水利水电工程基岩卸荷裂隙的成因机制

水利水电工程基岩卸荷裂隙的成因机制
韦国富
【摘要】基岩卸荷使其部分裂隙张开度增大的现象是无所不在的。

无论是天然的基岩斜坡，还是岩体工程开挖的地方，人们只要稍加注意。

就会发现卸荷现象是普遍的，但绝不是到处都是一样的；当然要进行灌浆、排水或其它工程处理，也绝不能用一律对待的方法。

对于这些问题的研究，要首先分出工程围岩的岩性，然后再分析在同样背景条件下，不同岩性出现的不同卸荷现象。

将分别用室内外试验和野外观测的方法来分析卸荷裂隙形成的成因机制。

【期刊名称】《黑龙江科技信息》
【年(卷),期】2011(000)028
【总页数】1页(P77-77)
【关键词】水利水电工程;基岩;卸荷;裂隙;成因机制
【作者】韦国富
【作者单位】贵阳市水利水电勘测设计研究院,贵州贵阳550000
【正文语种】中文
【中图分类】P642.22
对于基岩卸荷裂隙问题的研究,要首先分出工程围岩的岩性,然后再分析在同样背景条件下,不同岩性出现的不同卸荷现象。

本文将分别用室内外试验和野外观测的方法来分析卸荷裂隙形成的成因机制。

1 坚硬岩体内卸荷裂隙的形成机理
在岩体工程中,难免要进行开挖,开挖对岩体产生的最直接效应是卸荷作用,这种卸荷作用会引起岩体内的应力重新分布,有的甚至使岩体拉断或裂隙拉开乃至引起失稳破坏。

常见的工程岩体开挖方式(卸荷方式)有四种:第一种为岩体边坡开挖和地基开挖,它的卸荷方式(a1＞a2＞a3＞0);第二种的露天岩体开挖,其卸荷方式;第三种的隧洞岩体开挖卸荷方式;第四种的硐室开挖中的交叉洞(横洞、试验洞)。

2 较软岩体内卸荷裂隙的形成机理
在弱弹塑性岩体中(主要指较软岩)修建岩体工程时,开挖对较软岩的最直接效应为卸荷作用。

这种卸荷作用引起岩体内的应力重新分布,使岩体内产生蠕变、新的裂隙,原有的部分微裂隙加宽,甚至发生滑动破坏。

下面用室外三个试验成果来分析这类卸荷裂隙形成的机理。

2.1 举轴压缩蠕变试验
对于有结构面的软岩,周瑞光等人,在北京某地进行了二叠系红庙岭组粘土岩单轴蠕变实验。

对其中的一个以100cm×l00cm×l00cm的试件为例进行了描述。

该试件结构面发育,试件起始蠕变应力为0.15MPa,试件4侧在0.184MPa的应力级作用以前的各应力级下均未出现沿已存裂隙面的可见微裂隙。

在0.184MPa应力级作用5h后,试件南侧的原裂隙面附近出现了断续可见滑动型微裂隙,在断续裂隙末端相继出现微张裂缝。

在0.312 MPa应力级作用8h后,断续滑移缝被连通,并产生多条张裂隙,试件东、西两侧面出现了滑动现象。

0.42MPa应力级作用12h后,试件的北、西侧面出现了向NW方向滑移现象。

试件在0.5MPa应力级作用下进入加速度蠕变阶段,经25h后试件破坏。

这组蠕变试验表明,一个岩体在稳定的长期荷载作用下,发生差异蠕动破坏时,首先是迁就原裂隙蠕动变形,如果作用力的方向与裂隙面倾向交角较大时,将产生新的与作用力方向夹角较小的新裂隙。

2.2 现场岩体压缩蠕变试验
在小浪底工地,曾进行了四组长期荷载作用下的蠕变试验。

试验采用承压板法,试点
尺寸为2000cm2,垂直层面、应力按0.7、1.4、2.1、2.8MPa和3.5MPa逐级长
期加载压缩蠕变试验最大影响深度在60～120cm之间。

