郝小紅,任冠松
(華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)
層間錯(cuò)動(dòng)帶是經(jīng)過(guò)原生建造、構(gòu)造改造及淺表層改造過(guò)程,發(fā)育于相鄰巖層分界處的緩傾角結(jié)構(gòu)面.其帶內(nèi)物質(zhì)多為經(jīng)過(guò)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化作用和滲透作用產(chǎn)生的巖塊、角礫、巖屑、泥質(zhì).層間錯(cuò)動(dòng)帶具有延伸規(guī)模大、工程特性差等特點(diǎn)[1]. 因此,層間錯(cuò)動(dòng)帶被認(rèn)為是影響巖體穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)面.目前,國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者對(duì)層間錯(cuò)動(dòng)帶的變形機(jī)制研究還不全面,未形成比較系統(tǒng)的理論. 近些年,我國(guó)西南地區(qū)興建的水利水電工程,在邊坡和洞室開(kāi)挖過(guò)程中多揭露分布廣泛的層間錯(cuò)動(dòng)帶,層間錯(cuò)動(dòng)帶的破壞與變形在很大程度上影響著大壩的安全與穩(wěn)定. 因此,研究層間錯(cuò)動(dòng)帶的變形機(jī)制具有很大的理論和現(xiàn)實(shí)意義.筆者以金沙江上某大型水電站工程為依托,通過(guò)對(duì)該壩區(qū)的層間錯(cuò)動(dòng)帶進(jìn)行地質(zhì)編錄和變形試驗(yàn)獲得的資料來(lái)分析玄武巖巖體層間錯(cuò)動(dòng)帶的變形規(guī)律.
所研究工程的壩區(qū)巖性主要為二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖,構(gòu)造類型為單斜構(gòu)造,巖層產(chǎn)狀N30°~50°E、SE∠15° ~25°. 層間錯(cuò)動(dòng)帶是發(fā)育在壩區(qū)11個(gè)巖流層界面或靠近界面的構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)帶,在壩區(qū)分布廣泛,總體來(lái)說(shuō)是連續(xù)的,構(gòu)成了壩區(qū)巖體結(jié)構(gòu)的總體格架.據(jù)江權(quán)等[2]的總結(jié),該區(qū)層間錯(cuò)動(dòng)帶工程特性有以下特點(diǎn):①延伸規(guī)模大,連續(xù)性好;②帶內(nèi)物質(zhì)與結(jié)構(gòu)面類型復(fù)雜和多元化,表現(xiàn)為帶內(nèi)物質(zhì)成分、含量隨所處位置不同有明顯差異,其規(guī)模和結(jié)構(gòu)面類型、水文地質(zhì)也存在差別,構(gòu)成了其多元化的狀態(tài);③多為硬-軟-硬復(fù)核巖體結(jié)構(gòu),錯(cuò)動(dòng)帶在未風(fēng)化情況下的典型組合結(jié)構(gòu)是下盤為堅(jiān)硬的玄武巖,中間為泥化軟層,上盤為較堅(jiān)硬凝灰?guī)r.
對(duì)巖體進(jìn)行開(kāi)挖,勢(shì)必造成錯(cuò)動(dòng)帶的應(yīng)力條件和周邊的接觸環(huán)境發(fā)生變化,導(dǎo)致錯(cuò)動(dòng)帶帶內(nèi)物質(zhì)被風(fēng)化,甚至引起錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng). 因此,為減小擾動(dòng)產(chǎn)生的影響,選擇在邊坡和洞室開(kāi)挖后盡快進(jìn)行了地質(zhì)編錄,采用剛性承壓板法對(duì)層間錯(cuò)動(dòng)帶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn),獲得了真實(shí)可靠的層間錯(cuò)動(dòng)帶相關(guān)物理力學(xué)參數(shù).
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查,Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)、Ⅲ號(hào)、Ⅳ號(hào)緩傾角層間錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)壩區(qū)工程穩(wěn)定性起主要影響作用. 為研究此4 條層間錯(cuò)動(dòng)帶的變形特性,須掌握層間錯(cuò)動(dòng)帶的地質(zhì)發(fā)育特征和物理性狀,故進(jìn)行下列地質(zhì)工作.
