岩体抗剪强度试验成果整理及参数选取.pdf

第卷第期 仪巧年 月 地下空间 与工 程 学报 功 氏 场 文章编号 习 一 习 岩体抗剪强度试验成果整理及参数选取 曾纪全 , 贺如平 , 王建洪 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院科学研究所 , 成都 摘要岩体抗剪强度试验成果整理及参数选取是大岗山水电站 “ 坝区工程岩体 分类及 力学特性研究 ” 专题研究中的重要部分 。 这部分从岩体及结构面抗剪断 强度特性分析 、 强 度特征点比较 、整理 方法选取 、成果整理及标准值研 究以及参数建议值选取等入手 , 建立起坝 区工程岩 体含结构面质童分类及配套的抗剪 断强度参数体 系 , 从而达到了保证复杂地质 条件下 工程安全性及设计合理性的目的 。 关键词岩石力学岩体抗剪强度结构面杭剪强度杭剪强度试验优定料率法 中图分类号文献标识码 一 , 一 , 一 。咭面 场‘祝众 忿 成 众优,心以匆 记 石坛,妙石” ‘。吹口钻咭血 址 晚肿 幽眼 鱿口 即 “ 心 迅公知” ” 玩 而 俪 击” 习 ” 比 二 叮叱 而面吮 即心 雌 印 叹助 ,邓 切旧 词 加喇 别邝叮 而 二 , 访 讨 脚 以加 山如朋 卿川蒯 树 流砂 ,砂 州旧习 触 加 二 目。拌 毗 记 前言 大岗山水电站位于四川省大渡河中游石棉县境 内 , 是大渡河干流近期开发的大型水电工程之一 , 坝 址处控制流域面 积 达万 , 占全 流域的 , 多年平均流量约 , 电站正常蓄水位 , 最大坝高约 , 总库容亿耐 , 电站 装机容量 。 大岗山水电站坝区基岩以澄江期中粗粒角闪 黑云二 长花岗岩类为 主 。 此外 , 尚有辉绿 岩脉 月 、粉岩脉 拼 、花 岗细晶岩脉刃 、 闪长岩脉司 等各类脉岩穿插发育于花岗岩中 , 尤以辉绿岩脉分 布较多 , 它们与围岩的接触关系主要有焊接式接 触 、裂隙式接触及 断层式接触三种类型 。 其次 , 坝 区基岩在气液交代和构造变质作用下发生原生蚀 变 , 其主要蚀变类型有绿泥石 一 绢云母化 、钠黝 帘 石化 、绿帘石化、钾长 石化和硅化等五种此外 , 在 外营力作用下 , 还发生次生风化蚀变 , 如长石类矿 物的高岭石化 、绢云母化蚀 变 , 黑云母的绿泥石化 、 蛙石化蚀变等 。 由此 , 对岩体的质和结构产生了 收稿日期 以刁 一 修改稿 作者简介曾纪全 一, 男 , 重庆市人 , 高级工程师 , 科研所副总工程师 , 主要从事岩石力学试脸研究方面的工作 。 山 韧 , 攀尹 ‘竹帅 地 一 空间与工程学报第卷 不利的影响 。 大岗山水电站在预可行性研究 、可 行性研究阶 段中共完成现场抗剪 断强度试验组 , 其中岩 体现场抗剪 断强度试验 组点 , 结构面现 场抗剪 断强度试验组点 , 其中硬质结构 面组点 , 软弱结构面组点 , 混凝土花 岗岩接触面现场抗剪 断强度试验组点 。 试验点基本夜盖了坝区各类岩体和各类结构面 , 对 坝区岩体和结构面强度参数的合理选取提供了基 础依据 。 强度特征点的比较 岩体是一种复杂的介质 , 是由岩桥和结构面组 成的混合体 , 在荷载作用下 , 两者共同作用协调发 展 , 破坏机理复杂 , 只有在深人研究现场抗剪 断 强度试验破坏机理及应力 一 位移关系的基础上 , 划 分出各阶段的强度特征点进行相应的比较分析 。 杭剪断 强度特性 研究在法向和剪切载荷作用下岩体的破坏机 理和变形特性 , 是认识岩体强度 , 合理选取参数的 基础 。 而岩体原位抗剪试验应力 动 一 位移 “‘ 曲线 二 二 , 是分析确定岩石试件承受载荷的 极限能力和阶段强度取值特征点的依据 , 也是区分 试件缺陷程度对抗剪强度的影响以及对试验成果 作出正确评价的依据 。 