李 偉 關(guān)學(xué)偉 戴培志

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 概述

水電水利工程建設(shè)中的樞紐建筑物是主體工程，其中大壩是關(guān)鍵的水工建筑物，壩址區(qū)及高陡邊坡的巖體力學(xué)特性勢必會(huì)對工程評價(jià)及建設(shè)起重要作用，通過查閱巖體力學(xué)、變形性能的研究及壩址區(qū)相關(guān)流變、蠕變等文獻(xiàn)[1][2]成果可知，結(jié)構(gòu)面及斷層等是影響建設(shè)大壩的主要因素。

巖體力學(xué)參數(shù)的測定，通常是靠借助于各種試驗(yàn)，但巖體是非均質(zhì)的，其變形和破壞規(guī)律極其復(fù)雜，一般室內(nèi)試驗(yàn)不能代表巖體的力學(xué)性質(zhì)，而在現(xiàn)場進(jìn)行大體積巖體試驗(yàn)代價(jià)又昂貴；加之現(xiàn)場試驗(yàn)的數(shù)量和范圍有限且隨機(jī)性較大，巖體的非均質(zhì)性、各向異性易造成試驗(yàn)成果的分散。如何從這些分散的試驗(yàn)成果中找出具有代表巖體的力學(xué)參數(shù)，以及如何客觀的評價(jià)試驗(yàn)獲得的巖體力學(xué)參數(shù)的代表性，是較為困難的，國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)均在這方面做了大量的論述[1-6]。因此，研究巖體力學(xué)參數(shù)的預(yù)測，對水利水電工程的設(shè)計(jì)、施工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 巖體結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場特征及破壞形態(tài)

結(jié)構(gòu)面是指巖體內(nèi)的不連續(xù)面，如巖體中的層面、軟弱夾層、節(jié)理、裂隙、片理、斷層等。按結(jié)構(gòu)面膠結(jié)(或充填)物質(zhì)的性質(zhì)，通常又分為硬性結(jié)構(gòu)面和軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的不同，其破壞機(jī)理是不同的。結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)、分布、組合及是否夾有充填物有密切關(guān)系。

硬性結(jié)構(gòu)面為閉合節(jié)理，巖漿、巖脈充填的焊接狀節(jié)理，試件在破壞時(shí)均有一個(gè)逐漸發(fā)展的破壞過程。

2組巖體硬性結(jié)構(gòu)面(τj2-1,τj4-1)，微風(fēng)化，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為EW，N∠30°～35°和N15°E，NW∠30°。剪斷面起伏、粗糙，起伏差在0.5 cm～2 cm，面上見有長英脈、石英脈等，局部有鈣膜，膠結(jié)緊密，無泥質(zhì)和其他軟弱成分充填，剪斷面平整，一般呈波紋狀—小的鋸齒狀。

2組巖體軟弱結(jié)構(gòu)面(τj213-1,τj213-2)其產(chǎn)狀、特性、填充物基本一致，且面平直、粗糙，由壓碎巖、糜棱巖及黃褐色泥等組成，起伏差稍大，在1.0 cm～3.0 cm，剪斷面較平整，呈波紋狀。

2組巖體硬性結(jié)構(gòu)面(τj2-1,τj4-1)抗剪試驗(yàn)，試件在剪切破壞后，應(yīng)力下降的幅度較小，并快速趨于殘余穩(wěn)定值，試件均沿結(jié)構(gòu)面剪出。τj2-1剪斷時(shí)的剪切位移在2.970 mm～8.128 mm，平均剪切位移為5.037 mm，τj4-1剪斷時(shí)的剪切位移在3.618 mm～13.073 mm，平均剪切位移為6.950 mm。塑性破壞特征較明顯。

2組巖體軟弱結(jié)構(gòu)面(τj213-1,τj213-2)抗剪試驗(yàn)，為巖屑夾泥型結(jié)構(gòu)面(軟弱結(jié)構(gòu)面)。試件在剪切破壞后，應(yīng)力下降的幅度較小，并快速趨于殘余穩(wěn)定值，試件均沿結(jié)構(gòu)面剪出。τj213-1剪斷時(shí)的剪切位移在2.493 mm～9.285 mm，平均為4.44 mm，τj213-2剪斷時(shí)的剪切位移在3.148 mm～11.4 mm，平均為5.482 mm，呈現(xiàn)出明顯的塑性破壞特征。

3 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果

Hoek-Brown認(rèn)為巖體是由被結(jié)構(gòu)面分割的、相互鑲嵌的堅(jiān)硬脆性的大小巖塊所組成，結(jié)構(gòu)面上可以有也可以沒有軟弱物質(zhì)充填，巖體的強(qiáng)度取決于完整巖塊的強(qiáng)度及其可活動(dòng)的自由度，而這種自由度又取決于結(jié)構(gòu)面的數(shù)量、方位、間距及其抗剪強(qiáng)度。

霍克及布萊研究了大量巖體的拋物線型破壞包絡(luò)線，得出了巖體破壞的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)：

將現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)抗剪試驗(yàn)測試的2組夾泥型巖體結(jié)構(gòu)面成果見表1。

表1 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果

2組巖屑夾泥型巖體結(jié)構(gòu)面，采用上述抗剪強(qiáng)度預(yù)測及分析的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式的基本理論與方法，對其進(jìn)行預(yù)測分析與整理。

