软弱层带工程特性

1、龙羊峡电站龙羊峡电站 2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 1 软弱层带的定义 软硬相间的层状岩石中的层间剪切带和断层共同构成的强度和变形参数低值带，物理力学性质相对较低的层带 一、二、三、四、五、六一 软弱层带2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 2研究意义研究意义 软弱层带、断层、沉积岩和副变质岩软弱层带、断层、沉积岩和副变质岩中的泥质夹层或薄层是工程岩体稳定性的中的泥质夹层或薄层是工程岩体稳定性的控制性弱面，是水电工程大坝、隧洞、边控制性弱面，是水电工程大坝、隧洞、边坡、矿山等工程地质研究的重点，是引起坡、矿山等工程地质研究的重点，是引起地质灾害的主要边界。历来为工程

2、地质的地质灾害的主要边界。历来为工程地质的重要研究领域。从软弱层带受上覆岩体的重要研究领域。从软弱层带受上覆岩体的重量和构造应力重量和构造应力地应力的作用来研究工地应力的作用来研究工程特性，是一个重要方面。程特性，是一个重要方面。一 软弱层带2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 1分 析 自50年代N. Hast开展地壳岩体应力测量以来。Hast获得的2万个数据及各国的大量应力测试成果表明，地壳岩体的三向应力基本上都是以压应力方式存在的，由弹性力学可以知道，任意斜截面上的正应力：由于 、 、 为正，或压应力，三个方向余弦均为正值，所以处于岩体中的任一斜截面上的正应力该为压应力。即岩体

3、中任一切割的软弱层带的面上在一般情况下均受到压应力的作用，我们称之为天然围压，或简称围压。而大部分的应力测试资料表明，多在数Mpa-数10MPa，则N多在数MPa左右。即软弱层带层上有较高或高的围压存在。NnsNst32232222122123222121coscoscoscoscoscos一、二、三、四、五、六二、软弱层带的赋存环境1232002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 2 实 例为说明这一问题，以实例说明弱面上的正应力二、软弱层带的赋存环境2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 1土的压缩问题与夹层泥化问题饱水土体在受压后，发生压密，干密度逐渐增高。孔隙比降低，含水量

4、也降低。在经过加荷、卸荷以后，土的两条曲线就很接近 。压力(MPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)250.64323.9925500.61322.87311000.56921.23132000.52219.4776250.5319.7761500.50118.6941000.46417.31342000.42415.8209250.54520.3358500.52219.47761000.4918.28362000.45617.0149250.66724.8881500.64223.955210

5、00.60722.64932000.56721.15674000.47217.61198000.42715.932816000.38314.29132000.34112.72394000.38314.2918000.34312.798516000.30511.380632000.26910.03734000.42215.74638000.38614.40316000.35513.246332000.32212.01494000.52319.51498000.48117.947816000.43616.268732000.39314.664200.511.522.533.50.30.40.50.

6、60.70.8epe=0.466-0.0579Ln(P) R=0.99一、二、三、四、五、六三、软弱层带泥化的可能性分析2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 2地应力场下夹泥的物理特性 各种夹泥，在它们形成后，至少要经历数万年的地壳应力场的脉动式变化的影响，它们的e，d变化，也应该符合土体的多次卸荷加荷曲线，即eP，应基本满足其对数方程。 三、软弱层带泥化的可能性分析2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 3夹泥室内高压试验分析为了解夹尼在地应力场中的物理状态，我们通过几组高压试验，可以看出夹泥eP的关系，为对数关系，且有高的相关性及各自的相关方程：灰色夹泥，蒙脱石含量65%

7、 e=0.9731-0.32lgPr=0.997红色夹泥，蒙脱石25% e=0.5467-0.1356lgP r=0.996白色夹泥，蒙脱石90% e=1.212-0.2576lgP r=0.932 这说明：只要有一定的正应力存在，夹泥就应该有一个与之对应的孔隙比存在。在天然情况下，只要夹泥有一定的围压存在，夹泥就会以其相应的状态特性也即物理指标相对应。如果一部分应力降低或改变，夹泥泥化，应力就将转移到其它地方，更高密度的夹泥就会出现，与此同时，出现空间或应力稍低的部位，在上部岩体的应力作用下，岩体就会发生蠕变而下沉，对于这些空间，将会以万年计的流变而再次接触、压密，重新固结。今天我们在深部情

