大湾组页岩工程力学质试验研究.doc

大湾组页岩工程力学性质试验研究李维树 谭新 乐俊义(水利部岩土工程重点试验室；3.长江科学院 重庆岩基研究中心，重庆 400014)摘要：大湾组页岩为乌江银盘水电站大坝基础的主要持力岩体，本文对预可研和可研阶段现场和室内试验研究成果进行了归纳总结，从试点的地质代表性、页岩的破坏形态、各向异性特征、受力方向与岩层之间作用关系，大面积岩体的声学特征等方面进行分析了页岩的变形特性、岩体及混凝土与岩体接触面剪切强度特性、页岩的声学特性。提出了页岩的工程力学参数建议值。关键词：乌江银盘水电站；大湾组页岩；工程力学性质；参数建议值51 前 言乌江银盘水电站是乌江干流开发的第11梯级，位于重庆市武隆县境内。主要由挡水建筑物（大坝）、泄水建筑物、电站厂房和通航建筑物组成。大坝为混凝土重力坝，最大坝高78.5m，坝顶长约600m，电站装机容量600MW。通航建筑物规模为500t级船闸。该工程地层主要为奥陶系五峰组、临湘组、宝塔组、十字铺组、大湾组、红花园组、分乡组。坝址区内岩体软硬相间，层理明显，斜向谷，断层、裂隙和软弱结构面比较发育。大湾组岩层总厚度233.9m，其中（O1d1）厚度99.2m，为灰绿色页岩夹薄中厚层含泥质灰岩，上部夹少量粉砂岩；（O1d3）厚113.0m，为灰灰绿色页岩、砂岩、长石石英砂岩及少量薄层含泥质灰岩，长石石英砂岩及砂岩相变较大。该工程岩石力学问题主要有以下三个方面1：（1）软硬相间岩体变形稳定问题：软岩类岩层有O1d1-3 、O1d31、O3w及S1Ln页岩层，硬岩类岩层有O1d2、O1d32、O1d33、O23灰岩、砂岩。页岩在坝基出露长度约378m，占大坝长度的63。因此软岩的变形及软硬相间岩体不均匀变形问题较为突出；（2）大坝深层抗滑稳定问题：大坝建基岩体主要由软岩和硬岩互层组成，页岩占有相当大的比例。坝基岩层倾向右岸偏下游，倾角40，河流流向SW213，与岩层走向夹角25,岩层向下游视倾角22，岩体中发育11条类泥化剪切带，27条1类破碎夹泥剪切带，32条2类破碎剪切带，大坝存在深层抗滑稳定问题。（3）高边坡抗滑稳定问题：左岸人工边坡最高达118m，其中左坝肩上游边坡为O1d页岩，岩层走向358，倾向SW，倾角39，为斜交顺向坡，边坡整体稳定性差。右岸人工边坡最高达156m，整体上为斜交逆向坡，边坡稳定主要由顺坡向发育的f1断层和NNE组反倾向裂隙控制。预可行性研究阶段主要进行了一定数量室内岩石物理力学性质试验，但页岩成样条件差，遇水易崩解及风化，岩石的变形及强度参数较低。可行性研究阶段主要针对各个地层岩性在8个勘探平洞中开展了岩体变形特性、混凝土与基岩及岩体本身的直剪强度、剪切带、断层及结构面直剪强度参数、岩体的声学特性试验研究2，其中重点是研究页岩的工程力学特性。对于一个地质条件较为复杂的大中型水电工程，岩石力学参数的正确分析与合理取值是决定建筑物稳定与否的关键，为此，本文在大量的试验研究基础上，从试点的地质代表性、建筑物与岩层之间作用关系，岩体的各向异性特征、软岩的破坏形态及等方面进行深入的分析，并结合大面积的声波测试评价大范围岩体的力学指标。2 页岩的工程力学性质122.1岩石物理力学性质该过程中页岩有含炭质页岩、砂质页岩和页岩，它们的孔隙率在1.89%8.62之间，但大多数岩石的孔隙率在5以上，属中高孔隙率岩石。页岩主要成分为伊利石，其中O1d3-1中含20%绢云母和绿泥石；O1d1-1中伊利石含量85%，绢云母10% O1d1-3中伊利石含量85%，高岭石13%。