向 科 州

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都　610072)

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四川紅層巖石強(qiáng)度試驗(yàn)探討

向 科 州

(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都610072)

摘要：針對四川紅層砂泥巖巖性軟弱、層理發(fā)育、各向異性、遇水易崩解軟化等特點(diǎn)，通過工程案例分析和多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提出了四川紅層巖石試驗(yàn)樣品采集、運(yùn)輸、加工、試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)整理的方法，以確保試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確性，從而為地質(zhì)工程師提供可靠的巖石物理力學(xué)特性參數(shù)的試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖石；巖樣；試驗(yàn)；分析；資料；四川紅層

1概述

巖石試驗(yàn)是取得巖體物理力學(xué)特性指標(biāo)的重要手段和技術(shù)支撐。在試驗(yàn)過程中，除嚴(yán)格按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》SL264-2001要求操作外，尚需采取與之相適宜的手段和方法，以確保試驗(yàn)成果的可靠性、準(zhǔn)確性、合理性。針對四川紅層砂泥巖普遍具有巖性軟弱、層理發(fā)育、各向異性、遇水易崩解軟化等特點(diǎn)，筆者通過總結(jié)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了四川紅層巖石試驗(yàn)樣品采集、運(yùn)輸、加工、試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)整理的方法，具有一定的工程意義。

2巖石強(qiáng)度試驗(yàn)與數(shù)據(jù)整理

2.1試樣采運(yùn)與試件加工

四川紅層具有巖相巖性、膠結(jié)形式和膠結(jié)物變化大、巖體均一性差的特性。同一層位的不同部位其物理力學(xué)性質(zhì)差異較大；受層理、節(jié)理、裂隙及其他不連續(xù)結(jié)構(gòu)面影響，同一塊巖石不同方向亦差異明顯。因此，采樣人員需要和試驗(yàn)工程師、地質(zhì)工程師充分溝通，必要時(shí)在地質(zhì)工程師和試驗(yàn)工程師的現(xiàn)場指導(dǎo)下采集試樣。

四川紅層之砂巖多為較軟巖-軟巖、泥巖為軟巖-極軟巖。巖石含水量發(fā)生變化(俗稱“干濕交替”)時(shí)易崩解軟化。特別是軟-極軟的泥巖失去部分水分或不充分飽和即會(huì)開裂崩解或軟化崩解，從而要求及時(shí)采樣、臘封，盡可能釆集到足夠數(shù)量的軟巖試樣；巖樣搬運(yùn)盡可能做到無震動(dòng)運(yùn)輸。

試件加工是保證試驗(yàn)成果質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，巖樣的采集、臘封、包裝、運(yùn)輸十分不易，試件加工一旦失敗，后果可能無法挽回，試驗(yàn)工程師應(yīng)指導(dǎo)、參與試件加工的全過程。巖樣在采運(yùn)過程中可能受損，試件加工應(yīng)十分小心，以保證試件的數(shù)量及每塊試件的質(zhì)量。試驗(yàn)成果與試件的形狀、直徑的大小、徑高比、切面的平整度及軸向加力與層面的交角等密切相關(guān)，試件加工應(yīng)在試驗(yàn)工程師的指導(dǎo)下針對不同的試樣加工出高質(zhì)量的試件，從而為試驗(yàn)成果質(zhì)量打好基礎(chǔ)。

2.2試驗(yàn)操作

試件加工完成即可進(jìn)入試驗(yàn)過程，試驗(yàn)工程師要準(zhǔn)確理解、把握規(guī)程，精心操作。

(1)軟質(zhì)巖飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

四川紅層以軟巖居多，特別是泥巖，在進(jìn)行飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，按《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》SL264-2001的規(guī)定需浸泡48 h(飽水)，但常常是試件浸泡飽水時(shí)間尚未達(dá)到規(guī)程要求、試件卻已經(jīng)軟化破壞而無法上機(jī)試驗(yàn)。如果進(jìn)行原位(飽和)承載試驗(yàn)，又往往受時(shí)間、外部環(huán)境等因素制約，而進(jìn)行大量的原位試驗(yàn)則條件有限，因此，需要考慮進(jìn)行天然狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來替代飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。實(shí)踐中可適量做一部分原位試驗(yàn)，通過將室內(nèi)試驗(yàn)成果與原位試驗(yàn)成果進(jìn)行對比后折減取值；或根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程推薦的巖石含水量與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系換算飽和抗壓強(qiáng)度；或直接提供軟質(zhì)巖在天然狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度，供地質(zhì)工程師取值使用。