首先,在工程現(xiàn)場(chǎng)選取錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育比較典型的位置對(duì)4 條層間錯(cuò)動(dòng)帶進(jìn)行地質(zhì)素描. 其現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況如圖1 所示.
圖1 研究區(qū)4 條層間錯(cuò)動(dòng)帶現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描情況
其次,根據(jù)地質(zhì)素描結(jié)果對(duì)工區(qū)發(fā)育的主要層間錯(cuò)動(dòng)帶進(jìn)行結(jié)構(gòu)面類型劃分. 依據(jù)錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)物質(zhì)種類和含量進(jìn)行結(jié)構(gòu)面類型劃分,一般分為泥、泥夾巖屑、巖屑夾泥、巖塊巖屑四大類,結(jié)果見(jiàn)表1.
最后,在盡量減少擾動(dòng)的情況下,將錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)物質(zhì)取樣做室內(nèi)試驗(yàn),得到不同類型層間錯(cuò)動(dòng)帶物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù),見(jiàn)表2. 由表2 可知:①不同類型結(jié)構(gòu)面的c 和φ 值從低到高排序?yàn)?泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型;②不同類型結(jié)構(gòu)面含水率從高到低排序?yàn)?泥夾巖屑型、巖屑夾泥型、巖塊巖屑型;③錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)含水率越高、泥質(zhì)越多,其結(jié)構(gòu)面c 和φ值就越低.
表1 層間錯(cuò)動(dòng)帶的地質(zhì)狀況
表2 層間錯(cuò)動(dòng)帶物理力學(xué)性質(zhì)取值表
層間錯(cuò)動(dòng)帶變形試驗(yàn)采用現(xiàn)場(chǎng)剛性承壓板法,施加荷載方向?yàn)榇怪庇阱e(cuò)動(dòng)帶延伸方向. 試驗(yàn)地點(diǎn)選在典型探洞內(nèi),試驗(yàn)步驟按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL 264—2001)的要求進(jìn)行[3].
現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn),同一錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)不同位置物質(zhì)組成存在差異,根據(jù)這一現(xiàn)象,試驗(yàn)共選7 個(gè)有代表性的地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試.其中:1、2 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)Ⅰ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶,其結(jié)構(gòu)面類型均為泥夾巖屑;3、4 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)Ⅱ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶,其結(jié)構(gòu)面類型均為巖屑夾泥;5、6 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)Ⅲ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶,其中第5 號(hào)點(diǎn)為泥夾巖屑型,第6 號(hào)為巖塊巖屑型;7 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)Ⅳ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶,為泥夾巖屑型.
試驗(yàn)通過(guò)千斤頂施加載荷,使用對(duì)稱布置在承壓板上的4 只千分表測(cè)量巖體變形量. 根據(jù)工程設(shè)計(jì)及以往工程經(jīng)驗(yàn),試驗(yàn)分5 級(jí)加荷,采用逐級(jí)一次循環(huán)法,除2 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)第一級(jí)加荷為1.6 MPa,逐級(jí)增加壓力為1.6 MPa,最大荷載為8 MPa 外,其余試驗(yàn)點(diǎn)的第一級(jí)加荷均為1.2 MPa,逐級(jí)增加壓力為1.2 MPa,最大壓力為6 MPa.按照規(guī)程[3]要求每次加壓后記錄下施加荷載和變形量.
巖體變形模量和彈性模量計(jì)算公式為
式中:E 為變形模量或彈性模量(當(dāng)以全變形W0代入式中計(jì)算時(shí)為變形模量E0,當(dāng)以彈性變形We代入式中計(jì)算時(shí)為彈性模量Ee),MPa;W 為巖體表面變形,cm;P 為壓力,MPa;D 為承壓板直徑,cm;μ 為巖體泊松比.
對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,計(jì)算出各級(jí)荷載作用下錯(cuò)動(dòng)帶垂直方向的平均變形模量:Ⅰ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶約為0.04 GPa,Ⅱ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶約為0.11 GPa,Ⅲ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶約為0.12 GPa,Ⅳ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶約為0.23 GPa.
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制各錯(cuò)動(dòng)帶變形試驗(yàn)的相關(guān)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2 所示,分析各錯(cuò)動(dòng)帶的變形特征與規(guī)律.
