岩土力学参数与地质环境

岩土力学参数与地质环境
辜明清
(四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院,四川郫县　611731)
摘　要:根据汇集的勘探、试验所获得的岩土力学参数资料,结合已建工程设计采用的岩土力学参数的实践,分析了岩土力学参数与地质环境的关系,提出了相应地质环境条件下,岩土力学参数采用的原则。

关键词:岩土力学参数;地质环境;围压;地应力中图分类号:TV 432;TV 452;P 642
文献标识码:　B
文章编号:100122184(2002)0120012203
岩土力学参数主要包括抗剪强度、变形模量、弹性模量、压缩模量和承载力等。

岩土的力学参数在工程设计中具有十分重要的意义,它对于加快工程建设,节约投资具有重大的实用价值。

而岩土力学参数与岩土体所赋存的地质环境有直接的关系。

不同的地质环境(地貌、地质构造、地下水、地应力等)条件下岩土的力学参数是有差别的。

对土体而言,不同的沉积环境和不同的含水量,其抗剪强度相差甚大;对岩体而言,地应力的基本特征,上部建筑物的荷载作用及围岩压力作用对其力学参数有相当的制约作用。

因此,根据岩土所处的地质环境合理采用岩土力学参数,对于工程设计所带来的经济、社会效益是极为显著的。

然而,现行的水利水电地质勘察规范中,对岩土物理力学性质参数的取值原则基本上未考虑地质环境的影响因素,而选用了超越规范的较高的力学参数进行设计、施工,建成的工程运行仍属安全。

笔者拟就岩土勘探、试验成果,结合其所处地质环境对岩土力学参数取值进行分析、研究,并结合已建工程的实践提出一些认识,希望引起工程地质界的讨论和争鸣。

1　地应力(围压)对岩土力学参数的影响
众所周知,地壳上部岩体存在地应力,且岩体是
处于某一地应力条件下的动平衡状态,因此,地壳上部岩体,包括软弱夹层及泥化夹层在内,绝大部分处于一种初始压应力条件下,换句话说,在一定围压条件下存在。

中、高山峡谷区地应力场主要特征是区域性地貌形态控制下的自重应力场对现今地应力场具明显的控制影响性。

上覆岩层剥蚀后而减薄对垂直应力和水平应力场的变化,导致地应力场的变化,并显示谷底是地应力较高区,在一般情况下,以产生剪切应力为主。

掌握这些特征,对于分析岩土在一定条件下所受围压值及地应力主要方向是有益的。

1.1　围压下及卸荷后土体物理、力学性质的变化
(1)根据某工程试验成果资料(见表1、表2、表3、表4)表明:①围压下土体的天然容重比卸荷后提高1.16～1.26倍,天然含水量相当于卸荷后的0.075～0.53倍;稠度状态由围压下的固态而在卸荷后为塑状或液塑状,孔隙比卸荷后为围压下的2.4～5.4倍。