在此影响深度内,按不连
续面的分布规律分析,有可能遇到2～5个层面和1条构造裂隙,前者的常见卸荷裂
隙宽度为0.03mm,后者的常见宽度为0.08mm。

当垂直荷载方向与层面倾向夹角70°～80°时,层面首先闭合,其闭合变形应在0.1～0.2mm之间,而该表所列的瞬时变形在0.14～0.99mm之间。

由此可见,瞬时变形
应包括层面的压密变形和构造裂隙破碎压密变形。

蠕变变形占总变形的20%～29%左右。

蠕变变形量应属岩块压缩量。

2.3 原位三轴压缩蠕变试验
在二叠系红庙岭组粘土岩内,周瑞光等人进行了原位三轴压缩蠕变试验。

试件四周
安装了16个千分表。

所有16个测点的变形量都有差异。

测数表明,各测点进入差异蠕动变形有先有后,变形量有大有小。

较软岩体在三轴压缩状态下,也存在差异蠕
动变形和破裂破坏。

2.4 对蠕变试验成果资料的分析
在开挖的卸荷侧面上,如果不存在不利的裂隙以释放卸荷力,那么随着卸荷力的加大,在卸荷一侧会引起蠕变、层厚变薄,乃至新的微细张裂隙。

隙面倾向平行荷载力方向,隙面走向与荷载张力呈大角度相交;在开挖的卸荷侧面上如存在一组走向与卸荷
面呈锐角相交的裂隙面,卸荷力就会迁就这组裂隙,使裂隙加宽,甚至滑移破坏。

所需要的破坏力,与迁就裂隙的走向线与开挖面的走向线交角大小有关,交角愈大,所需要的滑移力就愈大;在卸荷侧面上有不利的裂隙滑移组合面,其滑移破坏应力要小得多。

非卸荷带内岩体所处的应力状态与三轴压缩下的应力状态是相似的,当非卸荷带内
岩体的应力状态改变时,如有附加荷载大于一定值时,它将向围压较小的一侧卸荷,仍
会,出现单轴压缩所出现的力学现象。

在此必须说明的是,围压愈大,较软岩的蠕变破坏应方就愈大。

差异蠕变破坏是较软岩应力破坏的主要形式。

较软岩的差异蠕变会引起以其为邻的硬岩应力状态发生较大的变化。

3 硬、软岩互层的卸荷裂隙的形成机理
在岩层倾向与边坡坡向基本一致的顺向坡内,普遍发育有边坡卸荷裂隙。

由于硬软岩卸荷运动的速度差,使方块、长方块的砂岩顺坡倾斜而形成一种“反迭瓦”式的斜坡卸荷变形模式。

由于岩层硬软岩相间,坚硬的脆弹性地层以刚性破裂为主,而软岩则以蠕变或塑性变形为主。

相对坚硬的岩层被节理切割成长高比为1/2～2的条块,其上下为不透水的软岩。

显著的“反迭瓦”现象,只发生在由硬软岩互层组成的顺向边坡中。

坚硬岩层顶部的软岩层,由于遭受卸荷蠕变比下部软岩层向下滑移量大,差异性滑移组成了一对力偶,扭动了夹于其中的坚硬岩块。

在硬软岩互层顺坡向边坡中,除了可见到“反迭瓦”构造以外,还可见到牵引褶曲现象。

这种褶曲是由坚硬岩层滑过软弱层,或软岩蠕变差异变形而产生的这种小型褶曲可能由于大型褶曲翼上的岩层互相滑动而产生,或者发生在逆掩断层块的下面,牵引褶曲的轴面并不垂直于坚硬岩层的层理,而以一个角度斜交。

在力偶的作用下,软弱岩层里一个假想的圆将变为一个椭圆。

褶曲轴面的交迹平行于椭圆的长轴。

轴面和主要层面间的锐角指向相对位移的方向。

此外,在这类边坡中还可见到岩块间软弱层的蠕变或塑性流现象。

由于层面产状及其它条件不可能是完全均匀的,边坡浅部岩块转动也不可能是完全均匀的,因而使“反迭瓦”构造不协调。

软硬互层顺向边坡卸荷变形破坏了岩层的完整性。

在卸荷影响带内,岩块间裂隙加宽,在“反迭瓦”现象发育区,不协调的岩块转动,岩块间产生空洞,这些变宽裂隙和空洞都使岩层的透水性大大增加,即使在软岩内,也由于强烈的褶曲使其隔水性能大大降低,甚至变成透水地层。

参考文献
[1]林海燕.水利水电工程建设中的基岩卸荷裂隙问题探析[J].中国市场,2009(41):58-59.
[2]龚云.水利水电工程建设探讨[J].中国科技博览,2009(11):291.。