圖2 錯(cuò)動(dòng)帶各試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線
1)Ⅰ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶.1 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)為凝灰?guī)r組成的軟弱夾層,帶內(nèi)凝灰?guī)r為中至強(qiáng)風(fēng)化狀,且?guī)?nèi)潮濕,所以該處的軟弱夾層抗變形能力較弱,其變形過(guò)程符合典型的凝灰?guī)r變形特征.從圖2 中可以看出,1號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)變形曲線首先為很小的一段近直線,再向下彎曲,最后為近直線延伸,因?yàn)槟規(guī)r中基本上不存在孔隙,所以幾乎不存在壓密變形階段,曲線為彈—塑型曲線[4].2 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)為由黃泥夾玄武巖塊組成的軟弱夾層,2 號(hào)曲線為標(biāo)準(zhǔn)的“S”形:低荷載時(shí),泥質(zhì)物與碎塊石共同受力,其間及土中的孔隙受到壓縮,曲線向上彎曲;隨著荷載增大,荷載逐步轉(zhuǎn)移到巖塊上,最終巖塊單獨(dú)受力,巖塊單獨(dú)受力后首先發(fā)生彈性變形,這時(shí)曲線呈直線;由于泥質(zhì)含量高,巖塊受力集中,當(dāng)荷載再繼續(xù)增大后,巖塊內(nèi)有新的裂隙產(chǎn)生和局部破壞,發(fā)生塑性變形,曲線進(jìn)入向下彎曲階段.
2)Ⅱ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶.3 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)位于由強(qiáng)風(fēng)化碎石塊、次生黃泥及鐵錳質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)面上.在較低壓力下,3 號(hào)試驗(yàn)曲線先向上彎曲,巖塊內(nèi)裂隙閉合和泥質(zhì)孔隙被壓密;隨著壓力增加,曲線進(jìn)入近直線階段,為巖塊和鐵錳質(zhì)的彈性變形階段;當(dāng)荷載增大到6 MPa 仍為直線,表明未進(jìn)入屈服狀態(tài).4 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)由較大厚度的黃泥組成,成分單一.在較低壓力下,4號(hào)試驗(yàn)曲線先向上彎曲,為黃泥孔隙的壓密階段;隨著壓力增大,曲線進(jìn)入近直線階段;壓力繼續(xù)增大,曲線向下彎曲,變形進(jìn)入塑性階段[5]. 對(duì)比這兩條曲線,3 號(hào)點(diǎn)處變形模量比4 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)明顯偏大,說(shuō)明單純由黃泥組成的錯(cuò)動(dòng)帶易變形,而由強(qiáng)風(fēng)化碎石塊、次生黃泥及鐵錳質(zhì)組成的3 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)由于其含泥量少,當(dāng)荷載增大到一定值后,碎石塊和鐵錳質(zhì)起到了主要的承載作用,致使該處的總變形量偏?。?/p>
3)Ⅲ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶.5 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)位于由碎裂巖、糜礫巖及次生黃泥組成的結(jié)構(gòu)面上,次生黃泥厚2 ~30 cm.在較低壓力下,5 號(hào)試驗(yàn)曲線開(kāi)始表現(xiàn)為向上彎曲,為碎裂巖、糜礫巖間孔隙的壓密階段;當(dāng)壓力增大,曲線進(jìn)入直線階段,為黃泥的壓縮階段;當(dāng)壓力進(jìn)一步增大,曲線進(jìn)入向下彎曲階段,此時(shí)碎裂巖、糜礫巖發(fā)生塑性變形[6].6 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)位于由凝灰?guī)r塊、碎石塊、巖屑及泥質(zhì)組成的結(jié)構(gòu)面上,泥質(zhì)分布不均.6 號(hào)試驗(yàn)曲線在較低壓力下首先表現(xiàn)為向上彎曲,為巖塊和碎石塊孔隙的壓密階段;隨著壓力的增大,曲線變?yōu)榻本€,此時(shí)巖塊、凝灰?guī)r發(fā)生彈性變形;當(dāng)荷載為6 MPa 時(shí),曲線未出現(xiàn)向下彎曲現(xiàn)象,說(shuō)明在該級(jí)壓力下未進(jìn)入屈服階段.對(duì)比這兩條曲線,6 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)帶內(nèi)物質(zhì)的抗變形能力較5 號(hào)點(diǎn)強(qiáng).對(duì)比兩組試驗(yàn)的帶內(nèi)物質(zhì),6 號(hào)點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)含泥量較5 號(hào)點(diǎn)少,且?guī)?nèi)巖塊以凝灰?guī)r塊、碎石塊為主,巖塊相對(duì)較完整,而5 號(hào)點(diǎn)帶內(nèi)巖塊是以破碎程度較高的碎裂巖、糜礫巖組成,其完整性和強(qiáng)度均比6 號(hào)帶內(nèi)巖塊差,因此產(chǎn)生上述結(jié)果.