②土体在围压下的抗剪强度是卸荷后的强度的6～10倍。

③不同压密状态下和不同稠度下(即不同围压下)粘性土的力学性质有显著的变化,孔隙度减小,其变形指标、抗剪强度相应提高,稠度指标愈高,土体抗剪强度相应降低;
表1　围压下及卸荷后软弱夹层物理状态变化指标表
在围压下夹层物理指标 洞中卸荷暴露后物理指标
密度 g ・c m
-3容重 103kN ・m -3含水量 %干容重 103
kN ・m -3孔隙比液限 %塑
限
%稠态
状态
密度 g ・c m
-3容重 103
kN ・m -3含水量 %干容重 103kN ・m -3孔
隙
比稠度状态解除围
压时间
2.
722.199.861.990.343218.6固态2.721.8024.71.450.837塑态5d 2.722.066.561.930.3873.741固态2.721.6286.90.872.06液态4个月2.722.139.51.940.3773.741固态2.721.8317.661.550.712固态3d 2.722.127.61.960.353218.6固态2.721.7219.81.440.85塑态10h 2.80
2.04
14.8
1.78
0.54581.335.8固态
2.80
1.68
46.91.141.41塑态3d 表2　夹层在围压下与卸荷后的抗剪强度值表
夹
层编号
围 压 下
卸 荷 后 密度 g ・c m -3容重 103kN ・m -3含水量 %液限 %塑限 %饱和含水量 %天然稠度饱水稠度
tg ΥC 0.1M Pa 含水量 %
容重 103kN ・m -3稠度
tg ΥC 0.1M Pa T 662.721.882470.536.527.5固态固态0.6651.451.21.86液态0.110.13f 6
2.732.239.540.32
3.011.6固态固态0.5271.05
60.31.78液态0.0870.105
　收稿日期:2000207218
2
1第21卷第1期2002年3月
四　川　水　力　发　电
Sichuan W ater Pow er V o l .20,N o.1M ar .,2002
表3　沉积物在重力压密作用下物理、力学性质的变化值表
孔隙率 %含水量
%
变形
特征
变形模量
M Pa
内摩擦角
°
内聚力
C M Pa
70～90WµW L 粘滞
流动
0.3～1.00～5<0.01
55～70W≥W L 粘滞
性
1～35～12
0.01～
0.03
40～55W E<W
<W L
塑性3～1010～20
0.03～
0.08
30～40W≤W P 弹塑
性
10～3014～26
0.08～
0.2
25～30WνW P弹性30～10022～280.2～
1.0
表4　不同稠度下粘性土的内摩擦角和内聚力值表
稠度指标
B Υ值 ° C值 0.1M Pa　亚粘土粘土亚粘土粘土
<025220.601.00 0～0.2523200.400.60 0.25～0.5021180.250.40 0.50～0.7517140.150.20 0.75～1.001380.100.10 >1.00≤10≤60.050.05
注:稠度指标计算式为:B=W -W P
W L-W P
(2)根据成都地区砂卵石层超重型(N120)动力触探的勘探成果表明:处于地表或埋深在5m内的砂层,其N120型超重型动力触探击数为1～2击 10c m,随着深度增加,击数也有所增加。

当埋深大于15m以下的砂层,N120≈4击 10c m,取心观测,深埋的砂层具有微层理,半胶结。

据击数判定,深埋砂层承载力为0.3M Pa,而浅层砂层最大达0.12 M Pa。

说明不同深度的砂层其力学指标有较大差距。

1.2　围压、卸荷岩石力学性质的变化
(1)铜头电站坝基、坝肩均为第三系砾岩,岩体完整,其岩体现场大剪、变形试验成果(表5)和岩石三轴试验成果(表6)对比表明:①三轴峰值抗剪强度和残余强度接近,随压力增大变形模量值有较大的提高;②与岩体现场大剪相比,其围压下的岩石凝聚力值提高10～36倍;③完整岩体在围压下的抗剪强度主要表现在凝聚力大幅度提高,而随围压增大,变形指标也随之增高;
表5　铜头电站岩体现场大剪及变形试验成果表岩
性
抗　剪　强　度
峰　值屈　服比　例
动
弹
模
静
弹
模
变
模tgΥ
C
M Pa tgΥ
C
M Pa tgΥ
C
M Pa
E d
M Pa
E c
M Pa
E o
M Pa 钙泥质
砂　岩
1.110.550.850.520.560.47
22000
～
25000
4578.41398.9泥钙质
砾　岩
1.550.081.110.060.770.04
6558.23181.9
320004498.22245.1泥质
砾岩
0.990.540.860.320.550.25180003818.91398.9
表6　铜头电站岩石三轴试验成果汇总表岩石
名称
侧向
压力
M Pa
变形
模量
104M Pa
　三轴峰值剪切强度 残余强度　
tgΥΥ °C′ M Pa tgΥ′Υ′ °
钙泥质
砾　岩
31.66
52.08
72.57
0.78386.70.7336
泥钙质
砾　岩
32.81
53.10
719.2
0.7737.56.50.7336
泥质
砾岩
31.80
52.00
0.73364.50.6934.5 (2)城东电站坝基为强风化带泥岩,“加荷→卸荷→再加荷”试验成果(表7)表明:再加荷的压缩模量相当于初次加荷的1.65～2.25倍。

