楊瑞銀，黨鳳琴

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

承德市雙峰寺水庫巖體力學指標分析

楊瑞銀，黨鳳琴

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

野外大型混凝土與巖體抗剪強度試驗，主要測定混凝土與巖體兩者接合部位的抗剪（斷）強度，為工程設計提供建筑物表層抗滑穩(wěn)定與深層抗滑穩(wěn)定計算中的主要力學參數摩擦系數f值、凝聚力C值。巖體變形試驗是測定工程設計中所需要的巖體變形模量與彈性模量力學參數，獲得巖體的變形特征。

混凝土與巖體抗剪（斷）試驗；巖體變形試驗；摩擦系數；凝聚力；彈性模量；變形模量

1 工程概況

擬建的雙峰寺水庫位于灤河一級支流武烈河干流上，水庫地處承德市區(qū)上游12km，總庫容1.37億m3，設計正常蓄水位389.0m，壩頂高程397.1m，最大壩高52.1m，是以流域防洪為主，兼顧城市供水生態(tài)環(huán)境及發(fā)電等綜合利用的大（Ⅱ）型水利水電樞紐工程。

工程在初步設計階段的地質勘察中，為給設計提供重要的巖體力學參數，進行了野外大型混凝土與巖體抗剪（斷）試驗及巖體變形試驗。

2 試驗場地及試點位置的確定

試驗場地選擇在壩址區(qū)勘探平洞內，平洞位于軸線右壩肩下游側溝谷，山體最大高程（沿壩軸線）463.0m，洞軸線走向平行于壩軸線，洞口高程390.0m，洞徑2m×2m，平洞長104.0m。

洞室揭露的圍巖為太古界塔子群（Arb）黑云斜長片麻巖，顏色以灰黑、灰綠為主，片麻狀構造，中粗粒結構，主要礦物成分為長石、石英、黑云母、角閃石，巖石具混合巖化特征，故巖石片麻理不甚清晰，局部微顯片麻理構造。

依據洞室地質編錄，0～25.0m洞段為強風化巖體，25.0～104.0m段為弱風化巖體，洞室內未見較大的構造岀露，僅以構造節(jié)理為主。0～25.0m段節(jié)理發(fā)育主要有3組節(jié)理：①組走向NE30°，傾向SE，傾角41°，節(jié)理間距10～15cm；②組走向NE45°，傾向NW，傾角40°，節(jié)理間距10～15cm；③組走向NW310°，近直立，節(jié)理間距10～20cm；3組節(jié)理面均有紅褐色夾泥或泥膜。25～104m段主要發(fā)育NE、NW向7組節(jié)理，節(jié)理面大多呈閉合或微張開，局部節(jié)理面有泥膜。

開挖期間段內大部為潮濕，局部有滴水現象，段內無嚴重影響洞室穩(wěn)定的結構面存在。

合理確定試點邊界條件是保證試驗成果質量的重要環(huán)節(jié)，混凝土與巖體抗剪試驗同組試驗巖體巖性基本相同，各試點間距離不宜小于最小邊長。巖體變形試點邊緣至洞壁邊緣距離大于承壓板直徑的1.5倍，試點間距大于承壓板直徑的3倍。試點表面以下3倍承壓板直徑范圍內的巖性相同。

在保證合理的邊界條件下，依據洞室?guī)r體風化分段，將浮渣及試點表層擾動巖體清除干凈，選擇試點?？辜粼囼?組，其中強風化1組，弱風化3組；變形試驗2組，其中強風化、弱風化各1組。

3 試驗制備與方法

混凝土與巖體抗剪試驗及巖體變形試驗試點面積定為2500cm2，在選定的試點位置進行細鑿，混凝土與巖體抗剪試驗面起伏差不超過0.5～1.0cm，變形試驗試點承壓面不超過0.5cm。

承壓面以外1.5倍承壓板直徑范圍巖體表面要平整，清除擾動巖石，無松動巖塊。

試點面積刻鑿完成后，進行地質描述?？辜粼囼灊仓?0cm×50cm混凝土試體，變形試點底板頂板用砂漿找平，試件經過28d養(yǎng)護，確保有足夠的強度。

圖1 抗剪試驗設備安裝

圖2 變形試驗設備安裝

抗剪試驗設備安裝見圖1。巖體變形試驗采用中國巖石力學學會建議的標準試驗設備，巖體變形試驗設備安裝見圖2。

抗剪試驗采用平推飽和快剪法，變形試驗采用圓形剛性承壓板逐級一次循環(huán)加荷法。

根據設計提出的壓力，按規(guī)范要求、千斤頂出力系數，計算出總荷載及分級荷載的試驗表壓，試驗過程按規(guī)程要求進行。

4 混凝土與巖體抗剪試驗成果整理分析

4.1 抗剪試驗成果整理

（1）由原始資料計算法向應力（σ），剪應力（τ）及各級剪應力下的剪切位移（υs）。

（2）繪制各法向應力下的剪應力（τ）與剪切位移（υs）關系曲線。

（3）根據曲線關系，確定各法向應力下的抗剪斷峰值和抗剪峰值，繪制各法向應力與其對應的抗剪斷及抗剪峰值關系曲線，按庫倫表達式τ=σtgφ+C，用圖解法確定相應的抗剪強度指標。

