孫澤寧，劉珠蘭，劉洪建

(青島理工大學(xué)，山東 青島 266000)

1 概述

中國(guó)西南地區(qū)廣泛分布綠泥石英片巖，邊坡工程問(wèn)題多發(fā)，與片巖具有片理構(gòu)造、力學(xué)性質(zhì)具有各向異性特征有著密切關(guān)系，但目前對(duì)綠泥石片巖完整的力學(xué)性質(zhì)研究依舊缺乏。鄒浩等[1]對(duì)武當(dāng)石英片巖對(duì)隧洞安全性的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于各項(xiàng)異性，不同剪應(yīng)力及片理角度下的破壞形式不同；陳懿，周亞軍等[2]對(duì)片理角度為0°和90°的綠泥石片巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)片理角度不同時(shí)，巖石的彈模、泊松比等都大不相同；衡帥等[3]對(duì)頁(yè)巖各項(xiàng)異性進(jìn)行研究，但對(duì)片理巖石涉及較少。

陡崖穩(wěn)定性研究目前還不成熟，近些年由于崖坡崩落所造成的人員傷亡頻繁發(fā)生(見(jiàn)表1)?；诖朔N情況，朱林[4]、劉勝利[5]、龍海濤[6]等都對(duì)片理影響下的崖坡穩(wěn)定性進(jìn)行了相關(guān)研究，但其研究中均未能完整體現(xiàn)片理對(duì)崖坡的控制作用?；诖朔N情況，本文以黃藏寺水利樞紐工程，對(duì)0°，15°，45°，75°，90°的綠泥石片巖進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，研究其完整力學(xué)性質(zhì)變化曲線(xiàn)，并以此建立不同片理角度的BBM-DFN陡崖模型，分析不同片理角度對(duì)崖坡穩(wěn)定性的影響。

表1 國(guó)內(nèi)外高陡崖坡巖崩案例不完全統(tǒng)計(jì)

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 工程概況

黃藏寺水利樞紐工程坐落于黑河的上游，壩址區(qū)是位于黃藏寺村以下11 km的黑河干流峽谷進(jìn)口段，河水面高程2 520 m～2 530 m。黃藏寺壩址“V”型河谷狹窄，河床覆蓋層及岸邊松散堆積物厚度不大，基巖以寒武系中統(tǒng)的石英片巖為主，從總體上來(lái)說(shuō)為中硬巖，巖體局部為含有綠泥石白云母片巖或白云母綠泥石片巖的軟質(zhì)巖，其含量大約為5%。

2.2 試樣制備

本次加工試樣角度θ為0°，15°，45°，75°，90°等5個(gè)角度，不同片理角度的綠泥石云母片巖圖見(jiàn)圖1，圖中箭頭為片理角度方向。本次巖樣的平均密度2 750 kg/m3，試樣兩端上下表面平整度的誤差為±0.1 mm，端面垂直于試件軸線(xiàn)，允許偏差為±0.25°，試件加工精度按SL/T 264—2020水利水電巖石試驗(yàn)規(guī)程執(zhí)行。其中試樣分為天然干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)的綠泥石云母片巖，飽和狀態(tài)試樣的處理方式為：使用烘干箱對(duì)自然試樣烘干24 h之后再于常溫真空罐內(nèi)水浸泡48 h取出立即進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方案

單軸壓縮試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，考慮天然狀態(tài)下，不同片理角度的綠泥石云母片巖在單軸受壓時(shí)的變形及破壞規(guī)律，全方位得出片理角度對(duì)巖樣力學(xué)性質(zhì)的影響。

具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。試驗(yàn)圖見(jiàn)圖2。

表2 單軸壓縮試驗(yàn)方案

2.4 各項(xiàng)異性及強(qiáng)度特征變化規(guī)律

2.4.1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)室內(nèi)單軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)表3)：當(dāng)片理角度θ=0°時(shí)，巖樣平均強(qiáng)度為105.34 MPa，波動(dòng)區(qū)間為95 MPa～125 MPa，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)離差率為10.68%；當(dāng)片理角度θ=15°時(shí)，巖樣平均強(qiáng)度為87.6 MPa，波動(dòng)區(qū)間為76 MPa～118 MPa，標(biāo)準(zhǔn)離差率為17.98%；當(dāng)片理角度θ=45°時(shí)，巖樣平均強(qiáng)度為74.54 MPa，波動(dòng)區(qū)間為62 MPa～93 MPa，標(biāo)準(zhǔn)離差率為14.42%；當(dāng)片理角度θ=75°時(shí)，巖樣平均強(qiáng)度為60.63 MPa，波動(dòng)區(qū)間為50 MPa～75 MPa，標(biāo)準(zhǔn)離差率為15.74%；當(dāng)片理角度θ=90°時(shí)，巖樣平均強(qiáng)度為88.7 MPa，波動(dòng)區(qū)間為73 MPa～99 MPa，標(biāo)準(zhǔn)離差率為10.4%。綜上所述可以看到巖樣的平均強(qiáng)度隨片理角度增大呈現(xiàn)“V”字形(見(jiàn)圖3)，標(biāo)準(zhǔn)離差率整體符合要求。