O1d2、O1d1-2 、O2+3、O1h含泥质灰岩湿抗压强度为3482MPa，平均值59.3MPa，变形模量35.8122.1GPa，平均值79.3GPa，属于较坚硬岩石； O1d3-2、O1d3-3石英砂岩及粉细砂岩的湿抗压强度范围72.5148.5MPa，平均值103.9MPa，变形模量32.793.4GPa，平均值56.6GPa，属于坚硬岩石；S1Ln、O3W、O1d3-4含炭质和砂质页岩的湿抗压强度范围15.542.7MPa，平均值24.0MPa，变形模量7.639.5GPa，平均值18.6GPa，属于较软岩；O1d1-3、O1d3-1和O1d1-1为普通页岩，其湿抗压强度范围7.721.3MPa，平均值13.8MPa，变形模量7.1422.1GPa，平均值13.8GPa，属于软岩。可见页岩的物理力学参数比坚硬岩石低得多，且页岩中所含成分不同，变形及强度参数也相差较大，同一地层页岩由于页岩的结构特点、试验时的条件等因素的影响参数差别也相当大。页岩是呈定向排列的强各向异性岩石，其页理面的倾角和作用力的方向，对强度特性的影响较为明显。由于该工程页岩的页理面倾角为3840，所以在外载荷作用下，易沿页理面开裂破坏，页岩在取样、运输和加工过程中页理面受到一定程度的扰动，使力学参数偏低。而三轴试验说明，页岩在围压状态下的强度明显高于单轴抗压强度值。2.2 页岩变形特性预可研及可研阶段在6条勘探平洞中对页岩进行了7组21点的岩体变形试验，试验成果统计见表1。表1 坝基页岩变形及声波测试结果统计位置风化程度地层代号变形模量/GPa弹性模量/GPa纵波波速/km.s-1PD3#弱风化O1d1-30.811.711.261.533.292.191.983.002.50PD1#、PD3#微风化O1d3-12.608.044.593.289.526.013.213.683.44PD5#微风化O1d3-11.9310.494.594.0814.137.303.433.673.55PD7#弱风化O1d1-30.542.231.061.713.822.372.673.342.89PD6#微新O1d3-17.729.518.7413.2714.2413.883.723.803.76PD8#微新S1Ln10.4025.1017.0516.5230.5323.283.514.384.03注：分子为范围值，分母为平均值。O1d1-3、O1d3-1页岩在平洞内呈层状分布，层间夹薄层灰岩或者砂岩，层理间胶结程度和页理面的发育程度直接影响岩体的完整性。结合试点地质情况分析，新鲜完整且页理面不发育的页岩，以及下伏灰岩或者砂岩的情况下其变形模量在7.710.5GPa；较完整且页理面较发育的页岩，其变形模量在4.45.1GPa；较破碎且页理面发育、层间有钙质或者泥质充填的页岩，其变形模量在1.93.3GPa。新鲜完整较完整含炭质、砂质页岩的变形模量为10.425.1GPa。在进行变形试验的同时，在试点周围布置钻孔进行声波测试，了解变形参数与波速之间的关系，为评价大范围岩体的变形特性提供依据。变形模量与波速之间具有较好的函数关系：2.3页岩的声学特性在5条勘探的洞壁上钻孔进行声波测试，按照地层进行波速统计。5条勘探平洞中O2+3 、O1d2 、O1d3-2地层岩性较为单一，为灰岩或者砂岩，波速范围为4.085.88km/s；O1d1-1、O1d1-3、O1d3-1、 O1d3-4 以页岩为主夹薄层灰岩或者砂岩，波速范围2.945.39km/s。对坝址区铅直方向的36个钻孔按照岩性分类统计岩体的波速：O1d1-1、O1d1-3、O1d3-1层页岩3.253.66km/s， S1Ln、O3w层页岩3.383.95km/s，属类岩体；O1d3-4层页岩3.563.70km/s ，属类岩体。从岩体变形试点附近的铅直钻孔和对应部位的水平钻孔声波测试，对于页岩，平行于层面方向（水平方向）的波速为4.34km/s，与页理面斜交（铅直方向）的波速平均值为3.49km/s，说明页岩在不同方向的波速有显著的差别。二者的比值为0.81。