反映了在围压应力解除后,回弹膨胀产生松弛,压缩模量降低。

表7　初次加荷与再次压缩系数、模量比较表
项 目
加 荷 次 别
初次加荷 再次加荷 倍比关系 压缩系数
a(0.1～0.2)
M Pa-1
压缩模量
E(0.1～0.2)
M Pa
a′(0.1～0.2)
M Pa-1
E′(0.1～0.2)
M Pa
a(0.1～0.2)
a′(0.1～0.2)
E(0.1～0.2)
E′(0.1～0.2)
平均值0.1218.500.0630.492.001.65大(小)值平均值0.1811.210.0822.122.251.97
2　工程实例
2.1　四川雅安铜头电站
雅安铜头电站是我国第一座在下第三系砂岩上建造的双曲薄拱坝,坝高75m,组成坝基、坝肩的岩石为泥钙质砾岩、钙泥质砾岩夹泥质砾岩。

根据现场岩体试验成果提出的岩石力学参数(表8)判定:坝基、坝肩岩石属软～中硬岩类,其强度低,变形指标低。

在这种软～中硬岩、低弹模地基上建造高拱坝的可靠度在当时引起了不少地质、设计专家的关注。

为了充分论证大坝地基岩石的力学参数合理取值,对大量现场试验成果进行了分析研究并补充了三轴岩石试验,其试验成果(表6)表明:在三轴围压下,峰值抗剪强度与残余强度的内摩擦角接近,f值在围压下提高不显著,而凝聚力(C)比大剪试验成果提高了10～36倍,变形指标随围压增大有较大的增高。

分析后认为产生这种变化的原因主要是:①由于
31
砾岩中裂隙少,岩体完整,无明显的层面,层面胶结良好,在制备大剪、变形试件时,人工加工对试件扰动影响较大;②试件均在平硐、竖井中制备,受爆破影响,试件已松动,据剪前剪后试样地质描述,试件表层松动达10～18c m,爆破裂隙深达27c m。

因此,爆破及人工凿动破坏了砾岩间的胶结联接,使凝聚力(C值)和变形指标降低;③铜头电站坝址区属中山峡谷区,两岸边坡陡峻坡高大于150m。

狭谷形成后,自重应力场改变,在谷底产生应力集中,形成高应力区,施工开挖中,谷底基坑岩体产生卸荷回弹影响深度达8～12m,河谷底部的平硐、竖井在施工开挖及试件加工过程中,砾岩失去围压后产生卸荷回弹,削弱了砾石间的联接力,使C值及变形指标降低。

而大坝建成后,地基岩体处于较大的围压作用下,因此,岩石力学参数应考虑区内的应力场特点,地基岩体处于有较大围压的地质环境。

笔者提出了铜头电站岩石力学参数设计采用值,见表9。

表8　铜头电站岩石力学参数建议数据表岩 性
湿抗压强度抗剪强度弹性模量变形模量
M Pa F C M Pa E M Pa E o M Pa 泥质砾岩16.60.650.0432001200
泥钙质泥岩36.60.700.0145002200
钙泥质泥岩29.60.670.0139003000
表9　坝区砾岩物理力学建议数据表
岩 性
项目
密
度
g・c m-3
干密
度
g・c m-3
孔隙
率
%
吸水
率
%
湿抗
压
M Pa
软化
系数
抗剪断强度　抗剪强度　
tgΥ
C
M Pa tgΥ
C
M Pa
弹模
GPa
变模
GPa
泊
桑
比
泥钙质砾岩2.762.711.341.0536.60.710.760.450.620.06.03.20.28钙泥质砾岩2.752.692.211.7029.60.690.700.400.600.03.93.00.28泥质砾岩2.752.644.091.6316.60.580.600.290.550.02.00.90.30
按上述岩石力学参数进行设计,施工中,对大坝岩体存在的地质缺陷采取了一系列工程处理措施。