4.2 成果分析

4.2.1 τ～υs關系曲線

由于地質條件不同，抗剪試驗破壞形式亦有所不同，一般分為脆性破壞、彈塑性破壞及塑性破壞?？辜魯嘣囼灮緦儆诖嘈云茐?，破壞前變形量較小，開始曲線呈直線型，一旦變形增加，試件即破壞，同時壓力下降試體發(fā)出響聲，τ～υs關系曲線見圖3。

圖3 第2組常規(guī)抗剪斷τ～υs關系曲線

這種破壞形式第1、2組表現尤為突出，3、4組稍差，分析原因，認為由于后者長期在水中浸泡所致，試體破壞時聽不到響聲。試件破壞后，繼續(xù)施加水平荷載，位移加大，一般保持位移大于6mm，以求得殘余抗剪強度。常規(guī)抗剪試驗峰值與單點法抗剪試驗峰值數值相近，相比較第2組常規(guī)抗剪峰值顯得高，接近抗剪斷峰值，分析其原因，可能是由于試件剪斷后，有的剪斷面起伏差稍大所致。

4.2.2 τ～σ關系曲線分析

4.2.2.1 常規(guī)抗剪斷峰值

無論強風化或弱風化，都有一定的規(guī)律性，離散性較小，正應力大，剪應力也大，符合一般規(guī)律。僅第4組正應力1.26MPa級的剪應力峰值大于正應力1.68MPa級的剪應力峰值。試驗結束后，翻轉試件可見剪切面大部在混凝土本身剪斷，該點不是在預想的剪切面剪斷，故舍去。

4.2.2.2 常規(guī)抗剪峰值

第2組1.26MPa正應力級的剪應力峰值小于0.84MPa正應力級的剪應力峰值，試驗結束后，翻轉試件可見有與抗剪斷情況相似的情況，這里只能說明混凝土強度小于混凝土與巖石剪切面強度，故不參與計算。其他點大都有一定的規(guī)律性，各點分布比較集中。

由于試驗剪切破壞形式屬于脆性破壞，因此比例極限與屈服極限難以確定，所以試驗只提峰值抗剪斷強度和峰值抗剪強度。τ～σ關系曲線見圖4。

圖4 第2組常規(guī)抗剪斷τ～σ關系曲線

當設計要求提供抗剪強度時，往往利用抗剪斷指標乘以折減系數得抗剪強度指標f、C，其折減系數一般為0.75～0.25，所得f、C進行比較。

分析現場試驗實際數據表明：抗剪和抗剪斷強度下的f指標與f′指標比值為0.5～0.77。強風化巖體比值為0.7，弱風化巖體若把偏高的第2組常規(guī)抗剪f舍去，經統計弱風化巖體比值一般為0.5～0.6。當然這種關系僅是本次現場試驗實際數據得出，這與巖性、強度、裂隙、風化等地質條件有關。

4.3 數據的選擇

通過τ～σ關系曲線分析，第4組1.26MPa正應力的抗剪斷峰值偏大，而第2組1.26MPa壓力下的抗剪峰值偏小，所以不參加計算。匯總抗剪試驗成果見表1。

表1 抗剪試驗成果

表2 抗剪試驗折減后匯總成果

由于滾連摩擦、試驗誤差、時間效應等因素，采用試驗成果乘以折減系數以達到一定的保證率。抗剪斷峰值采用0.55；抗剪峰值采用0.67；C值采用0.5。折減結果見表2。

根據表2不同風化程度的抗剪斷峰值、抗剪峰值與單點法抗剪的平均值（其中常規(guī)抗剪不考慮C值）得出抗剪強度建議值為：

（1）強風化?；炷?巖體常規(guī)抗剪斷：f′=0.72，C=0.81MPa?；炷?巖體常規(guī)抗剪f=0.62；

（2）弱風化。混凝土/巖體常規(guī)抗剪斷：f′=1.10，C=0.85MPa?；炷?巖體常規(guī)抗剪f=0.80

5 巖體變形試驗成果及分析

5.1 巖體變形試驗成果整理

根據原始記錄，用板上有效表計算每級壓力下累計變形平均值，繪制壓力～變形關系曲線，找出全變形量和彈性變形量，計算各級壓力下變形模量和彈性模量。

變形試驗通過剛性承壓板局部加載于半無限空間巖體表面，我們可視巖體為理想均勻各向同性的彈性體，測量巖體變形，按彈性理論公式計算巖體變形參數。

式中E0為巖體變形（彈性）模量（MPa）；W0為巖體變形（m）；P為按承壓板單位面積計算的壓力（MPa）；d為承壓板直徑（m）；μ為泊松比（強風化采用0.3，弱風化采用0.25）。