8、况下看到的断层破碎带或夹泥带相互挤压紧密就是这种作用所致。三、软弱层带泥化的可能性分析2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 4深部围压下夹泥的物理性状 根据岩体的卸荷松弛及现代地应力的分布特点，对于工程岩体，应力降低明显的部位是强风化带和弱风化上限的岩带内，进入弱风化下限微风化、新鲜岩体后，地应力将稳定在一定的规律上，对于工程岩体，将稳定在某一水平上。我们将地应力不受强烈卸荷影响的弱岩体，称深部围压下的岩体，夹于这些岩带中夹泥的性状，我们叫深部围压下的状态。 按照这一情况，我们在国内龙羊峡、李家峡、安康、铜亍子、公伯峡等大型工程场址获取了上千组的夹泥试样，所有的夹泥含水量远远小于WP

9、，都有很高的干密度，没有一例是泥化的。这些夹泥良好状态得以保存的原因： 夹泥在历史上形成高密度。必须满足n，不满足就要压密，而且时间比室内固结要长的多。 当夹泥位于地下水位以下被饱水时，由于围压的存在，只要其膨胀力不超过正应力，其体积就不会改变，即孔隙比不变，此时饱水，水只能充满孔隙。即夹泥在正常载荷下满足其塑性松弛规律。三、软弱层带泥化的可能性分析2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 5夹泥泥化的可能性分析假定夹泥饱水之后孔隙全部充水，此时Sr=100%，即Sr=1.0，而 当 ， 泥化临界孔隙比，由于夹泥的比重或颗粒密度一般在2.72左右，可视为一常数，这样我们就可以算出其泥化的

10、临介孔隙比，同时代入eP相关方程，可以获得临界围压。下面以一组数据来说明。 eGWSrGWeGeWkpPkpPWGeWW,夹泥编号比重Wp相关方程ekpnkp102（KPa)蒙脱石 含量上覆岩体厚度(m)N012.7618.2e=0.5467-0.13561gP0.5022.136258.54N02272288e=0.9731-0.321gP0.7832.516510.04N032.7236.7e=1.18-0.2651gP0.9984.689018.72N042.7837.5e=1.212-0.2571gP1.0434.569218.24从表中可以看出对于这样数量级的围压，位于微风化岩体中的

11、断层带上或夹泥上的围压，都能满足。而且大大超过nkp。也超过其膨胀力，所以夹泥即或饱水也不会泥化。即WWp。所以在深部围压下夹泥是根本不会泥化的。只有在围压很低的情况下夹泥才会泥化。三、软弱层带泥化的可能性分析2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 1泥化大量出现的原因 l仅看到表面现像，未看到环境下的性态、性状l仅看到水，未看到围压l仅看到破坏，没有看到再生-人为的错误 当前夹泥取样：通过洞室开挖取得，洞子开挖后，松弛，解除围压吸水，含水量迅速增高。而人们偏要取这样的样品。从一组例子我们可以看出：纯粹是人为原因。 四、当前泥化大量出现的原因2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取

12、值 2小 结 为研究地应力松弛、释放的影响，现场作为研究地应力松弛、释放的影响，现场作了夹层的松弛试验，发现获得参数的平洞因应了夹层的松弛试验，发现获得参数的平洞因应力松弛对泥质物状态的影响很大力松弛对泥质物状态的影响很大： 因此，只有考虑了应力环因此，只有考虑了应力环境的状态才是真正的状态，从而境的状态才是真正的状态，从而为解决软弱层带的强度参数取值为解决软弱层带的强度参数取值跨出了一步跨出了一步。四、当前泥化大量出现的原因李家峡电站李家峡电站2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 1定 义 强度，由于有泥，显然夹泥的强度就是软弱层带的强度。 五、软弱夹层强度评价2002.11.8软