为了研究页岩的各向异性特点，在PD5平洞对O1d3-1层完整新鲜的页岩中布置了9个钻孔，钻孔方向与页理面平行，钻孔与钻孔之间平行，采用跨孔法测试各个钻孔之间的波速，32条测线统计结果见表2。可见，平行页理面方向波速范围值4.075.00km/s，平均值4.62km/s，垂直页理面方向波速范围值2.753.15km/s，平均值2.98km/s，与页理面有2766交角的波速介于二者之间，波速范围值3.044.72km/s，平均值3.66km/s。VP垂/VP平 =0.65，VP垂/VP交 =0.79。从波速角度说明页岩具有明显的各向异性特征。 表2 微新页岩不同方向声波测试统计成果层位波速/km.s-1平行页理面垂直页理面与页理面斜交（2766）O1d3-14.075.004.622.753.152.983.044.723.66注：分子为范围值，分母为平均值。坝区平洞中波速值近似水平方向，与岩层之间有一定的交角，地质钻探孔及变形试点钻孔波速为铅直方向，与岩层之间有约40交角。2.4 混凝土与页岩接触面直剪强度参数混凝土与页岩接触面直剪试验成果见表3。破坏形态为沿接触面脆性破坏，但由于页岩裂隙较发育，试点面形成较多的凹坑，破坏后混凝土面起伏不平，起伏差明显比混凝土与硬质之间的破坏面大，而且混凝土与O1d1-3层弱风化岩体之间的破坏面的起伏差比混凝土与微风化页岩的起伏差大，因此，抗剪强度参数反而比混凝土与微新页岩的高，由此更进一步说明起伏差是影响抗剪强度参数的主要因素。由于起伏差是主要控制因素，因此将混凝土与弱风化和微新页岩之间的试点进行综合整理，综合关系曲线见图1。用图解法确定的峰值强度参数为f=1.15，c=0.99MPa； f=0.81，c=0.22MPa。比例强度参数为fb=0.740.84，cb=0.370.71MPa。表3 混凝土与页岩接触面直剪强度试验成果层位风化程度抗剪断峰值强度参数抗剪断比例强度参数抗剪峰值强度参数fc/MPafbcb/MPafc/MPaO1d1-3微新1.400.870.840.710.880.21O1d1-3弱1.331.030.740.460.780.23O1d3-1弱1.170.640.830.370.790.29图1 混凝土与页岩关系综合曲线混凝土与软质岩接触面之间的峰值强度参数略低于混凝土与硬质岩之间的直剪强度参数，但比例界限值强度参数前者明显低于后者。2.5岩体本身直剪强度参数该工程页岩岩层产状为2803538，推力方向为210240向下游。在空间上，岩体直剪推力方向与岩层走向之间呈4070交角，与岩层倾角之间呈3538交角，且逆向作用，破坏面多为锯齿状态或者凸凹不平的不规则倒坎形态，倒坎型锯齿数量与页岩页理面发育程度、裂隙分布情况有关，页岩被剪断后的起伏差一般310cm，最大16cm，少数试点破坏面受裂隙影响起伏差相对较小，但起伏差也有35cm。因此破坏面的起伏差是影响页岩抗剪强度参数的主要因素。大湾组页岩页理面的性质也直接影响岩体的抗剪强度参数，对完整新鲜且页理不发育的页理面进行的原位直剪试验结果说明，页理不发育时，多数情况切层破坏，实际上属于岩体本身破坏，但破坏面起伏差一般13cm，局部34cm，明显比页岩本身破坏面起伏差小，抗剪强度参数略低于岩体本身的直剪强度参数。而面平直充填钙泥膜的页理面的抗剪强度参数为f=0.50，c=0.18MPa明显低于页理面不发育的情况。由此可见，在剪应力作用下切层破坏、起伏差较大时的剪应力显著高于起伏差较小的剪应力，而且与破坏面的形态有关。由于起伏差的影响，使单组试验值的离散性较大。对微新页岩本身和页理面大剪试验数据进行综合整理并用图解法确定抗剪断峰值强度参数，关系曲线见图2。图2 页岩关系综合曲线结合试点的破坏形态和岩体的完整程度对应分析，大值平均抗剪断峰值强度参数为f=1.29，c=2.74MPa，代表完整且起伏差大于10cm的情况；小值平均抗剪峰值强度参数为f=0.86，c=0.63MPa，代表较破碎岩体且起伏差小于3cm的情况；平均抗剪强度参数为f=0.86，c=0.83MPa，代表较完整且起伏差在510cm的情况。 