周洪福 ,韋玉婷
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心 四川 成都 610081;2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島266590;3.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司 四川 成都 610072)
斷層帶巖體通常是指斷層泥、糜棱巖、斷層角礫巖、壓碎巖、碎塊巖和片狀巖等多種巖體混合在一起的一類特殊巖體.我國西部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,各種斷層十分發(fā)育.由于斷層帶巖體力學(xué)性能較鄰近巖體差,是工程建筑物失穩(wěn)破壞的重要邊界,其力學(xué)參數(shù)取值也是學(xué)術(shù)界、工程界關(guān)注的重點(diǎn).近年來作者參與調(diào)查研究的我國西部多個(gè)大型工程,均遇到地基巖體中發(fā)育隱伏斷層帶巖體問題,因?yàn)椴灰字苯佑^測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從而難以定量評(píng)價(jià)其工程地質(zhì)性質(zhì)和力學(xué)參數(shù),成為了制約工程規(guī)劃建設(shè)以及安全運(yùn)營(yíng)的重大工程地質(zhì)問題.
鑒于隱伏斷層帶巖體對(duì)工程穩(wěn)定性的重要控制作用,已有相關(guān)人員對(duì)其力學(xué)特性和參數(shù)取值進(jìn)行了較多的研究.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、測(cè)試是獲得斷層帶巖體真實(shí)力學(xué)參數(shù)最直接的方法,室內(nèi)試驗(yàn)也是獲取斷層帶巖體力學(xué)參數(shù)的一種有效方法.從20世紀(jì)80年代以來,Nie等[1-4]基于多次現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,提出斷層帶巖體“圍壓效應(yīng)”(處于深部的斷層帶巖體由于圍壓的效應(yīng),在沒有受到外界擾動(dòng)情況下具有較高的力學(xué)性能)和“強(qiáng)度再生效應(yīng)”(斷層帶巖體受到破壞以后,在新的圍壓下重新產(chǎn)生固結(jié)作用,力學(xué)性能有所提高);Bozkurt等[5-6]的研究也得到類似結(jié)論,這些研究成果對(duì)處于地基或邊坡深部斷層帶巖體力學(xué)參數(shù)取值研究起到了較大的推動(dòng)作用;Zhang等[7]采用現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)的方式獲得了某水電工程斷層破碎帶變形模量和地基承載力;付小敏等[8]采用室內(nèi)多點(diǎn)三軸試驗(yàn)(常規(guī)三軸試驗(yàn))和單點(diǎn)三軸試驗(yàn)對(duì)比分析,獲得某壩基破碎帶小巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù);周洪福等[9]根據(jù)推導(dǎo)的理論公式,采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)的方法獲得了斷層帶巖體變形模量;王宇等[10]采用蠕變?cè)囼?yàn)獲得了斷層帶巖體在不同正應(yīng)力條件下的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度;馮樹榮等[11]對(duì)向家壩水電站左岸斷層帶巖體試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),斷層在有、無蓋層的情況下變形模量的差值達(dá)5倍.
受經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地、時(shí)間等方面的限制,很多工程在勘察設(shè)計(jì)階段無法采用現(xiàn)場(chǎng)或者室內(nèi)試驗(yàn)方法獲取斷層帶巖體力學(xué)參數(shù),因此,研究人員利用間接方法獲取斷層帶巖體力學(xué)參數(shù).間接法主要有:
1)反分析法.李永松等[12]基于現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果反分析斷裂力學(xué)參數(shù); 張勇等[13]反演了有上覆蓋層情況下,斷層帶巖體的變形模量.張向東等[14]采用數(shù)值反分析得到軟巖破碎帶力學(xué)參數(shù).
2)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系法.劉瑜等[15]對(duì)新集 F10 斷層的研究結(jié)果表明,斷層泥的分維值與斷層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)有緊密聯(lián)系; 於汝山等[16]基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則引入了深部巖體完整性系數(shù)Kv改進(jìn)深部巖體地質(zhì)強(qiáng)度因子GSI值確定方法,估算深部巖體力學(xué)參數(shù);ZHAO等[17]基于數(shù)值模擬和微震數(shù)據(jù)研究了包括斷層帶巖體在內(nèi)的邊坡巖體力學(xué)參數(shù);張默等[18]基于偏最小二乘(PLS)法確定邊坡巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù).