13、弱层带的强度评价及参数取值 1影响强度的因素 1）粘粒含量：粘粒含量对C、值的影响：当含量15% 40% ，粗颗粒还不被全包围，有降低不是很明显。当40%60%，粘粒基本包围颗粒，C、降低明显。当60%，已包围，又不明显了。这个问题，可以继续深入研究。2）d、干密度 ：低饱水孔隙水包围颗粒，连结力为水胶联结，C、低。高颗间个别接触大部接触水胶联结离子化学力，C、增高。而对于不同粘土矿物类型是不同的。蒙脱石含量高，如取f=0.3，低蒙脱石d=1.88，中蒙脱石d=1.55，高蒙脱石d=1.43，其相关性，只对一种夹泥适宜，普通的无相关性。五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及

14、参数取值 1影响强度的因素3）含水量：高含水量C、低；含水量低C、高，与上一致。而不同粘土矿物了是不一样的。如果取W=20%：伊利石f=0.10.2。65%蒙脱石余为伊利石f=0.470.590%蒙脱石：=0.560.6。Wf的相关性，只对一种有相关性，普遍无相关性。4）粘土矿物：粘土矿物三大类：伊、高、蒙。通过Wp可以反映出来 Wp=0.253K+10 Wp塑限含水量 K蒙脱石含量的百分数蒙脱石进入泥化的最低含量水量Wp，相当于伊利石的液限含水量。即在蒙脱石还是固态时，以伊利石为主的夹泥已进入液态，显然蒙脱石C、高；干密度：同一干密度，蒙脱石强度高。这说明，蒙脱石矿物对夹泥的强度具有明显的控

15、制作用，在相同条件，蒙脱石含量高的夹泥，强度高，这和当前的普遍看法是不一致，当前认为蒙脱石夹泥强度低的错误看法应当予以纠正。五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 能找到一个因子既能代表夹泥的各项物理指标，又能与C、值具有相关性，显然是评价夹泥强度所必须的。通过各种分析，我们提出稠度相关因子：Ws/Wp。Ws饱和含水量：表征含水量，又表征干密度即夹泥的结构，这是因为：e大，W大，e大，d小。当Sr=1时，Wp表征夹泥的粘土矿物组分，蒙脱石含量高Wp，蒙脱石少，Wp小。Ws/Wp=1，夹泥呈固塑临介状态，即泥化临界状态。Ws/Wp1塑态泥化 Ws/Wp1固态夹泥化。因

16、此Ws/Wp能反应：夹泥W，密度、粘土矿物成分，稠度状态。可以代表夹泥的各项物理指标，应当与C、具相关性。通过大量的资料，的确是这样：且具有很高的相关性。GeWeGeGWSrd12夹泥强度指标与各物性指标的相关性五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 （1） 通过研究发现软弱层带的物性代表指标孔隙通过研究发现软弱层带的物性代表指标孔隙比比(e)或干密度或干密度( d)与与上覆岩体厚度或地应力量值呈现良上覆岩体厚度或地应力量值呈现良好的对应关系，证明软弱层带的物性受到地应力控制好的对应关系，证明软弱层带的物性受到地应力控制。F120断层断层F26断层断层2夹泥强度指标

17、与各物性指标的相关性五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 2夹泥强度指标与各物性指标的相关性(2) 地应力环境下软弱层带强度地应力环境下软弱层带强度 用我们自创的取样方法，取得大量呈固态的试样，进行强度试验，用我们自创的取样方法，取得大量呈固态的试样，进行强度试验，软弱层带的强度参数较以往的试验方法有了大的提高软弱层带的强度参数较以往的试验方法有了大的提高。五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 2夹泥强度指标与各物性指标的相关性通过200组试样获得： f=0.243-1.34lg(Ws/Wp)有了这个方程，我们在勘察时，只要获得天然的

18、G、W、Wp、WL；就能确定其C、值。特别是由于夹泥很薄15mm，最大10mm，极难取剪切样。我们只需获得能作容重的原状样品，就能确定C、，这对于评价确定C、值，就很方便，同时可以节省较多的勘探、试验费用。 五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 2夹泥强度指标与各物性指标的相关性 通过试验和应力计算，资料表明：软弱层带最关键的工程通过试验和应力计算，资料表明：软弱层带最关键的工程特性指标特性指标摩擦系数摩擦系数 f与上覆岩体厚度与上覆岩体厚度H或所受正应力或所受正应力n有良好有良好对应关系对应关系。F120断层断层F18断层断层为今后评价软弱层带的强度参数提供了新