2.6层间剪切带坝区内共揭露64条剪切带，根据充填性质和规模分为、两大类，试验结果见表4。类剪切带中以3103#和3202#性状为典型，剪切带主要为软塑状泥质充填，面较光滑，泥化层较连续，抗剪断峰值强度参数为f=0.180.19，c=0.010.02MPa。类剪切带分为2个亚带，1类剪切带中以2002#为典型，主要为泥夹碎屑或碎屑夹泥，泥化层不连续，抗剪断峰值强度参数为f=0.29，c=0.04MPa。2类剪切带中以1103#和3103#性状较为典型，主要为片状页岩夹方解石脉，上下面局部附泥膜，面较平直，略有起伏，抗剪断峰值强度参数为f=0.39，c=0.080.26MPa，2005#剪切带实际上为灰岩与灰岩之间的硬性结构面，抗剪强度参数比1103#和3103#剪切带高。层间接触面主要为硬性结构面，灰岩与页岩和页岩与灰岩之间接触面参数较为接近，面平直稍粗，抗剪强度参数为f=0.610.65，c=0.110.15MPa。表4 剪切带原位直剪试验强度参数层位试验对象抗剪断峰值抗剪峰值简要说明fc/MPafC/MPaO1d21-20020.290.040.270.04泥夹小碎石，厚度210mm。面较平整。O1d3-1-31010.190.020.180.01软塑状页岩碎沫，厚度不均匀，剪切面平直光滑。O1d3-2-32020.180.010.180.01附泥18mm，呈软塑状，面平直较光滑。O1d1-32-11030.390.080.350.04面平整附泥膜，呈碎沫状态，厚度约15mm。O1d22-20050.880.800.450.27面风化呈铁锈色，平整稍粗，起伏差15mm。O1d3-12-31030.390.260.380.210.52mm厚的方解石充填，上下面附泥膜，起伏差0.52mm。2.7断层f1、f4、f5、f9和f11断层为裂隙性断层，规模较小，其中f1、f4和f9断层相对于f5和f11差，前者断层物质风化且普遍泥化或附断层泥，面较平直，后者局部附泥膜，面较平直。5条断层基本上能代表坝区裂隙性断层的抗剪强度参数。但断层物质的性状和厚度在不同的部位有差异，同一个断层中试点面的性状也有微观的差别，且断层所处的岩层、风化程度对抗剪强度参数也有一定的影响。试验结果见表5。表5 断层直剪试验强度参数断层编号抗剪断峰值抗剪峰值简要说明fc/MPafc/MPaf4断层0.410.080.390.07厚约10cm，面平直见擦痕，附钙膜局部泥化，呈铁锈色。f11断层0.510.130.460.12面较平，局部附断层泥，厚一般02mm，局部510cm，呈软塑状。f5断层0.510.130.500.11局部泥化，风华变色厚度13cm，起伏差13cm。f1断层0.350.150.320.15为风化页岩碎屑及碎沫，局部泥化。厚度25cm。起伏0.51.5cm。f9断层0.350.160.330.15页岩夹13cm厚方解石薄片断续泥化。起伏差0.10.5cm。2.8裂隙 裂隙面充填物性质、粗糙程度是影响抗剪强度参数的因素。根据对试点剪切面性状的分析，6条裂隙分为4类，各类裂隙的抗剪强度参数及代表性裂隙编号见表6。表6 裂隙直剪试验强度参数分类统计成果裂隙面主要特征裂隙编号抗 剪 断抗剪fc/MPafc/MPa平直附泥膜L34、L60.310.380.130.160.310.370.120.14平直局部附泥膜L77、L720.420.550.140.170.400.540.140.15平直无充填L140.570.480.520.11起伏方解石充填L330.630.220.600.182.8层间接触面 O1d2灰岩与1d1-3 页岩接触面，产状28035。试验后沿接触面破坏，面较平直，呈铁锈色，附黄色泥膜，面上残留页岩碎片。