该电站1995年竣工运行以来,未见大坝不安全变形破坏迹象。

经变形观测资料验证:拱坝水平位移年变幅不超过±8mm,垂直位移年变幅不超过±6mm,下游抗力体的水平、垂直位移小于±3mm;均远小于按设计使用的岩石力学参数进行计算的设计值和模型试验值,表明岩石力学指标仍有一定潜力。

同时也为在软～中硬岩地基上建造高拱坝提供了经验。

2.2　洪雅城东电站
洪雅城东电站为拦河闸坝,最大坝高27.5m,坝长339m,泄洪冲沙闸21孔,装机75MW。

地基岩石为强风化泥岩。

该层风化泥岩厚12.5～19.0 m,根据提出的强风化泥岩的抗剪强度为:tgΥ= 0.28,C=0,允许承载力0.2～0.4M Pa,变模E o= 0.02GPa,不能满足设计要求,而在施工开挖时该层风化泥遇到地下水侵袭给施工开挖带来了极大困难,从而提出了研究在风化泥岩上建闸坝问题。

通过取样试验的“加荷→卸荷→再加荷”成果表明,再次加荷的压缩指标比首次加荷高1.65～2.25倍,证明了坝基风化泥岩同样存在一定的围压,在修筑闸坝后,对地基风化泥岩的围压有所增加,因此,考虑地基风化泥岩在一定围压地质环境采用了如下指标进行设计:抗剪强度tgΥ=0.35,C=0.01M Pa,允许承载力R=0.4M Pa,压缩模量E s(0.1～0.2)=20 M Pa及E s(0.2～0.4)=27.0M Pa。

施工中对坝基风化岩体进行了专项工程处理。

该电站于1999年12月建成运行,未发现闸坝变形迹象。

这一事实冲破了过去对重力刚性坝不能建在风化泥岩上的理性认识,为充分利用风化岩体提出了一些思考。

2.3　绵竹太平水库工程
该水库始建于1956年,坝高26.5m,库容147万m3,为均质土坝。

坝基为一层连续分布的淤泥质粘土,厚2～5m,在坝基下分布沿轴线长135m,垂直于轴线方向贯穿整个坝基,上游厚2～2.5m,下游厚3～5m。

上界面高程713～722m,下界面高程710～718m。

该水库建成运行以来,未见因坝基淤泥质粘土引起的大坝变形破坏。

分析资料认为:由于当时为人工施工,施工中未挖除该淤泥质粘土,但施工时间长达2年,对该土体的压密、沉降时间较长,同时大坝下游坝踵地段平行于坝轴线挖了一个宽5.0m长槽,清除了该淤泥质粘土并回填粘土夹砾石后夯实。

使坝基下淤泥质粘土处于四周封闭有侧限围压状态的地质环境。

在有侧限围压作用下,其物理力学参数得到提高,致使水库建造运行以来未发生大坝变形破坏。

3　结　语
(1)工程实践表明,岩土的物理力学参数与岩土所处的地质环境密切相关,根据岩土所处地质环境对岩土力学参数进行分析、研究,采用比较合理的岩土力学参数,充分挖掘岩土潜在能力,对优化设计,
(下转第17页)
41
取Α=1.0,g=9.81m s2时:
表2　计算方法比较表
项 目
编号
计算流量
m3・s-1780780780断面直径
m151515
计算依据
华东水利学
院主编《水工
设计手册》中
经验公式
武汉水利电
力学院编《水
力计算手册》
中的图解法
本文简化
图表方法
反馈计算计算结果
h k m
8.2228.048.13
A k m299.1682396.5015298.36646
B k m14.9303314.9610714.94698
1-
A3k B k
ΑQ2 g%
%
-5.32
+3.15
-2.68
计算结果
h k m
8.2228.048.13
Q=0.00981E d5(10)对于式(9)和式(10)进行具体计算时,若以圆形
断面无压流的最大泄流量Q m ax时,其充水度为h= 0.95d,在陡坡情况下,隧洞进口断面是控制泄流量的,需考虑摩阻收缩等影响而抬高水位,有时尚应留余裕。

