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

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

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