從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知,對(duì)于斷層帶巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了較多研究,取得大量用于工程實(shí)踐的研究成果.但是對(duì)于大型工程地基巖體中發(fā)育的隱伏斷層帶巖體,尤其是一些寬大陡傾的隱伏斷層帶巖體,工程建設(shè)期間不可能全部挖除,其工程地質(zhì)特性量化評(píng)價(jià)指標(biāo)成為了工程規(guī)劃建設(shè)中需重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象.對(duì)于這類隱伏斷層帶巖體,通常借助鉆孔、平硐取樣開展室內(nèi)試驗(yàn)或原位試驗(yàn)獲得其力學(xué)參數(shù),但是存在以下問題:
1)安全問題.對(duì)地基巖體中發(fā)育隱伏斷層帶巖體的大型工程,采用開挖平洞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來獲得其力學(xué)參數(shù),無疑將會(huì)耗費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力.特別是發(fā)育在河床部位的隱伏斷層帶巖體,如果開挖河底平洞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),還存在涌水塌方等危險(xiǎn).
2)失真問題.采用鉆探方式從鉆孔中取出斷層帶巖體,在三軸試驗(yàn)過程中受液壓油影響大,易出現(xiàn)散體或解體破壞,導(dǎo)致試驗(yàn)失敗或者試驗(yàn)結(jié)果失真.
3)劣化問題.由于斷層帶巖體具有易碎、易斷、水分流失快等特殊性質(zhì).采用鉆探方式不易取得斷層帶巖體柱狀樣,而斷層泥取樣相對(duì)容易,因此常取斷層帶巖體中最薄弱的斷層泥進(jìn)行三軸試驗(yàn),夸大了斷層帶巖體力學(xué)特性的劣化效應(yīng).
為此,利用改進(jìn)的鉆探工藝從鉆孔中取得斷層帶柱狀巖體并進(jìn)行特殊處理,然后放入巖石三軸試驗(yàn)機(jī)MTS中施加一定的初始圍壓(使試樣更加接近天然狀態(tài)受力特征)進(jìn)行三軸試驗(yàn),利用配套的理論公式,得到隱伏斷層帶巖體變形模量和抗剪強(qiáng)度參數(shù).采用一種可靠的試驗(yàn)方法獲得隱伏斷層帶巖體力學(xué)參數(shù),定量評(píng)價(jià)其工程特性,對(duì)于我國西部面臨此類問題大型工程的規(guī)劃建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)具有重要的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義,能進(jìn)一步補(bǔ)充隱伏斷層帶這類特殊巖體三軸試驗(yàn)技術(shù).
本次研究工作隱伏斷層帶巖體取自怒江中游某擬建水電工程壩基深厚覆蓋層下.該水電站壩型為混凝土重力壩,壩高85 m,壩頂高程 739 m,正常蓄水位高程732 m.壩址地形為典型的“U”形河谷,河谷寬度約 200 m,河水位高程 670 m 左右.勘探資料表明壩址區(qū)巖性復(fù)雜,左岸為三疊系白云巖,右岸為石炭系玄武巖(圖1).玄武巖和白云巖接觸帶發(fā)育大型斷層帶,并且斷層帶上部第四系覆蓋層厚達(dá)十幾米至數(shù)十米不等(圖2),為典型的隱伏斷層帶巖體.
圖1 怒江某水電工程壩址區(qū)地形地貌Fig.1 Topographic and geomorphological features of a hydropower station on the Nujiang river
圖2 怒江某水電站壩址區(qū)發(fā)育隱伏斷層帶巖體Fig.2 The concealed fault rock mass of a hydropower station on the Nujiang river
由于斷層帶巖體特殊的性質(zhì),加之鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中水的影響以及強(qiáng)烈的擾動(dòng),要想從鉆孔中取得斷層帶柱狀巖體非常困難.三軸試驗(yàn)過程中,斷層帶巖體受液壓油影響較大,如果直接將其放入MTS中進(jìn)行三軸試驗(yàn),很可能剛開始試驗(yàn)或者試驗(yàn)過程中斷層帶巖體發(fā)生散體或解體破壞,導(dǎo)致試驗(yàn)失敗.為此研究人員在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和試驗(yàn)中總結(jié)如下的一套方法,從鉆孔中獲取斷層帶柱狀巖體并在三軸試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行特殊處理:
1)布置在可能揭露斷層帶巖體處的鉆孔,采用植物膠護(hù)壁的方式勻速鉆進(jìn),在條件允許的情況下盡量采用干鉆.
