怒江某隱伏斷層帶巖體的力學參數取值

周洪福 ，韋玉婷

（1.中國地質調查局成都地質調查中心 四川 成都 610081；2.山東科技大學地球科學與工程學院, 山東 青島266590；3.四川省地質工程勘察院集團有限公司 四川 成都 610072）

斷層帶巖體通常是指斷層泥、糜棱巖、斷層角礫巖、壓碎巖、碎塊巖和片狀巖等多種巖體混合在一起的一類特殊巖體.我國西部地區地質構造復雜，各種斷層十分發育.由于斷層帶巖體力學性能較鄰近巖體差，是工程建筑物失穩破壞的重要邊界，其力學參數取值也是學術界、工程界關注的重點.近年來作者參與調查研究的我國西部多個大型工程，均遇到地基巖體中發育隱伏斷層帶巖體問題，因為不易直接觀測和現場試驗從而難以定量評價其工程地質性質和力學參數，成為了制約工程規劃建設以及安全運營的重大工程地質問題.

鑒于隱伏斷層帶巖體對工程穩定性的重要控制作用，已有相關人員對其力學特性和參數取值進行了較多的研究.現場試驗、測試是獲得斷層帶巖體真實力學參數最直接的方法，室內試驗也是獲取斷層帶巖體力學參數的一種有效方法.從20世紀80年代以來，Nie等[1-4]基于多次現場和室內試驗結果，提出斷層帶巖體“圍壓效應”（處于深部的斷層帶巖體由于圍壓的效應，在沒有受到外界擾動情況下具有較高的力學性能）和“強度再生效應”（斷層帶巖體受到破壞以后，在新的圍壓下重新產生固結作用，力學性能有所提高）；Bozkurt等[5-6]的研究也得到類似結論，這些研究成果對處于地基或邊坡深部斷層帶巖體力學參數取值研究起到了較大的推動作用；Zhang等[7]采用現場和室內試驗的方式獲得了某水電工程斷層破碎帶變形模量和地基承載力；付小敏等[8]采用室內多點三軸試驗（常規三軸試驗）和單點三軸試驗對比分析，獲得某壩基破碎帶小巖體抗剪強度參數；周洪福等[9]根據推導的理論公式，采用室內三軸試驗的方法獲得了斷層帶巖體變形模量；王宇等[10]采用蠕變試驗獲得了斷層帶巖體在不同正應力條件下的長期抗剪強度；馮樹榮等[11]對向家壩水電站左岸斷層帶巖體試驗發現，斷層在有、無蓋層的情況下變形模量的差值達5倍.

受經費、場地、時間等方面的限制，很多工程在勘察設計階段無法采用現場或者室內試驗方法獲取斷層帶巖體力學參數，因此，研究人員利用間接方法獲取斷層帶巖體力學參數.間接法主要有：

1）反分析法.李永松等[12]基于現場地應力實測結果反分析斷裂力學參數； 張勇等[13]反演了有上覆蓋層情況下，斷層帶巖體的變形模量.張向東等[14]采用數值反分析得到軟巖破碎帶力學參數.

2）經驗關系法.劉瑜等[15]對新集 F10 斷層的研究結果表明，斷層泥的分維值與斷層的抗剪強度參數有緊密聯系； 於汝山等[16]基于Hoek-Brown強度準則引入了深部巖體完整性系數Kv改進深部巖體地質強度因子GSI值確定方法，估算深部巖體力學參數；ZHAO等[17]基于數值模擬和微震數據研究了包括斷層帶巖體在內的邊坡巖體力學參數；張默等[18]基于偏最小二乘（PLS）法確定邊坡巖體抗剪強度參數.

從國內外研究現狀可知，對于斷層帶巖體力學參數進行了較多研究，取得大量用于工程實踐的研究成果.但是對于大型工程地基巖體中發育的隱伏斷層帶巖體，尤其是一些寬大陡傾的隱伏斷層帶巖體，工程建設期間不可能全部挖除，其工程地質特性量化評價指標成為了工程規劃建設中需重點關注的對象.對于這類隱伏斷層帶巖體，通常借助鉆孔、平硐取樣開展室內試驗或原位試驗獲得其力學參數，但是存在以下問題：

1）安全問題.對地基巖體中發育隱伏斷層帶巖體的大型工程，采用開挖平洞進行現場試驗來獲得其力學參數，無疑將會耗費巨大的人力、物力和財力.特別是發育在河床部位的隱伏斷層帶巖體，如果開挖河底平洞進行現場試驗，還存在涌水塌方等危險.