計算成果見表3。

5.2 成果分析

不同的曲線形式可反映巖體變形的不同特性，從壓力～變形關系曲線可見，曲線大體可歸納為3種類型，即上凹型、近似直線型、下凹型，見圖5～圖7。

強風化（弱風化上限）巖體變形曲線2/3為上凹型，1/3為近似直線型，弱風化巖體下凹型較多，近似直線型次之，上凹型僅1條。

上凹型曲線表現為低壓時變形量較大，斜率較緩，后隨著壓力增加而逐漸增大，反映了隨壓力的增高巖體結構面被壓密，塑形變形逐漸減小，模量值逐漸增大的趨勢。

近似直線型曲線，表現為開始變形較小，隨壓力增高，曲線呈線性關系，曲線斜率較陡反映了巖體具有較好的均質性，表明巖體完整堅硬、致密；曲線較緩，表明巖體剛度較低，反映了試點壓力范圍內節(jié)理較發(fā)育。

圖51 -6試點σ～ε關系曲線

圖61 -2試點σ～ε關系曲線

圖72 -2試點σ～ε關系曲線

表3 巖體變形試驗成果

下凹型曲線總變形量都很小，僅為0.016～0.145mm，此種類型變形機理表現為在低壓時變形很小且有一明顯的轉折點，隨著壓力的增加而變形量相對增大，這種曲線變形機理比較復雜，究其原因，認為試點表層巖石強度較好，小壓力時試點面受力變形較小，隨著壓力的增大巖體受壓層增厚，當應力范圍擴展到構造節(jié)理面時變形量相對增大。

本試驗場地巖石也做過室內巖石物理力學性質試驗，弱風化片麻巖巖石飽和吸水率比較小，平均值0.14%，顆粒密度平均值為2.80g/cm3，飽和抗壓強度43.8～142MPa，平均值為90.3MPa，干抗壓強度44.9～171MPa，平均值為108MPa，巖塊彈模為6.28×104MPa，泊松比為0.25，屬于較堅硬—堅硬巖石。與巖體彈模相比，巖塊彈模比較大，是比較合理的，室內巖塊彈模代表巖石局部的力學特性，而野外彈模試驗是代表巖體的力學特性。

5.3 數據的選擇

綜合分析，強風化組E1-1試點巖體較完整，變形量小，模值較高，雖然在強風化段，但已達到弱風化巖體，可按弱風化巖考慮。在弱風化組E2-1試點最小一級壓力下的變形為零，無法計算變形模量和彈性模量，故把異常點舍去，不計算。其試驗成果匯總見表4。

由表4得出不同風化程度變形模量和彈性模量建議值。

6 結語

（1）現場巖體變形試驗是在外力作用下的變形特征，其變形是巖石、結構面及充填物三者變形的總和，同一地段、同一巖性、同一風化程度的巖體，在外力作用下，變形特征符合一般規(guī)律，但由于試點之間節(jié)理裂隙的疏密、方向及組合方式的不同，隧洞開挖所造成的松動圈的深淺，造成不同試點在同一壓力下模量值存在著一定的差別。

表4 變形試驗匯總

（2）混凝土與巖體直剪試驗成果表明，隨著洞深由外往里巖石越來越好，抗剪斷峰值f′值逐漸增大，符合一般規(guī)律，而C值規(guī)律性稍差，認為鑿制試面雖然按規(guī)范要求嚴格控制，但因地質條件所限試點的平整度仍存在一定差別，這也造成C值規(guī)律性稍差的原因之一。

（3）本次試驗利用右壩頭山體勘探平洞，野外巖體抗剪、變形力學試驗工序較多，時間長，投資相對較大，但為此獲得的大壩力學參數符合規(guī)律，建議設計可根據工程實際情況酌情采用。

［1］李佩賞.對野外大型混凝土與巖體（斷層）抗剪強度試驗中幾個問題的探討［A］.中國水利學會勘探專業(yè)委員會學術研討會論文專輯［C］.1999.

［2］SL2643—2001，水利水電工程巖石試驗規(guī)程［S］.

［3］本書編委會.巖石力學參數手冊［K］.北京：水利電力出版社.1991.［4］郭建禮，劉建明.承德市雙峰寺水庫工程地質問題［J］.水科學與工程技術，2010（1）：50-53.

［5］河北省水利水電勘測設計研究院.河北省承德市雙峰寺水庫可行性研究報告［R］.2009.

Analysis on the Rock Mechanics Index of Shuangfengsi Reservoir in Chengde City

YANG Rui-yin，DANG Feng-qin
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Field large concrete and shear strength test of rock mass，the main determination and rock mass concrete bonding both parts of the shear（off）strength for the engineering design of all kinds of buildings to provide stability against sliding surface and deep sliding stability in the calculation of the main mechanical parameters of friction coefficient f value，the cohesive force c value.Rock mass deformation test t determine the rock mass deformation modulus and elastic modulus as learn parameter in the engineering design need，getting the rock mass deformation characteristics.

rock and concrete shear（off）test；rock mass deformation test；friction coefficient；cohesion；elastic modulus；deformation modulus；mechanics index determination

TU45

A

1672-9900（2012）02-0060-04

2012-02-27

楊瑞銀（1953-），女（漢族），河北正定人，高級工程師，主要從事水利水電工程地質、巖土試驗工作，（Tel）022-26154824。