4)Ⅳ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶.7 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)位于由泥質(zhì)及塊狀巖石組成的結(jié)構(gòu)面上,帶內(nèi)組成物質(zhì)的種類與2 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)相似,但以巖塊為主,即巖塊含量遠(yuǎn)高于泥質(zhì).巖塊是由玄武巖構(gòu)成,泥質(zhì)一般厚度為3 ~5 cm,最厚10 ~20 cm,分布不均.7 號(hào)試驗(yàn)曲線近似標(biāo)準(zhǔn)的“S”形.7 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)泥質(zhì)較少,在受力過(guò)程中主要由巖塊承擔(dān)荷載,相同荷載下變形量明顯小于2 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn),表現(xiàn)出相對(duì)較強(qiáng)的抗變形能力.
對(duì)上述7 組變形試驗(yàn)得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如下.
1)同一錯(cuò)動(dòng)帶中由于局部位置組成物質(zhì)存在差異,導(dǎo)致其強(qiáng)度和抗變性能力差別較大,在相同荷載下變形不均勻.
2)依據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀,該工區(qū)的錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)物質(zhì)變形方式可歸納為兩大類.
①1,4,5 號(hào)曲線走勢(shì)相似,為向下彎曲平緩型.荷載超過(guò)彈性極限后,變形速度明顯加快,3 條曲線外形平緩、變形量較大,此3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的錯(cuò)動(dòng)帶變形模量為0.02 ~0.03 GPa.對(duì)比3 組試驗(yàn)點(diǎn)的錯(cuò)動(dòng)帶帶內(nèi)主要物質(zhì)組成,含水量均偏高,其中1 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)帶內(nèi)物質(zhì)主要為強(qiáng)風(fēng)化的凝灰?guī)r,4 號(hào)點(diǎn)帶內(nèi)主要為黃泥,5 號(hào)點(diǎn)帶內(nèi)為碎裂巖、糜礫巖及次生黃泥,均為低強(qiáng)度、易變形的軟弱物質(zhì).
②3,6,7 號(hào)試驗(yàn)曲線形狀相似,總體趨勢(shì)為陡直向上型.這3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)帶的變形模量相近,約為0.20 GPa,抗變形能力明顯強(qiáng)于①類. 對(duì)比帶內(nèi)物質(zhì),含泥量較①類少是這3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的共同特點(diǎn).其中3 號(hào)點(diǎn)為強(qiáng)風(fēng)化碎石塊、次生黃泥及鐵錳質(zhì),6號(hào)點(diǎn)為凝灰?guī)r塊、碎石塊、巖屑及泥質(zhì),7 號(hào)點(diǎn)為泥質(zhì)及塊狀巖石,3 組試驗(yàn)點(diǎn)均含有自身強(qiáng)度、抗變形能力相對(duì)較高的巖塊,增強(qiáng)了錯(cuò)動(dòng)帶抗變形能力.