工程设计计算可根据应力 一 变形曲线取值 , 经计算得出法向 、剪切刚量等值 而直接运用于工程设计计算 。 因此 , 对应力 一 变形 曲线的分析研究 , 对工程实际运用或本构理论分析 都是十分重要的 。 根据坝区岩体抗剪断强度试验点剪应力 剪切位移曲线特征 , 大致归纳为以下种类型 。 脆性破坏型 受剪应力作用初始阶段具有弹性或准弹性特 征 。 完整的剪应力 一 剪切位移关系曲线一般具有 比例极限强度 、屈 服极限强度 、 峰值强度和残余强 度个特征点 。 统计表明 , 坝区类岩参与整理的试验 点 、 , 类岩属此种类型 , 均具有明显 的峰值特征点 。 塑性破坏型 此类型 比例极限强度 、屈服极限强 度特征点不 明显 。 统计表明 , 坝区软弱结构面及部分刚性结构 面为这种类型 。 复合破坏型 上述两种类型的组合型 , 这种破坏型式在试验 资料中约占试验总量的 一 , 裂隙有一定 发育的 裂隙岩体常具此类特征 。 统计表明 , 坝区 , 类岩 、 类岩 、 类岩及部 分刚性结构面属此种类型 。 剪剪剪剪剪应力 一 剪切位移典班曲线线 尸 一 卜 一 、、 」 、 己己 ‘、 、‘ 一 至至阵习门 刁刁酬 「 一一一一一‘以 引柑 趁 一 一一一一一一一 一 一一一 今一 一一一户 户 叹 洲以】沁 剪剪切位移 ,。 比例极限强度屈服极限强度峰值强度残余强度 岩体抗剪断 , 刚性结构面 , 软弱结构面 图岩体抗剪断强度特征点 以吐 沙 , 户翻比 , 伴吐 喀 , ,比 , 伪 , 山 卜 目 饥泌 岩体在外力作用下一般表现为脆性破坏 、塑性 破坏及复合型破坏三种形式 , 其应力 一 位移关系曲 线上所显示出的不同特征点如图 。 图表明 , 无论哪种破坏形式 , 其破坏过程都 要经历三个阶段 ①可逆的弹性变形阶段②不 可逆的屈服变形阶段 , 但以软弱结构面为代表的塑 性破坏型 , 其弹性变形阶段不明显③破坏阶段 。 根据不同变形阶段可划分出四个强度特征点 , 即比例极限强度图中 、屈服极限强度 图 中 、峰值强度 图中 、残余强度 图中 , 结构面比例极限特征点不明显 。 我国拱坝设计规范与其分析方法配套 , 明确规 定 “ 采用剪摩分析方法 , 强度特征点选用峰值强 度采用纯摩分析方法 , 强度特征点按剪切破坏形 式 , 脆性破坏选用比例极 限强度 , 塑性破坏选用屈 服极限强度 若已剪断 , 则选用残余强度 。” 国内外对上述前三个特征点的取值方法和相 关关系作了很多研究 , 一般认为 屈服强度 峰值强度 二 , 一 平 均比值 比例强度 峰值强度 一 平均比值 。 以沁年第 期曾纪全 , 等 岩体抗剪强度试验成果整理及参数选取 成都院对溪洛渡水电站坝区岩体强度特征点 也进行了相关性分析 , 其相关关系为 岩体比例强度峰值强度 一 平 均比值屈服强度 峰值强度 二一 平均比值 , 。 刚性结构面屈服强度峰值强度 平均比值 。 软弱结构面屈服强度 峰值强度 二 平均比值 。 为研究大岗山水电站坝区岩体抗剪断强度 各特征点的相关性 , 在剪应力 一 剪切位移关系曲线 的基础上 , 对各类岩体和结构面抗剪断强度试 验资料进行统计分析 , 分析成果如下 岩体比例强度峰值强度 二一 平 均比值屈服强度 峰值强度 二一 平均比值残余强度 峰值强度 二 平均比值二次峰值峰值强度 二 一 平均比值 。 刚性结构面屈服强度峰值强度 二 平均比值残余强度 峰值强度 一 平均比值 。 软弱结构面 屈服强度 峰值强度 二 平均比值残余强度峰值强度 二 一 平均比值 。 以上分析成果与国内外研究成果相近 , 规律性 较强 , 具有较好的代表性 。 