2)派專人值守可能揭露斷層帶巖體的鉆孔.一旦發(fā)現(xiàn)從鉆孔取出呈柱狀的斷層帶巖體(圖3(a)),取部分巖體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試含水量,其余斷層帶柱狀巖體立即采用蠟封方式進(jìn)行密封處理(圖3(b)),避免水分流失并盡量保持原狀,然后小心帶回室內(nèi).
圖3 斷層帶巖體Fig.3 Fault rock mass
3)在室內(nèi)將斷層帶柱狀巖體打磨光滑,去除表面的蠟和兩端不平部分.盡量保持直徑與高度比在1∶2左右,將兩端用水泥漿找平,使兩端面平行度、平整度和垂直度符合水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程(DL/T 5368—2007)[19]要求.測(cè)量每個(gè)試樣的質(zhì)量、直徑和高度,計(jì)算其密度和干密度.
4)將加工完成后的試樣放入特制的塑膠薄膜中,采用電吹風(fēng)的方式對(duì)塑膠薄膜表面進(jìn)行一定程度的加熱.加熱過程中塑膠薄膜收縮,從而將試樣包裹緊密,避免試驗(yàn)過程中試樣散體以及液壓油對(duì)試樣的影響.由于塑膠薄膜厚度很小,包裹在試樣外部不會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果.但應(yīng)注意加熱時(shí)間和程度.加熱時(shí)間過短,塑膠薄膜收縮程度不夠,不能裹緊試樣,試驗(yàn)過程中試樣會(huì)出現(xiàn)散體、解體;加熱時(shí)間過長(zhǎng),塑膠薄膜融化破裂,試驗(yàn)過程中液壓油進(jìn)入試樣,從而影響試驗(yàn)結(jié)果.
按照前述方法,本次研究分別在ZK122號(hào)鉆孔33 m 和 39 m 處、ZK128 鉆孔 65 m 處、ZK114 鉆孔62 m和 70 m各取得 1塊斷層帶柱狀巖體.斷層帶巖體中斷層泥含量約20%~40%,斷層角礫直徑一般在 0.5~2.5 cm 之間,膠結(jié)差.鉆孔位置見圖2,測(cè)得的試樣物理指標(biāo)見表1.
表1 試樣物理指標(biāo)Tab.1 Physical values of samples
三軸試驗(yàn)所用儀器為MTS815程控伺服巖石剛性試驗(yàn)機(jī),由主機(jī)、Teststar控制器、液壓源、伺服控制閥和控制計(jì)算機(jī)等部分組成.設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)為:軸向荷載 0~3 MN;圍壓 0~100 MPa;試件直徑 25~150 mm,高度 50~300 mm.由于從鉆孔中取得斷層帶柱狀巖體較為困難,為了獲得更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果,盡量避免試驗(yàn)結(jié)果離散性,本次試驗(yàn)采用單點(diǎn)法對(duì)斷層帶柱狀巖體進(jìn)行三軸試驗(yàn).已有的研究成果已經(jīng)表明,對(duì)于斷層破碎帶巖體,采用單點(diǎn)法和多點(diǎn)法對(duì)斷層破碎帶巖體進(jìn)行三軸試驗(yàn),兩種試驗(yàn)方法得到的試驗(yàn)結(jié)果誤差在5%以內(nèi),具有較好的一致性[8].
從鉆孔取出的斷層帶巖體,因圍壓的釋放導(dǎo)致卸荷松弛.如果忽略原位應(yīng)力條件,直接開展三軸試驗(yàn),根據(jù)“圍壓效應(yīng)”和“強(qiáng)度再生效應(yīng)”理論,得到的試驗(yàn)結(jié)果無疑是偏低、失真的.因此,在開始三軸試驗(yàn)前對(duì)每一塊試樣施加一定的初始圍壓,此初始圍壓等于斷層取樣處所受圍壓,試驗(yàn)結(jié)果更能體現(xiàn)處于深厚覆蓋層以下隱伏斷層帶巖體真實(shí)力學(xué)性能.基于地基深部發(fā)育隱伏斷層帶巖體實(shí)際受力情況,試驗(yàn)開始時(shí)施加的初始圍壓只考慮上覆巖體自重應(yīng)力導(dǎo)致的水平圍壓P,不考慮構(gòu)造應(yīng)力的作用,如式(1).
