58 g/cm3，黃色巖溶角礫巖密度2.22～2.34 g/cm3；飽和狀態(tài)，灰色巖溶角礫巖密度2.39～2.58 g/cm3，黃色巖溶角礫巖密度2.23～2.41 g/cm3?；疑珟r溶角礫巖顆粒分布不一致，黃色巖溶角礫巖顆粒分布基本一致。

2)含水率對巖溶角礫巖的力學特性有弱化作用，同類巖性巖體，含水率越高，變形模量越低；含水率越低，變形模量越高。

3)根據(jù)試驗成果，并結合前期同類巖體參數(shù)經(jīng)驗值，提出相應的試驗建議值(變形模量0.05～0.25 GPa，彈性模量0.25～0.50 GPa，抗剪斷強度f′=0.4～0.6，c′=0.08～0.3 MPa，抗剪強度f=0.35～0.45)，可供邊坡和壩基穩(wěn)定分析采用。