整理方法选取 岩体和结构面的抗剪强度参数五 。 值是大 坝设计 、两岸坝肩抗力体稳定分析、地下洞室稳定 分析等的基础力学参数之一 , 这一力学参数的确 定 , 是在现场试验成果的基础上 , 经统计整理 、综合 分析取得 。 岩体力学参数的选取尚无一套通用的 、成熟的 方法 , 各单位 、 各工程取值方法也不统一 。 在水利 水电工程中 , 根据测试成果确定岩体抗剪 断强 度参数苏 。 值的方法也较多 , 一般常用方法有图 解法 、点群 中心法 、最小二乘法、优定斜率法等。 其中图解法 、点群 中心法常掺杂着工程经验 , 取值结果可能会因人而异 , 为使抗剪 断强度参 数有足够的保证率 , 常对人 。 值进行折减 , 但折减 无统一标准 。 最小二乘法假定岩体破坏服从莫尔 一 库伦准 则 , 根据取用试验点群资料 , 运用最小二乘法原则 计算出摩擦系数及凝聚力均值 , 标准差及变异 系数 , 从而消除了人为误差 , 同时考虑了试验样本 的随机性 。 但此法必须仔细分析样本的代表性 , 过 滤掉无效样本 。 在试验样本较多时 , 计算所得 、。 值规律性较好 试验样本少时 , 也会因岩体的非均 质性而出现异常 。 与图解法 、点群 中心法相同 , 在 参数选取时也需对 。、沪 值进行折减 , 且折减无统一 标准 。 优定斜率法则是在取得一定数量一般不 少 于组的试验资料后 , 以岩体质量分类为基础 , 对试验成果按岩类进行整理 。 首先绘制该类岩体 各试验点的 一 曲线图 。 从其点群分布的总体 趋势和规律 , 在考虑岩类的前提条件下进行斜率优 定 , 并采用此优定斜率分别求取凝聚力的上 、下限 值 。 一般取下限值作为岩体抗剪断强度参数建 议值 , 此法虽考虑 了影 响抗剪断强度参数的综 合因素 , 但对 、。 相关性缺乏研究 。 试验成果整理及标准值研究 岩体及结构面抗剪断强度参数整理按照岩 体质量分类和结构面工程地质分类进行 , 整理时根 据剪切面地质描述 、 试验原始记录 , 以及试验过程 中的其他情况 , 逐点校核其代表性 、合理性, 舍去不 具代表性 、成果异 常的试验点 , 以保证基础资料真 实可靠 。 优定斜率法最小二乘法 图类花岗岩抗剪断强度关系曲线 代月。而 , 坛记 , 幽 山限 砚山记 奴叼如 】 在试验成果整理及标准值研究选取中 , 将以剔 除不具代表性试验资料后的有效试验点为基础分 别按不同岩类 、结构面类型 归类进行数理统计 、分 析整理和标准值选取 。 其中 , 岩体抗剪断强度试脸 成果采用峰值强度进行整理 , 抗剪强度采用二次剪 峰值强度 结构面抗剪断强度试验成果采用峰值强 度进行整理 , 抗剪强度按岩石试验规程仍采用 地下空间与工程学 报 第卷 二次剪峰值强度 , 但由于结构面 , 特别是软弱结构整理值见图 、表 。 面二次剪峰值强度常高于一次剪峰值强度 , 给抗剪鉴于最小二乘法需要较多样本的统计 , 在工程 强度的取值带来困难 。 根据拱坝设计规范和前实践中 , 为使强度参数取值有足够的保证率 , 通常 面第节强度特征点的比较 中建立的关系 , 结对该方法得出的及 。’进行折减。 而优定斜率法 构面抗剪强度成果采用易于确定的 、相对稳定 的一是从宏观上把握 一。 关系的总体趋势 , 并可将岩 次剪残余强度 。 体的抗剪断强度水平限制在组成岩体的大多数 根据以上原则 , 将试验数据按分类分别点绘在基本单元所能承担的范围内 , 避免因某些薄弱单元 相应的 ,一。 散点图上 , 剔除其中不具代表性的试的累进性破坏而危及工程岩体的整体安全 , 因此建 验点后 , 根据点群趋势 , 分别采用优定斜率法和最议使用优定斜率法的整理成果为试验成果标准值 。 