表3 單軸受壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2.4.2 破裂形態(tài)

從圖4巖樣裂紋分布圖中可以看到，當(dāng)巖樣片理角度為0°和15°時(shí)(見(jiàn)圖4(a)和圖4(b))，巖樣破壞以剪切破壞為主，破裂面穿過(guò)片理面，屬于破裂面穿過(guò)片理面的剪切破壞；而當(dāng)片理角度大于45°時(shí)(見(jiàn)圖4(c)和圖4(d))，拉伸破壞逐漸出現(xiàn)，且破裂面與片理角度逐漸平行，屬于平行于片理面的剪切-拉伸破壞；最后當(dāng)片理角度達(dá)到90°，就是片理方向和受力方向平行時(shí)(見(jiàn)圖4(e))，巖樣呈現(xiàn)縱向裂紋貫穿的劈裂狀態(tài)。

3 片理角度對(duì)陡崖穩(wěn)定性控制因素

3.1 黃藏寺左岸陡崖工程概況

本文基于黃藏寺水利樞紐左岸巖質(zhì)高陡崖坡工程實(shí)際，利用3DEC數(shù)值模擬軟件中所建立的BBM-DFN模型進(jìn)行高陡崖坡穩(wěn)定性計(jì)算，探究不同巖石片理角度對(duì)該崖坡發(fā)生巖崩位置及可能性的影響，讓后續(xù)壩體施工及高陡崖坡加固作為參考，并提出一些有指導(dǎo)性的施工建議。

3.2 黃藏寺左岸陡崖工程模型的建立與參數(shù)選取

本次研究主要是陡崖表面巖石的崩落，故只選取高程2 620 m以上的強(qiáng)風(fēng)化強(qiáng)卸荷層進(jìn)行建模(見(jiàn)圖5)，模型一最大高度為115 m，X向最大為248 m，最大限度的考慮了陡崖可能發(fā)生崩落的位置，Y向厚度70 m，共7個(gè)，片理角度分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°。參數(shù)表為表4，表5。

表4 巖體參數(shù)表

表5 細(xì)觀節(jié)理參數(shù)表

3.3 不同片理角度模型模擬

考慮到在片理巖室內(nèi)試驗(yàn)中，巖石片理角度不同對(duì)于巖石的特性參數(shù)有著十分重要的影響，故在陡崖穩(wěn)定性計(jì)算中加入了不同片理角度對(duì)陡崖穩(wěn)定性影響，參數(shù)采用正常陡崖參數(shù)，片理采用DFN節(jié)理切割模型，選取密度為0.2，角度分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°建立7種不同片理角度的陡崖模型。不同工況趨勢(shì)曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

筆者對(duì)比片理角度為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°的陡崖位移和裂紋，表明片理角度對(duì)其穩(wěn)定性有一定影響。從破壞裂紋數(shù)的變化可以看出，隨著片理角度升高，剪切破壞裂紋數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，其中片理角度為45°的破壞裂紋數(shù)突然升高，說(shuō)明當(dāng)片理角度為45°時(shí)，陡崖抗剪強(qiáng)度有一定程度的下降；拉破壞裂紋數(shù)則呈現(xiàn)波動(dòng)狀，除片理角度為45°與剪切裂紋情況相同外，隨著片理角度變化，片理角度為15°的裂紋數(shù)略高于片理角度為0°，而片理角度為30°裂紋數(shù)又略小于片理角度為0°，在經(jīng)過(guò)片理角度為45°后，片理角度為60°的抗拉裂紋數(shù)有大幅減少，少于片理角度為30°時(shí)，但后續(xù)隨著片理角度增大，抗拉裂紋數(shù)反而逐漸升高。總裂紋數(shù)在片理角度為75°時(shí)最少，而在片理角度為45°時(shí)最多，可以推斷出在片理角度為45°時(shí)陡崖穩(wěn)定性最差，片理角度為75°時(shí)陡崖穩(wěn)定性最高。

4 結(jié)論

1)針對(duì)黃藏寺工程的綠泥石云母片巖，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)，研究不同片理角度綠泥石云母片巖的力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著片理角度的增加，單軸抗壓強(qiáng)度呈先減小后增加的“V”字型布置，巖石破壞形式破裂也由剪切、拉剪變?yōu)榕哑茐臑橹鳌?/p>

2)片理角度的變化對(duì)巖石剪切及拉伸破壞均有影響，可知隨片理角度增高，陡崖坡的巖崩危險(xiǎn)有著明顯的變化，片理角度45°時(shí)危險(xiǎn)系數(shù)最高，片理角度為75°時(shí)危險(xiǎn)最低，得出的結(jié)論為片理角度在高陡崖坡巖崩的研究中不可忽略的一個(gè)因素。