2）失真問題.采用鉆探方式從鉆孔中取出斷層帶巖體，在三軸試驗過程中受液壓油影響大，易出現散體或解體破壞，導致試驗失敗或者試驗結果失真.

3）劣化問題.由于斷層帶巖體具有易碎、易斷、水分流失快等特殊性質.采用鉆探方式不易取得斷層帶巖體柱狀樣，而斷層泥取樣相對容易，因此常取斷層帶巖體中最薄弱的斷層泥進行三軸試驗，夸大了斷層帶巖體力學特性的劣化效應.

為此，利用改進的鉆探工藝從鉆孔中取得斷層帶柱狀巖體并進行特殊處理，然后放入巖石三軸試驗機MTS中施加一定的初始圍壓（使試樣更加接近天然狀態受力特征）進行三軸試驗，利用配套的理論公式，得到隱伏斷層帶巖體變形模量和抗剪強度參數.采用一種可靠的試驗方法獲得隱伏斷層帶巖體力學參數，定量評價其工程特性，對于我國西部面臨此類問題大型工程的規劃建設和安全運營具有重要的工程價值和現實意義，能進一步補充隱伏斷層帶這類特殊巖體三軸試驗技術.

1 斷層帶巖體三軸試驗

1.1 取樣及試驗前特殊處理

本次研究工作隱伏斷層帶巖體取自怒江中游某擬建水電工程壩基深厚覆蓋層下.該水電站壩型為混凝土重力壩，壩高85 m，壩頂高程 739 m，正常蓄水位高程732 m.壩址地形為典型的“U”形河谷，河谷寬度約 200 m，河水位高程 670 m 左右.勘探資料表明壩址區巖性復雜，左岸為三疊系白云巖，右岸為石炭系玄武巖（圖1）.玄武巖和白云巖接觸帶發育大型斷層帶，并且斷層帶上部第四系覆蓋層厚達十幾米至數十米不等（圖2），為典型的隱伏斷層帶巖體.

圖1 怒江某水電工程壩址區地形地貌Fig.1 Topographic and geomorphological features of a hydropower station on the Nujiang river

圖2 怒江某水電站壩址區發育隱伏斷層帶巖體Fig.2 The concealed fault rock mass of a hydropower station on the Nujiang river

由于斷層帶巖體特殊的性質，加之鉆機在鉆進過程中水的影響以及強烈的擾動，要想從鉆孔中取得斷層帶柱狀巖體非常困難.三軸試驗過程中，斷層帶巖體受液壓油影響較大，如果直接將其放入MTS中進行三軸試驗，很可能剛開始試驗或者試驗過程中斷層帶巖體發生散體或解體破壞，導致試驗失敗.為此研究人員在長期的工程實踐和試驗中總結如下的一套方法，從鉆孔中獲取斷層帶柱狀巖體并在三軸試驗前對試樣進行特殊處理：

1）布置在可能揭露斷層帶巖體處的鉆孔，采用植物膠護壁的方式勻速鉆進，在條件允許的情況下盡量采用干鉆.

2）派專人值守可能揭露斷層帶巖體的鉆孔.一旦發現從鉆孔取出呈柱狀的斷層帶巖體（圖3（a）），取部分巖體現場測試含水量，其余斷層帶柱狀巖體立即采用蠟封方式進行密封處理（圖3（b）），避免水分流失并盡量保持原狀，然后小心帶回室內.

圖3 斷層帶巖體Fig.3 Fault rock mass

3）在室內將斷層帶柱狀巖體打磨光滑，去除表面的蠟和兩端不平部分.盡量保持直徑與高度比在1∶2左右，將兩端用水泥漿找平，使兩端面平行度、平整度和垂直度符合水電水利工程巖石試驗規程（DL/T 5368—2007）[19]要求.測量每個試樣的質量、直徑和高度，計算其密度和干密度.

4）將加工完成后的試樣放入特制的塑膠薄膜中，采用電吹風的方式對塑膠薄膜表面進行一定程度的加熱.加熱過程中塑膠薄膜收縮，從而將試樣包裹緊密，避免試驗過程中試樣散體以及液壓油對試樣的影響.由于塑膠薄膜厚度很小，包裹在試樣外部不會影響試驗結果.但應注意加熱時間和程度.加熱時間過短，塑膠薄膜收縮程度不夠，不能裹緊試樣，試驗過程中試樣會出現散體、解體；加熱時間過長，塑膠薄膜融化破裂，試驗過程中液壓油進入試樣，從而影響試驗結果.