小二乘法取值 , 得出各类岩体抗剪断强度参数 表岩体抗剪强度试脸成果整理值 为砚口由 。想。种翻污兀 优定斜率法最小二乘法 类型代表类型 统计 组数 点数 抗剪断抗剪抗剪断抗剪 ‘‘ 肠 已内 毛︶ ‘一 月 了 ﹄ 工月‘ ‘二 ,‘ 气」 ,几内 、一 心」 徽新灰白色 、徽红色中粒黑云二长花岗岩 尽徽新辉绿岩脉 弱风化下段徽红色 、灰白色中粒黑云 二长花 岗岩 , 徽新钠助帘石化花岗岩 弱风化下段 , 弱卸荷徽红色 、灰白色中粒黑云 二长花岗岩 弱风化上段 弱卸荷灰白色 、徽红 色中粒黑云 二长花岗岩 左泥 左 左 印似 印 表结构面抗剪强度试验成果整理值 砚 山比 。 吮叱油 坛劝山习 到臼份 类型代表类型 统计 组数 点数 中 、缓倾角刚性、无充填结构面 中 、级、陡倾角刚性、蚀变、无充坟结构面 中 、级、陡倾角岩块岩屑型软弱结构面 中 、级、陡倾角岩屑夹泥型软弱结构面 中 、缓、陡倾角泥夹岩屑型软弱结构面 优定斜率法最小二乘法 抗剪断抗剪抗剪断抗剪 ‘‘ 。 , 肠 麟 , , 月月 , , 乃 去, 万 卜入 凡民氏氏 杭剪断 强度参数建议值选取 通过前面一系列的分析 , 在试验成果标准值的 基础上 , 确定坝区岩体和结构面抗剪强度参数建议 值选取原则如下 岩体抗剪 断指标的选取以现场岩体抗 剪 断试验为基础 , 采用优定斜率法整理值为标 准值 。 根据试验破坏类型以脆性或复合型破坏为 主的特点 , 结合现场地质特征 , 按规范有关规 定 , 抗剪断指标按峰值强度取整选取 , 抗剪指标应 取比例极限 。 由于剪应力 一 剪切位移关系曲线上 比例极限点不易确定 , 因此按第节所列强度特征 点的关系 , 采用二次剪峰值强度的折减 , 并考 虑不同岩类的差异 , 综合分析选取 。 参数建议值见 戊巧年第 期曾纪全 , 等岩体抗剪强度试验成果整理及参数选取 表 。 裹岩体抗剪强度参数邃议值 ,雌男 囚 ””吹 脚 诚 以业 抗剪断强度抗剪强度 岩类 ’ 了 ‘ 一 位移关系曲线上屈服极限点不易确定 , 因此按第 节所列强度特征点的关系 , 采用一次剪残余强度的 折减作为建议值 。 参数建议值见表 。 表结构面抗剪强度参数建议值 曰 ” 旧日 伪沈 性状类型 亚类 抗剪断强度抗剪强度 己 结语 优定斜率法整理成果能更客观地反映其 抗剪断强度性质的总体趋势 , 推荐采用优定斜 率法成果整理值作为试验成果标准值和建议参数 选取的基本依据 。 采用优定斜率法的下限值作为 凝聚力的标准值 。 强度特征点的关系是在组点应力 一 位移关系曲线统计基础上得出的 , 具有很好的客 观性和较高的可靠性 。 因此 , 岩体采用二次剪峰值 强度的折减 , 结构面采用一次剪残余强度的 折减选取抗剪强度参数建议值的根据是充分 的 。 采用在试验成果标准值基础上分析整理 选取的坝区岩体和结构面抗剪强度参数建议值 , 客 观反映了各类岩体和各类结构面的抗剪断强度 性质 , 规律性好 , 代表性强 , 为设计 、施工 等基础力 学参数选取提供了可靠的依据 。 参考文献 类型 原中华人民共和国电力工业部主编工程岩体试脸 方法标准 厂巧 “ 一 北京中国计划出版 社 , 长江水利委员会长江科学院主编 水利水电工程岩 石试验规程【翻 一 加 刘明维 , 何沛田 , 钱志雄 , 郑顺人岩体结构面抗剪强 度参数试验研究【重庆建筑澎犯 ,‘ 曰 护,‘护‘ 刚闭合 性 结凡蚀变 构 面 , 张开 软 , 岩块岩屑型 弱 结岩屑夹泥型 构 面 , 泥夹岩屑型 各类结构面亦采用优定斜率法整理值为 标准值 。 根据其剪断类型以塑性破坏为主 , 按规 范有关规定 , 抗剪断指标按峰值强度取整作为建 议值 , 抗剪指标应取屈服强度 。 由于剪应力 一 剪切