式中: μ 為圍巖泊松比; γ 為斷層帶巖體密度;H為埋深.
斷層帶巖體密度根據(jù)表1中實(shí)測(cè)值,圍巖泊松比統(tǒng)一為0.2.根據(jù)式(1)計(jì)算得到1~5號(hào)試樣天然狀態(tài)下水平圍壓分別是0.19、0.23、0.38、0.41、0.37 MPa.考慮到試驗(yàn)操作的復(fù)雜性和初始圍壓加載的可行性,確定1號(hào)和2號(hào)試樣施加初始圍壓為0.20 MPa,3、4、5 號(hào)試樣施加初始圍壓為 0.30 MPa.
實(shí)驗(yàn)開始之前對(duì)試樣設(shè)置相應(yīng)的初始圍壓.參照以往多次試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)并考慮到斷層帶巖體的特殊性質(zhì),設(shè)置軸壓每增加2 kN系統(tǒng)自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù),包括軸壓σ1、圍壓σ3、軸向位移u和徑向位移ur,直到試樣屈服,再加第二級(jí)圍壓.根據(jù)試樣以及試驗(yàn)過程中的具體情況,施加的每一級(jí)圍壓相差0.15~0.20 MPa,一共加5~8級(jí)圍壓,比傳統(tǒng)方法僅得出4組數(shù)據(jù)具有更高準(zhǔn)確性,且能避免人為誤差.從試驗(yàn)效果來看,采用熱縮薄膜處理后的5個(gè)斷層帶柱狀巖體試樣在試驗(yàn)過程中均未出現(xiàn)解體、散體破壞,也無液壓油滲入,表明針對(duì)斷層帶這種易碎、易斷、受液壓油影響大的特殊巖體,三軸試驗(yàn)前采用熱縮薄膜進(jìn)行特殊處理具有較好的可行性和有效性.
巖體的變形模量是表征巖體抗變形能力的一個(gè)重要參數(shù).現(xiàn)有巖土試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)采用三軸試驗(yàn)獲取巖體變形模量無明確規(guī)定.根據(jù)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù),斷層帶巖體的變形模量[9]為
式中:h為試樣高度;R為試樣半徑.
根據(jù)式(2)計(jì)算獲得的5個(gè)試樣變形模量見表2.斷層帶巖體變形模量在449~921 MPa之間,平均值為665 MPa.變形模量試驗(yàn)值離散性較大,這主要是由試樣中斷層泥、斷層角礫含量不同導(dǎo)致的,斷層角礫含量高、斷層泥含量低,則試驗(yàn)值較高,反之則試驗(yàn)值偏低.
表2 斷層帶巖體變形模型試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of deformation modulus of the fault rock mass MPa
三軸試驗(yàn)得到5個(gè)試樣σ1和σ3對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3,根據(jù)試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù),建立1號(hào)試樣σ1和σ3之間的關(guān)系,見圖4,黏聚力C和內(nèi)摩擦系數(shù)f為
圖4 1 號(hào)試樣 σ1-σ3關(guān)系曲線Fig.4 The curve between σ1 and σ3 of sample 1
式中:σc為曲線在縱坐標(biāo)上的截距(MPa); φ 為內(nèi)摩擦角;m為曲線斜率.
從表3可知:斷層帶巖體黏聚力為0.04~0.22 MPa,平均值為0.13 MPa;內(nèi)摩擦系數(shù)為0.32~0.61,平均值為0.46.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,黏聚力離散性相對(duì)內(nèi)摩擦系數(shù)要高一些,是因?yàn)轲ぞ哿κ軘鄬訋r體角礫和斷層泥的含量以及角礫的粒徑、膠結(jié)程度等因素影響更大,而內(nèi)摩擦系數(shù)受上述因素的影響相對(duì)小一些.
表3 三軸試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of triaxial test
根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》 (NB/T 35026—2014)[20],軟弱結(jié)構(gòu)面(斷層帶巖體)抗剪強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值按現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)試驗(yàn)成果概率分布的0.2分位值確定.并且進(jìn)一步規(guī)定了黏聚力服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,內(nèi)摩擦系數(shù)服從正態(tài)分布.