1.2 試驗初始圍巖和試驗數據采集

按照前述方法，本次研究分別在ZK122號鉆孔33 m 和 39 m 處、ZK128 鉆孔 65 m 處、ZK114 鉆孔62 m和 70 m各取得 1塊斷層帶柱狀巖體.斷層帶巖體中斷層泥含量約20%～40%，斷層角礫直徑一般在 0.5～2.5 cm 之間，膠結差.鉆孔位置見圖2，測得的試樣物理指標見表1.

表1 試樣物理指標Tab.1 Physical values of samples

三軸試驗所用儀器為MTS815程控伺服巖石剛性試驗機，由主機、Teststar控制器、液壓源、伺服控制閥和控制計算機等部分組成.設備主要技術指標為：軸向荷載 0～3 MN；圍壓 0～100 MPa；試件直徑 25～150 mm，高度 50～300 mm.由于從鉆孔中取得斷層帶柱狀巖體較為困難，為了獲得更多的試驗數據和結果，盡量避免試驗結果離散性，本次試驗采用單點法對斷層帶柱狀巖體進行三軸試驗.已有的研究成果已經表明，對于斷層破碎帶巖體，采用單點法和多點法對斷層破碎帶巖體進行三軸試驗，兩種試驗方法得到的試驗結果誤差在5%以內，具有較好的一致性[8].

從鉆孔取出的斷層帶巖體，因圍壓的釋放導致卸荷松弛.如果忽略原位應力條件，直接開展三軸試驗，根據“圍壓效應”和“強度再生效應”理論，得到的試驗結果無疑是偏低、失真的.因此，在開始三軸試驗前對每一塊試樣施加一定的初始圍壓，此初始圍壓等于斷層取樣處所受圍壓，試驗結果更能體現處于深厚覆蓋層以下隱伏斷層帶巖體真實力學性能.基于地基深部發育隱伏斷層帶巖體實際受力情況，試驗開始時施加的初始圍壓只考慮上覆巖體自重應力導致的水平圍壓P，不考慮構造應力的作用，如式（1）.

式中： μ 為圍巖泊松比； γ 為斷層帶巖體密度；H為埋深.

斷層帶巖體密度根據表1中實測值，圍巖泊松比統一為0.2.根據式（1）計算得到1～5號試樣天然狀態下水平圍壓分別是0.19、0.23、0.38、0.41、0.37 MPa.考慮到試驗操作的復雜性和初始圍壓加載的可行性，確定1號和2號試樣施加初始圍壓為0.20 MPa，3、4、5 號試樣施加初始圍壓為 0.30 MPa.

實驗開始之前對試樣設置相應的初始圍壓.參照以往多次試驗經驗并考慮到斷層帶巖體的特殊性質，設置軸壓每增加2 kN系統自動采集一次數據，包括軸壓σ1、圍壓σ3、軸向位移u和徑向位移ur，直到試樣屈服，再加第二級圍壓.根據試樣以及試驗過程中的具體情況，施加的每一級圍壓相差0.15～0.20 MPa，一共加5～8級圍壓，比傳統方法僅得出4組數據具有更高準確性，且能避免人為誤差.從試驗效果來看，采用熱縮薄膜處理后的5個斷層帶柱狀巖體試樣在試驗過程中均未出現解體、散體破壞，也無液壓油滲入，表明針對斷層帶這種易碎、易斷、受液壓油影響大的特殊巖體，三軸試驗前采用熱縮薄膜進行特殊處理具有較好的可行性和有效性.

2 三軸試驗數據處理和結果分析

2.1 變形模量試驗結果

巖體的變形模量是表征巖體抗變形能力的一個重要參數.現有巖土試驗標準、規范對采用三軸試驗獲取巖體變形模量無明確規定.根據試驗采集的數據，斷層帶巖體的變形模量[9]為

式中：h為試樣高度；R為試樣半徑.

根據式（2）計算獲得的5個試樣變形模量見表2.斷層帶巖體變形模量在449～921 MPa之間，平均值為665 MPa.變形模量試驗值離散性較大，這主要是由試樣中斷層泥、斷層角礫含量不同導致的，斷層角礫含量高、斷層泥含量低，則試驗值較高，反之則試驗值偏低.

表2 斷層帶巖體變形模型試驗結果Tab.2 Test results of deformation modulus of the fault rock mass MPa

2.2 抗剪強度參數試驗結果

三軸試驗得到5個試樣σ1和σ3對應關系見表3，根據試驗過程中采集的數據，建立1號試樣σ1和σ3之間的關系，見圖4，黏聚力C和內摩擦系數f為

圖4 1 號試樣 σ1-σ3關系曲線Fig.4 The curve between σ1 and σ3 of sample 1

式中：σc為曲線在縱坐標上的截距（MPa）； φ 為內摩擦角；m為曲線斜率.