起伏差一般12cm，最大3cm。抗剪断强度参数为f=0.62，c=0.10MPa。O1d3-1页岩与O1d2 灰岩接触面，岩层产状27540。破坏后沿页岩与灰岩的接触面破坏，剪切面平直较粗糙，见页岩碎片或碎屑，起伏差一般12cm，最大4cm。抗剪断强度参数为f=0.67，c=0.17MPa。3岩体力学参数分析与取值3.1页岩变形参数现场岩体变形试验值仅代表了该试验单元岩体的变形参数，参数的取值以各个层位单一岩体的平均值作为主要依据3。在该工程中对试验平洞及坝区地质钻孔大量的声波测试，覆盖范围大，测点多，能充分反映大范围岩体性状特征。结合动静相关关系和平洞及坝区钻孔波速并考虑各向异性系数计算各个层位岩体大范围岩体的变形模量见表7。与试验平均值比较，对于O1d3-1弱风化页岩，换算值比试验平均值略高，主要是页岩在静力法试验中由于页岩易卸荷松弛，制作试点时受到一定的扰动，而钻孔声波波速是平洞中1m以下的波速平均值；S1Ln微风化炭质页岩的试验数量仅3点且试点选择在完整的岩体上，因此，试验值比计算值高1倍；O1d3-1、O1d1-3微风化页岩有15点试验数据，试验数量比其它地层具有明显的代表性，且声波测试的数据也比其它层位多，变形模量计算值比试验值低。综合以上分析，O1d3-1、O1d1-3微风化普通页岩的综合变形参数为4GPa，O1d3-1弱风化页岩综合变形参数为1.2GPa。S1Ln微风化炭质页岩综合变形参数为8GPa。对于页岩为主夹灰岩或砂岩的情况，应根据工程应力大小及硬质岩所占的比例适当提高变形参数，但微风化普通页岩变形模量不宜大于5GPa，其它各层位的含炭质砂质页岩变形模量不宜大于10GPa。表7 页岩变形参数比较及取值风化程度岩性E0试验值/GPaE0换算值/GPaE0取值/GPa弱风化O1d3-1普通页岩0.542.231.170.361.421.261.2微风化O1d3-1、O1d1-3普通页岩1.9310.495.421.356.674.154.0S1Ln炭质页岩10.4025.1017.057.4214.368.308.0注：分子为范围值，分母为平均值。3.2页岩直剪强度参数取值根据页岩本身的直剪试验和混凝土与页岩之间的直剪的破坏机理分析，由于页岩具有典型的各向异性特征，不同的剪切方向会有不同的抗剪强度参数，页理面的性状也直接影响页岩的抗剪强度参数。由于混凝土的强度远大于页岩的强度，其抗剪强度参数主要决定于页岩本身，因此混凝土与页岩接触面抗剪强度参数与页岩本身的抗剪强度参数一致。根据规范要求3，采用抗剪断峰值强度的小值平均值作为取值的依据。并考虑工程与页岩之间的交角关系：坝基页岩：f=0.80，c=0.60MPa。对于边坡的稳定问题，抗剪强度参数与页岩层理面之间的关系密切。顺层边坡容易沿页理面滑动，坡面与页理面之间存在交角时，可能与结构面之间形成组合滑体，因此，对于右岸逆向边坡，可以按坝基页岩取值，对于左岸顺层及斜交边坡，页岩抗剪强度参数以页理面直剪试验值为依据：f=0.50，c=0.10MPa。3.3结构面直剪强度参数取值结构面包括剪切带、断层裂隙及层间接触面，以抗剪断屈服强度值作为取值依据，并考虑结构面的性状、结构面在整个坝区地质代表性综合考虑，参数取值结果见表8。表8 结构面参数取值结果结构面类型结构面性状抗剪断抗剪fc/MPaf类剪切带面较光滑泥化层较连续0.180.200.010.020.181类剪切带面较平直光滑，泥夹碎屑或者碎屑夹泥0.220.250.010.020.220.252类剪切带面平直，有一定的起伏，局部附泥膜0.280.300.020.040.250.28断层面较平直，断续夹泥0.300.350.030.050.250.30面较平直，局部附泥膜0.400.500.080.100.300.40裂隙平直附泥膜0.300.350.030.050.250.