3)帶內(nèi)組成物質(zhì)的種類相同,但變形特點(diǎn)存在差異. 如2 號(hào)和7 號(hào)試驗(yàn)曲線,兩線形態(tài)都為“S”形.在較低壓力下,曲線先向上彎曲,裂隙閉合和泥質(zhì)孔隙壓縮,隨著壓力增大,曲線進(jìn)入直線段,巖石或巖塊發(fā)生彈性變形,最后曲線向下彎曲,產(chǎn)生塑性變形.兩曲線外形相似,但斜率相差較大,2 號(hào)試驗(yàn)曲線平緩,7 號(hào)較陡.產(chǎn)生這一現(xiàn)象是由于7 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)泥質(zhì)較少,所以泥質(zhì)孔隙壓縮階段延伸比較短,在受力過(guò)程中主要由巖塊承擔(dān)荷載,而2 號(hào)點(diǎn)錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)泥質(zhì)較多,所以變形開(kāi)始階段延伸比較長(zhǎng),變形也快.由此可知:帶內(nèi)物質(zhì)相同,其變形所包含的幾個(gè)階段相似,但由于帶內(nèi)物質(zhì)的含量相差較大,其每個(gè)階段對(duì)應(yīng)的總變形量相差較大.
4)錯(cuò)動(dòng)帶變形曲線形狀和變化趨勢(shì)是由錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)物質(zhì)決定的,結(jié)構(gòu)面類型不能決定變形曲線形狀.如3,6,7 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn),3 號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)的錯(cuò)動(dòng)帶結(jié)構(gòu)面類型為巖屑夾泥型,6 號(hào)為巖塊巖屑型,7 號(hào)為泥夾巖屑型.可見(jiàn),此3 組試驗(yàn)點(diǎn)的錯(cuò)動(dòng)帶結(jié)構(gòu)面類型不相同,但3 組試驗(yàn)得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀卻很相近.
1)同一錯(cuò)動(dòng)帶不同位置帶內(nèi)物質(zhì)不一定相同,其結(jié)構(gòu)面類型也不一定相同,因此需要進(jìn)行大范圍、較全面的地質(zhì)編錄,通過(guò)統(tǒng)計(jì)確定主要的結(jié)構(gòu)面類型.判定Ⅰ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶主要的結(jié)構(gòu)面類型為泥夾巖屑型,Ⅱ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶為巖屑夾泥型,Ⅲ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶為巖塊巖屑型,Ⅳ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶為巖屑夾泥型.
2)同一錯(cuò)動(dòng)帶中組成物質(zhì)的差異,會(huì)導(dǎo)致不均勻變形產(chǎn)生.在物質(zhì)組成相同的情況下,含水量增高或塊石風(fēng)化程度加大都會(huì)使錯(cuò)動(dòng)帶抗變形能力降低,而帶內(nèi)物質(zhì)含高強(qiáng)度巖塊會(huì)大幅度提高其抗變形能力.
3)通過(guò)對(duì)4 條錯(cuò)動(dòng)帶中典型結(jié)構(gòu)面在相同荷載作用下變形結(jié)果的對(duì)比分析可知,就整條錯(cuò)動(dòng)帶而言,此次試驗(yàn)Ⅰ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶最大變形量大于0.3,平均變形模量只有0.04 GPa,極易產(chǎn)生變形;Ⅳ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶平均變形模量最大,為0.23 GPa,抗變形能力相對(duì)強(qiáng)些;Ⅱ號(hào)和Ⅲ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶平均變形模量相差不大,為0.11 ~0.12 GPa.所以,考慮到錯(cuò)動(dòng)帶的存在對(duì)壩體及地下洞室穩(wěn)定性的影響,在工程施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)Ⅰ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶的變形予以重視,重點(diǎn)保持對(duì)Ⅰ號(hào)錯(cuò)動(dòng)帶的變形監(jiān)測(cè).
4)帶內(nèi)物質(zhì)及含量決定著錯(cuò)動(dòng)帶的抗變形能力、變形曲線類型和變化趨勢(shì).帶內(nèi)物質(zhì)相同或相似且各物質(zhì)含量相近的錯(cuò)動(dòng)帶其變形曲線相似. 帶內(nèi)物質(zhì)相同,但泥與塊石的含量相差較大時(shí),錯(cuò)動(dòng)帶的變形能力會(huì)受到影響,其變形曲線特征也不盡相同.
5)錯(cuò)動(dòng)帶內(nèi)物質(zhì)組成和其含量的多少?zèng)Q定了結(jié)構(gòu)面類型,但結(jié)構(gòu)面類型不能決定錯(cuò)動(dòng)帶的變形特征,即相同結(jié)構(gòu)面類型的錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)應(yīng)的變形曲線可能有很大差別,變形模量相差也比較大.
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