19、的途径、方法。为今后评价软弱层带的强度参数提供了新的途径、方法。五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 2夹泥强度指标与各物性指标的相关性(3) 天然渗流场下软弱层带的泥化和强度研究天然渗流场下软弱层带的泥化和强度研究分别在蓄水分别在蓄水10年的龙羊峡水电站坝下、汉江安康电站河床下部、年的龙羊峡水电站坝下、汉江安康电站河床下部、金沙江向家坝电站地下水位以下、李家峡电站河床下部，用我们金沙江向家坝电站地下水位以下、李家峡电站河床下部，用我们的方式进行取样试验，泥质物状态好，强度高，部分成果见下表：的方式进行取样试验，泥质物状态好，强度高，部分成果见下表：五、软弱夹层强

20、度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 龙羊峡电站龙羊峡电站2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 3软弱夹层强度评价方法 获取真正围压下的样品，而不是松弛的，吸水的样品，是决定C、的关键，可以用试验获得值。 野外大剪一定要满足状态，获得强度值。 在野外取代表性围压下的物理指标，代入： f=0.243-1.34*lg(Ws/Wp) 通过几个点的试样的物理性指标。再经过仿真试验，高压固结试验，建立Pe关系曲线。就能建立整个夹泥物理指标的基本方程。e=a+b*lgP五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 3软弱夹层强度评价方法 通过应力反演，获得夹

21、泥面上的不同n代入Pe方程，我们就能获得各处的e值，由于G已有，我们就能确定或判断各处饱水后的Ws，和相应的C、值。而不用开凿大量的平洞，钻孔为获得样品而花费大量的资金。 要改变过去一条断层或软弱夹层一个参数的办法，对于倾角较大的断层，n大，因此，e小，f大。我们可以用中值定理求得整个面上的f值。由于n与e呈对数关系，则f值。对于平缓断裂可以取一个或二个平均。对于C值：dPBPAabfba)lg(1dHHf)383. 0lg453. 0(014211420五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 3软弱夹层强度评价方法 通过上述评价后，进入初设、技设或发包设计可以补充

22、适当野外大剪予以验证就可以了。五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 1拉西瓦有较多的断层六、拉西瓦断层带强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 2现场做有大剪类别硐号位置抗剪断抗 剪fC(MPa)fC(MPa)Hf3结构面PD5-1支支硐40-45米3块，主洞331米两块0.620.08PD27-1支100米试验支硐0.450.10.440.09PD27-197-100m0.4270.012PD27-1支100米试验支硐0.420.08HF8结构面PD8-296m0.630.18PD14288m0.580.07PD14-2288米支硐0.320.0

23、20.310.02PD14-2288米支硐0.310.02Hf4结构面PD1955m0.60.20.630.16PD19-1支主洞58m上支洞0.350.3PD19-1支17.5-23m0.370.060.370.06PD2990m主硐及支硐内0.340.070.340.07Hf10结构面PD4-1100米试硐内0.50.080.520.07PD4-1100米试硐内0.450.08Hf1结构面pd7-2支1.58.00.370.220.360.19Hf7结构面pd7-2支1.010.00.450.130.420.1六、拉西瓦断层带强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 3按规范

24、标准值参数类别抗剪断参数抗剪强度参数fC(MPa)fC(MPa)均值0.4650.1270.4160.079标准差0.1180.0820.0910.053标准值0.3660.0570.3390.034六、拉西瓦断层带强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 4现场取平缓、陡倾断层试样在室内高压下试验压力(MPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)250.64323.9925500.61322.87311000.56921.23132000.52219.4776250.5319.7761

25、500.50118.6941000.46417.31342000.42415.8209250.54520.3358500.52219.47761000.4918.28362000.45617.0149250.66724.8881500.64223.95521000.60722.64932000.56721.15674000.47217.61198000.42715.932816000.38314.29132000.34112.72394000.38314.2918000.34312.798516000.30511.380632000.26910.03734000.42215.74638000.