將2組巖屑夾泥型巖體結(jié)構(gòu)面τj213-1,τj213-2抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的所有試點(diǎn)視為Hoek-Brown的研究對象，取點(diǎn)群中心法峰值強(qiáng)度平均值C′=0.08 MPa、殘余強(qiáng)度平均值C=0.05 MPa，并由試驗(yàn)時(shí)的τ,σ值求出峰值強(qiáng)度下的a=-0.055 4,b=5.847 9及殘余強(qiáng)度下的a=-0.427 9,b=5.038。由于σC在計(jì)算中影響較小，根據(jù)資料及經(jīng)驗(yàn)，取σC=30 MPa，預(yù)測結(jié)果如表2，表3所示。

表2 巖屑夾泥型巖體結(jié)構(gòu)面抗剪試驗(yàn)峰值強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果(Hoek-Brown法)

表3 巖屑夾泥型巖體結(jié)構(gòu)面抗剪試驗(yàn)殘余強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果(Hoek-Brown法)

因此，巖屑夾泥型巖體結(jié)構(gòu)面的剪切破壞準(zhǔn)則可用如下莫爾包絡(luò)線方程表示。

峰值：

殘余：

由于硬性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的預(yù)測方法與上述方法一致，其預(yù)測結(jié)果也較相同，因此不再贅述。預(yù)測匯總結(jié)果見表4。

表4 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪試驗(yàn)強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果(Hoek-Brown法)

從表4可知，Hoek-Brown法預(yù)測結(jié)果與點(diǎn)群中心法的峰值強(qiáng)度平均值、殘余強(qiáng)度平均值較為相近。其中，峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果φ(f)值偏小，C值偏大?？赡芘c其預(yù)測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(試驗(yàn)點(diǎn)數(shù))偏少有關(guān)。

4 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪試驗(yàn)成果擬合分析

把兩組為微風(fēng)化、塊狀結(jié)構(gòu)火山角礫巖(T3xd8)(硬性結(jié)構(gòu)面)，兩組為弱風(fēng)化、次塊狀結(jié)構(gòu)火山角礫巖(T3xd8)(軟弱結(jié)構(gòu)面)采用線性、多項(xiàng)式等方式進(jìn)行擬合如圖1，圖2所示，采用相關(guān)系數(shù)最大的公式做為同類型結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度計(jì)算參考公式。

微風(fēng)化、塊狀結(jié)構(gòu)火山角礫巖(T3xd8)：

τ′=-0.295 2σ′2+1.070 4σ′，R2=0.926 5；

τ=-0.309σ2+0.946 8σ，R2=0.887 2。

弱風(fēng)化、次塊狀結(jié)構(gòu)火山角礫巖(T3xd8)：

τ′=0.022 6σ′2+0.19σ′，R2=0.874 7；

τ′=0.029 2σ2+0.136 5σ，R2=0.841 1。

結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度可以根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面的厚度、面粗糙度、充填物質(zhì)等因素，對比本次進(jìn)行的4組結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，并采用一定的數(shù)學(xué)計(jì)算方法(如插值)結(jié)合擬合圖形及計(jì)算公式進(jìn)行參數(shù)預(yù)測。即在一定的正應(yīng)力條件下，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度不是直線型發(fā)展的，在結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)中一定要注意曲線所代表的參數(shù)選值和界定范圍及環(huán)境。

一般情況下，結(jié)構(gòu)面受到的垂直壓力越大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面間的硬性顆粒摩擦及面與面之間的摩擦越強(qiáng)烈，因此結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度可能會(huì)有適當(dāng)?shù)谋壤岣摺?/p>

5 結(jié)語

本文通過對某水電站巖體結(jié)構(gòu)面的試驗(yàn)結(jié)果的分析研究得出以下結(jié)論。

1)Hoek-Brown法預(yù)測結(jié)果與點(diǎn)群中心法的峰值強(qiáng)度平均值、殘余強(qiáng)度平均值較為相近。其中，峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果φ值偏小，C值偏大?？赡芘c其預(yù)測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(試驗(yàn)點(diǎn)數(shù))偏少有關(guān)。但Hoek-Brown法可作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)較分散的結(jié)構(gòu)面力學(xué)性能的一種預(yù)測方法。

2)采用擬合的方式分析結(jié)構(gòu)面抗剪性能，即在一定的正應(yīng)力條件下，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度不是直線型發(fā)展的，在結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)中一定要注意曲線所代表的參數(shù)選值和界定范圍及環(huán)境。

3)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度主要受結(jié)構(gòu)面充填物質(zhì)、結(jié)構(gòu)面形態(tài)等因素的影響，通常情況下結(jié)構(gòu)面的破壞是經(jīng)過了蠕滑后，加速度逐漸加大導(dǎo)致的結(jié)果，因此在結(jié)構(gòu)抗剪試驗(yàn)中應(yīng)開展結(jié)構(gòu)面的蠕變(流變)試驗(yàn)，蠕變(流變)試驗(yàn)破壞的起始閾值是工程建設(shè)結(jié)構(gòu)面安全評定、評價(jià)的重要參數(shù)。

4)本文介紹的兩種方法可為同類工程結(jié)構(gòu)面抗剪力學(xué)性能提供參考和借鑒。