從表3可知：斷層帶巖體黏聚力為0.04～0.22 MPa，平均值為0.13 MPa；內摩擦系數為0.32～0.61，平均值為0.46.從實驗結果來看，黏聚力離散性相對內摩擦系數要高一些，是因為黏聚力受斷層帶巖體角礫和斷層泥的含量以及角礫的粒徑、膠結程度等因素影響更大，而內摩擦系數受上述因素的影響相對小一些.

表3 三軸試驗結果Tab.3 Results of triaxial test

3 抗剪強度參數標準值

根據《混凝土重力壩設計規范》 （NB/T 35026—2014）[20]，軟弱結構面（斷層帶巖體）抗剪強度的標準值按現場或室內試驗成果概率分布的0.2分位值確定.并且進一步規定了黏聚力服從對數正態分布，內摩擦系數服從正態分布.

3.1 黏聚力標準值

已知黏聚力平均值 μc和標準差 σc，則黏聚力標準值Ck就可以表述為已知黏聚力服從對數正態分布，求黏聚力0.2分位值Ck，具體推算過程如下：

定義隨機變量lnC的數學期望和標準差為

根據黏聚力服從對數正態分布，且已知μc和σc的條件，可以通過式（6）確定 λ 和 ξ.

由于黏聚力服從對數正態分布，則lnC服從正態分布，因此可以得到

故

通過數據變換，可以得到

因此，Ck可以表示為

3.2 內摩擦系數標準值

內摩擦系數平均值和標準差分別為 μf和 σf.求解內摩擦系數標準值就可以表述已知內摩擦系數服從正態分布，求內摩擦系數的0.2分位值fk.具體步驟如下.

根據上述定義：P(X≤fk)=0.2 ，因為內摩擦系數服從正態分布，則有

查閱標準正態分布表可知

因此，內摩擦系數0.2分位值，即標準值fk為

根據式(11)和式(13)可以計算得到5個斷層帶巖體抗剪強度參數標準值：Ck=0.12 MPa，fk=0.35.

4 討 論

斷層帶巖體，特別是壩基和邊坡深部的隱伏斷層帶巖體，其力學特性與斷層帶巖體自身特性和賦存環境有關：自身特性主要包括物質結構、密實程度、膠結特征等；賦存環境主要包括天然地應力環境、地下水活動、地溫變化，以及開挖卸荷、建（構）物傳遞的荷載量值和方向等外部環境變化.另外，隱伏斷層帶巖體由于存在易碎、易斷等特殊性質，從鉆孔中取得柱狀樣較為困難，即使取得柱狀巖樣，試驗結果也可能存在失真問題和劣化問題.而原位試驗則存在安全問題，并且需要耗費巨大的人力、物力和財力，因此，天然狀態和工程荷載作用下，斷層帶巖體真實力學參數一直是工程界和學術界研究的熱點和難點.限于時間、經費等，本文僅以怒江某水電站壩基深部發育的隱伏斷層帶巖體為例，初步提出了考慮地應力環境的斷層帶巖體三軸試驗方法，根據試驗結果和規范要求，采用理論公式分析計算得到5個試樣的抗剪強度標準值，為工程勘察設計提供斷層帶巖體力學參數依據.

5 結 論

1）針對斷層帶巖體特殊的性質，經過多次現場取樣和三軸試驗研究，總結了一套斷層帶巖體取樣—試驗前處理—施加初始圍壓—三軸試驗—參數取值評價方法.該方法可有效避免三軸試驗過程中斷層帶巖體散體以及液壓油對試樣的影響，并且采用這種工藝不會影響試驗結果.

2）相對于內摩擦系數試驗值，斷層帶巖體黏聚力試驗值的離散性要大一些，表明黏聚力受斷層帶巖體物質結構、斷層泥含量、膠結程度等的影響更大.

3）通過三軸試驗得到怒江某水電站壩基深部隱伏斷層帶巖體力學參數：變形模量為449～921 MPa，平均值為 665 MPa；黏聚力為 0.04～0.22 MPa，平均值為0.13 MPa，取80%保證率的黏聚力標準值為0.12 MPa；內摩擦系數為 0.32～0.61，平均值為 0.46，取80%保證率的內摩擦系數標準值為0.35.試驗研究結果為水電工程壩基隱伏斷層帶巖體力學參數取值提供了可靠的依據.

致謝：中國地質調查局項目（20160272，20211379）；第二次青藏高原綜合科學考察研究資助（2019QZKK0904).