已知黏聚力平均值 μc和標(biāo)準(zhǔn)差 σc,則黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值Ck就可以表述為已知黏聚力服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,求黏聚力0.2分位值Ck,具體推算過程如下:
定義隨機(jī)變量lnC的數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)差為
根據(jù)黏聚力服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,且已知μc和σc的條件,可以通過式(6)確定 λ 和 ξ.
由于黏聚力服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,則lnC服從正態(tài)分布,因此可以得到
故
通過數(shù)據(jù)變換,可以得到
因此,Ck可以表示為
內(nèi)摩擦系數(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為 μf和 σf.求解內(nèi)摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值就可以表述已知內(nèi)摩擦系數(shù)服從正態(tài)分布,求內(nèi)摩擦系數(shù)的0.2分位值fk.具體步驟如下.
根據(jù)上述定義:P(X≤fk)=0.2 ,因?yàn)閮?nèi)摩擦系數(shù)服從正態(tài)分布,則有
查閱標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表可知
因此,內(nèi)摩擦系數(shù)0.2分位值,即標(biāo)準(zhǔn)值fk為
根據(jù)式(11)和式(13)可以計(jì)算得到5個(gè)斷層帶巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值:Ck=0.12 MPa,fk=0.35.
斷層帶巖體,特別是壩基和邊坡深部的隱伏斷層帶巖體,其力學(xué)特性與斷層帶巖體自身特性和賦存環(huán)境有關(guān):自身特性主要包括物質(zhì)結(jié)構(gòu)、密實(shí)程度、膠結(jié)特征等;賦存環(huán)境主要包括天然地應(yīng)力環(huán)境、地下水活動(dòng)、地溫變化,以及開挖卸荷、建(構(gòu))物傳遞的荷載量值和方向等外部環(huán)境變化.另外,隱伏斷層帶巖體由于存在易碎、易斷等特殊性質(zhì),從鉆孔中取得柱狀樣較為困難,即使取得柱狀巖樣,試驗(yàn)結(jié)果也可能存在失真問題和劣化問題.而原位試驗(yàn)則存在安全問題,并且需要耗費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力,因此,天然狀態(tài)和工程荷載作用下,斷層帶巖體真實(shí)力學(xué)參數(shù)一直是工程界和學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn).限于時(shí)間、經(jīng)費(fèi)等,本文僅以怒江某水電站壩基深部發(fā)育的隱伏斷層帶巖體為例,初步提出了考慮地應(yīng)力環(huán)境的斷層帶巖體三軸試驗(yàn)方法,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和規(guī)范要求,采用理論公式分析計(jì)算得到5個(gè)試樣的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,為工程勘察設(shè)計(jì)提供斷層帶巖體力學(xué)參數(shù)依據(jù).
1)針對(duì)斷層帶巖體特殊的性質(zhì),經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)取樣和三軸試驗(yàn)研究,總結(jié)了一套斷層帶巖體取樣—試驗(yàn)前處理—施加初始圍壓—三軸試驗(yàn)—參數(shù)取值評(píng)價(jià)方法.該方法可有效避免三軸試驗(yàn)過程中斷層帶巖體散體以及液壓油對(duì)試樣的影響,并且采用這種工藝不會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果.
2)相對(duì)于內(nèi)摩擦系數(shù)試驗(yàn)值,斷層帶巖體黏聚力試驗(yàn)值的離散性要大一些,表明黏聚力受斷層帶巖體物質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷層泥含量、膠結(jié)程度等的影響更大.
3)通過三軸試驗(yàn)得到怒江某水電站壩基深部隱伏斷層帶巖體力學(xué)參數(shù):變形模量為449~921 MPa,平均值為 665 MPa;黏聚力為 0.04~0.22 MPa,平均值為0.13 MPa,取80%保證率的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值為0.12 MPa;內(nèi)摩擦系數(shù)為 0.32~0.61,平均值為 0.46,取80%保證率的內(nèi)摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為0.35.試驗(yàn)研究結(jié)果為水電工程壩基隱伏斷層帶巖體力學(xué)參數(shù)取值提供了可靠的依據(jù).
致謝:中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(20160272,20211379);第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究資助(2019QZKK0904).