水利工程邊坡含夾層軟弱巖體工程力學性質試驗研究

鄭 揚

(桐廬富春水利水電建筑有限公司，浙江 杭州 311500)

水利工程尤其是大型水電站常常建設在山區，高山較多、地質構造運動復雜，因此水利工程邊坡穩定性存在很大的風險，對水電站工程安全性也是很大的威脅[1- 3]。因此，研究水利工程邊坡含夾層軟弱巖體的工程力學性質具有重要意義。

受地質構造運動影響，巖體邊坡中常存在一定的軟弱夾層，威脅了水利工程的長期安全性。大量現有研究表明，我國山區邊坡中巖體較為常見的軟弱夾層為泥巖或破碎風化巖，導致巖體的力學性質變差，同時在降雨條件下也更容易出現邊坡失穩滑動的問題[4- 6]。此外，部分學者指出，含水率是影響邊坡巖體力學性質的重要參數。一般而言，含水率越高，巖石內部結構之間的膠結能力也就越弱；同時水分會導致巖石內部顆粒流失，巖石內部產生一定范圍的孔隙。因此，學者們認為，含水率越高，巖石的承載能力就越弱，則邊坡的穩定性也就越差[7- 9]。

綜上所述，現有研究關于不同含水率下含軟弱夾層巖體工程力學性質的綜合研究較少。因此，本文基于單軸壓縮力學試驗，對不同含水率、不同夾層傾角條件下的含軟弱夾層巖體的力學性質展開了綜合研究。研究成果為我國水利工程邊坡設計提供了一定的數據借鑒作用。

1 試驗

1.1 試樣制備

本次研究依托于四川省某大型水電站山體邊坡加固工程，該工程主要服務為滿足水力發電及蓄洪功能需求，此外還需要服務區域部分地區的水利灌溉作用。根據資料調查及前期工程現場工程地質勘察資料可知，該水電站邊坡巖的主要組成為砂巖，但是，受區域地質構造運動影響，水電站邊坡內發現大范圍的薄層泥巖軟弱夾層的存在。經過現場調查，發現地區軟弱泥巖夾層的平均厚度約為30mm。此外，根據現有研究發現，相較于砂巖巖塊，薄層泥巖的強度較低，且遇水易變形軟化，力學性質變差。因此可見，薄層泥巖對水電站邊坡的穩定性具有很大的影響。參照現有組合巖體室內模擬試驗，利用混凝土制備材料和石膏分別模擬夾層巖體中的硬、軟巖部分，其中石膏層厚為20.00mm夾層傾角分別為0°、30°、45°和60°。按照相關試驗規范要求，對軟、硬部分進行組合、膠結，最終制備得到直徑為50mm、高度為100mm的標準工程試驗巖體[10]，其具體物理參數見表1。

1.2 試驗設計

本次試驗分別研究了夾層傾角、含水率對軟弱巖體力學性質的影響，室內對含軟弱夾層復合巖體開展了力學實驗。在試驗過程中，首先以1kN的軸向荷載將含軟弱夾層巖體試樣固定在如圖1所示試驗臺上，此后，利用位移控制模式進行加載，加載速度為0.01mm/min，直至試樣破壞。在試驗過程中，利用試驗設備電子位移計全程對巖體的軸向變形進行測量與記錄，以得到巖體完整的應力-應變曲線試驗結果，分析其變形特性。

表1 含軟弱夾層巖體物理參數

圖1 YAW- 2000型萬能試驗機

2 試驗結果分析

2.1 應力-應變曲線特征

基于室內含軟弱夾層巖體試樣的單軸壓縮試驗得到圖2，由圖2可知，當軸向荷載較小時，巖體內的原生孔隙得到壓密；此后，隨著軸向荷載的增大，巖體的應力-應變曲線進入彈性變形階段，此階段巖體的軸向變形隨荷載增大而呈現出線性增大的變化關系。在此之后，巖體屈服直至破壞，試驗結束。分析巖體變形破壞后特征可以發現，當夾層傾角為0°時，含軟弱夾層巖體試樣的應力-應變曲線呈脆性破壞特征，達到峰值應力后其應力-應變曲線迅速跌落；而當夾層傾角為30°、45°和60°時，含軟弱夾層巖體試樣的應力-應變曲線呈現出一定的脆-延性破壞特征，達到峰值應力后其應力-應變曲線下降速度慢，且具有較明顯的峰后殘余強度特征。

圖2 單軸壓縮應力-應變曲線

2.2 含水率影響分析

基于室內單軸壓縮應力-應變曲線試驗結果，得到在相同夾層傾角條件下(0°)，含夾層軟弱巖體的抗壓強度隨含水率變化關系見表2。由表可知，隨著含水率的增加，含夾層軟弱巖體的抗壓強度呈現出逐漸變小的變化趨勢。當含夾層軟弱巖體的含水率為3%時，巖體的抗壓強度為11.06MPa。此后，隨著含水率的增加，巖體的抗壓強度逐漸降低。當巖體的含水率分別為6%和9%，此時其強度則分別為9.85MPa和8.33MPa，相對含水率3%時降低10.94%和18.19%，強度下降幅度非常明顯。分析認為，這是由于當巖體中存在大量水分子時，組合巖體尤其是其軟巖部分內部膠結結構會被破壞；此外，在通過浸水對巖石含水率進行控制和調整的過程中，由于水分的流失會帶走巖石內部細小顆粒，導致巖石內部的結構逐漸破壞、流失，巖石內部會形成一定數量的孔隙。綜上所述，巖體的抗壓強度隨著含水率的增加而逐漸降低[10- 11]。

表2 含夾層軟弱巖體的抗壓強度隨含水率變化關系

2.3 夾層傾角影響分析

當含水率均為3%時，不同夾層傾角條件下含夾層軟弱巖體的抗壓強度見表3。由表3可知，隨著夾層傾角的逐漸增大，含夾層軟弱巖體的抗壓強度呈現先降低后增大的變化規律。當含夾層軟弱巖體的夾層傾角為0°時，巖體的抗壓強度為11.06MPa。此后，隨著夾層傾角的增加，巖體的抗壓強度分別為8.87MPa、6.78MPa和7.52MPa。由此可見，軟弱夾層傾角對組合巖體力學性質的影響較為復雜，當夾層傾角為45°

表3 含夾層軟弱巖體的抗壓強度隨夾層傾角變化關系

時，巖體的單軸抗壓強度最低，較含水平軟弱夾層的巖體下降了39.70%，下降幅度非常明顯。

3 結論

(1)當夾層傾角為0°時，含軟弱夾層巖體試樣的應力-應變曲線呈脆性破壞特征；而當夾層傾角為30°、45°和60°時，含軟弱夾層巖體試樣的應力-應變曲線呈現出一定的脆-延性破壞特征。

(2)隨著含水率的增加，含夾層軟弱巖體的抗壓強度逐漸變小，巖體力學性質明顯劣化；相較之下，巖體抗壓強度隨著夾層傾角的增大而先降低后增大，不同夾層傾角下巖體的抗壓強度分別為11.06MPa、8.87MPa、6.78MPa和7.52MPa。

(3)本次研究僅從力學角度研究了含水率和夾層傾角對軟弱巖體工程性質的影響，而缺乏微觀角度的極力解釋，下一步應當對破壞后的巖體展開微觀電鏡掃描試驗并展開研究。