26、38614.40316000.35513.246332000.32212.01494000.52319.51498000.48117.947816000.43616.268732000.39314.6642六、拉西瓦断层带强度评价坝址平缓断层泥质物室内高压试验成果2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 4现场取平缓、陡倾断层得试样在室内高压下试验压力(MPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)250.69225.8209500.65124.2911000.60222.46272000.552

27、20.5974000.50218.73138000.45216.865716000.40615.149332000.36213.5075坝址高角度断层泥质物室内高压试验成果 六、拉西瓦断层带强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 5建立泥质物孔隙比与压力关系00.511.522.533.50.30.40.50.60.70.8epe=0.466-0.0579Ln(P) R=0.9900.511.522.533.50.30.40.50.60.70.8ePE=0.44-0.069Ln(p) R=-0.99六、拉西瓦断层带强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 6室内开

28、展对应的剪切试验平洞编号软弱面编号密度含水量比重干密度(g/cm3)孔隙比液限塑限性 状 指 标Ws/Wp摩擦系 数f内聚力(0.1MPa)C(g/cm3)w(%)eWLWpPD5-1PD27-1Hf32.06718.722.71.7410.55126.515.51.2080.3890.0162.15516.112.71.8560.45526.515.51.0390.4140.1272.229.842.72.0210.33626.515.50.6350.6941.0101.95123.022.71.5860.70228151.5350.1760.0072.0418.22.71.7260.564

29、28151.2130.2660.1252.210.882.71.9840.36128150.7250.6570.8482.279.12.72.0810.29828150.6070.7262.567PD7-2Hf72.13414.72.711.8610.45721.212.51.1760.3340.0012.3149.5322.712.1130.28321.212.50.7630.5140.3722.1612.722.711.9160.41421.212.51.0180.3900.0092.2589.142.712.1720.24821.212.50.7310.5530.5692.347.742

30、.712.1720.24821.212.50.6190.6221.003PD14Hf82.24320.232.731.8660.46325.715.51.3050.4160.2272.24915.072.731.9540.39725.715.50.9720.3740.0942.1813.22.731.9260.41825.715.50.8520.4160.2272.23811.722.732.0030.36325.715.50.7560.5480.1672.2529.12.732.0640.32325.715.50.5870.7290.542PD19Hf42.3313.92.722.0460.

31、33022.312.61.1030.3250.0112.3114.32.722.0210.34622.312.61.1350.3400.0292.2611.922.722.0190.34722.312.60.9460.5510.0202.416.52.722.2630.20222.312.60.5160.6910.0672.4111.92.722.1540.26322.312.60.9440.6990.103六、拉西瓦断层带强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值 7建立wswpf关系0.60.70.80.911.11.21.31.400.10.20.30.40.5fWs/Wpf

32、=0.227-0.55Ln(Ws/Wp)R=-0.920.70.80.911.11.21.31.41.51.60.10.20.30.40.50.60.70.8C/100KpaWs/WpC=0.4-1.263Ln(Ws/Wp) R=-0.950.40.60.811.21.41.60.10.20.30.40.50.60.70.8C/100KpaWs/WpC=0.39-0.59(Ws/Wp) R=-0.950.40.60.811.21.41.60.10.20.30.40.50.60.70.8f=1.073-0.661(Ws/Wp) R=-0.95fWs/Wp六、拉西瓦断层带强度评价2002.11.8

33、软弱层带的强度评价及参数取值 9以面上的应力代入ep关系式岸别断裂组不同部位平均正应力（MPa）部位断层面上 平均正应力 （MPa）代表性断裂组代表断裂且右岸平缓断裂23502450m7.27Hf（4-1）倾右岸平缓断裂倾右岸平缓断裂22502350m8.85Hf8倾右岸平缓断裂可代表HL32等同组断裂陡倾断裂23502450m5.45左岸F28的值代表陡倾断层22502350m5.91F180代表陡倾断层左岸平缓断裂23502450m3.2Hf7代表倾右岸的平缓断层2250235012Hf3代表倾左岸的平缓断层陡倾断裂23502450m5.45F28代表高倾角断层22502350m6.4GeWs/GeWs/GeWs/Ge