若以进口控制断面的水深初拟设为临界水深,即取进口水深h B=h k=0.95d,则可由表1或图2中查得E=1055。

将E值代入式(9)和式(10),就可得到宣泄最大流量情况的圆形断面直径与泄流量关系式为:
d=5101.937Q2 E
=5101.937Q2 1055=50.0967Q2(11) Q=0.00981E d5
=0.00981×1055d5=10.3496d5
(12)
[算例2]某水利工程圆形隧洞,已知在无压流态时的最大泄流量为500m3 s,试求(1)估算需要多大隧洞直径?(2)若已知隧洞直径为7.5m时,估算宣泄最大流量为多少?
[解](1)按照已知数据利用式(11)为:
d=50.0967Q2
=50.0967(500)2=7.53(m)
(2)利用式(12)为:
Q=10.3496d5
=10.3496(7.5)5=495.58(m3 s)
参考文献:
[1]　武汉水利电力学院.水力计算手册[M].北京:水利电力出版
社,1983.
[2]　华东水利学院.水工设计手册[M].北京:水利电力出版社,
1986.
[3]　M.п.科惹尼柯夫著,北京地质学院译.普通水力学讲义(为中国
高等学校教师授课讲稿)[M].北京:高等教育出版社,1955.
作者简介:
张文倬(1932年2),男,云南人,国家电力公司昆明勘测设计研究院高级工程师,从事水利水电施工导流设计工作.
(上接第14页)
节约投资,保护环境,无疑是有价值的,应该引起地质工程学界的关注;
(2)地质环境是一个动态变化过程,自然营力的剥蚀、堆积、人工活动开挖、弃渣,上部建筑物的荷载特征、工程处理方法及地形、地貌地应力特征等均会改变地质环境,充分认识这一点对研究岩土力学参数与地质环境相关关系是有意义的;
(3)围压对土体的力学性质影响明显,认识到这点,对于改变现行取样、试验方法,使软弱夹层抗剪参数偏低的状况改变,选取较为合理的力学参数进行工程设计,必将大大降低工程投资,同时确保工程安全;
(4)对于浅埋的、性质较差的岩、土体,通过工程实践,用封闭、加固措施是有效的、经济的。

作者简介:
辜明清(1947年2),男,四川乐山人,四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院总工程师,高级工程师,从事岩石工程力学参数
研究.
《大坝与安全》2002年征订启事
《大坝与安全》杂志系由中国科学技术协会主管、国家电力公司大坝安全监察中心和中国水力发电工程学会联合主办的、唯一的全国性大坝安全专业期刊。

1987年创刊至今已内部发行54期,2001年起获准在国内外公开发行。

《大坝与安全》以推动我国大坝安全事业发展为宗旨,致力于宣传国家大坝安全管理方针,传播大坝安全专业技术,交流大坝安全技术管理经验,提高广大大坝安全专业工作者和决策者的技术管理水平。

主要刊登水库大坝在设计、施工、科研、运行及维护管理的学术论文和技术经验总结。

设有法规与文件、运行管理、安全评价、防洪度汛、事故分析、水库调度、缺陷治理、监测技术、设计研究、新技术应用、国外大坝安全技术、信息窗等栏目。

本刊为双月刊,全年6期,每双月8日出版,刊号CN3321260 T K,大16开,2002年每期订价10元,全年60元(包括寄费)。

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71。