(2)軟質(zhì)巖抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率。

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是隨著巖石試件所承受的加載速率增加而增加的。加載速率過高，則沖撞等試驗(yàn)所求得的抗壓強(qiáng)度值可數(shù)倍于緩慢加載條件下所得的試驗(yàn)結(jié)果。國家有關(guān)巖石力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其加載速率應(yīng)控制在0.5～1 MPa/s之間。特別是四川紅層軟質(zhì)巖試驗(yàn)的加載速率必須遵守這一準(zhǔn)則，不得馬虎。

(3)抗壓強(qiáng)度與接觸面的摩擦。

巖石試件在端面有、無摩擦力的情況下加載時(shí)，樣品的應(yīng)力分布是完全不同的，巖石抗壓強(qiáng)度的測定會(huì)因此而受到影響，所受影響的大小取決于樣品與承壓板之間的摩擦系數(shù)。在巖石單軸抗壓試驗(yàn)中，應(yīng)盡量消除巖石試件與壓力機(jī)端面的摩擦，使端面只有少量的徑向和圓周向的膨脹，應(yīng)力分布盡量均勻。

(4)試件加載的軸力方向。

巖石抗壓強(qiáng)度與加載軸力方向關(guān)系密切。四川紅層巖樣具有各向異性的特點(diǎn)，試驗(yàn)加載軸力垂直層面與平行和斜交層面所取得的抗壓強(qiáng)度差異較大。試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照地質(zhì)工程師要求的加載軸向與層面的夾角進(jìn)行試驗(yàn)，并在試驗(yàn)報(bào)告中加以說明。

2.3試驗(yàn)資料的分析與整理

試驗(yàn)資料的整理是提供可靠、準(zhǔn)確的試驗(yàn)參數(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。試驗(yàn)工程師首先要充分了解試件所處的地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)要求，認(rèn)真分析試件壓裂破壞過程、時(shí)間、是否有隱裂隙的影響等，從而使試驗(yàn)成果更加符合實(shí)際情況。按照試驗(yàn)規(guī)程的要求進(jìn)行成果整理，試驗(yàn)報(bào)告中還應(yīng)分析試驗(yàn)異常值產(chǎn)生的原因，從而為地質(zhì)工程師確定巖石物理力學(xué)參數(shù)提供可靠、準(zhǔn)確的試驗(yàn)成果。

(1)巖性不均一試驗(yàn)成果的整理。

四川紅層具有巖相巖性變化大、膠結(jié)形式和膠結(jié)物不均一的特點(diǎn)。試驗(yàn)工程師要了解巖性不均一的原因和控制巖體物理力學(xué)性質(zhì)的主要因素，試驗(yàn)成果的整理要反映巖性特點(diǎn)和地質(zhì)工程師要求。比如某水電工程項(xiàng)目，地層為白堊系蓬萊鎮(zhèn)組砂巖，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部Ca2+集中為鈣質(zhì)膠結(jié)。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)同一組巖樣不同試件抗壓強(qiáng)度呈倍數(shù)的差異，經(jīng)過巖化分析發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖強(qiáng)度遠(yuǎn)低于鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖。通過與地質(zhì)工程師溝通后將兩種不同膠結(jié)物的砂巖分類整理，為最終確定合理的地質(zhì)參數(shù)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

(2)各向異性試驗(yàn)成果的整理。

四川紅層砂泥巖地層層理發(fā)育、各向異性特征明顯、或某方向節(jié)理優(yōu)勢發(fā)育也會(huì)造成不同方向巖石的強(qiáng)度差異明顯。若對此認(rèn)識不足、資料整理不加以區(qū)別，很容易造成工程浪費(fèi)甚至工程事故。例如某水利工程項(xiàng)目，由于對巖石各向異性特性認(rèn)識不足，大壩堆石料巖石(砂巖)試驗(yàn)只做了垂直層面方向的試驗(yàn)，砂巖抗壓強(qiáng)度均滿足堆石料要求。但在施工中發(fā)現(xiàn)分層碾壓后堆石填筑體表部細(xì)化嚴(yán)重，總會(huì)出現(xiàn)20～30 cm厚的細(xì)化層，經(jīng)取樣檢測得知堆石體級配及滲透系數(shù)均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。后經(jīng)取樣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂巖巖塊堆石平行層面的抗壓強(qiáng)度低于規(guī)范要求，而施工碾壓過程中堆石巖塊的受力方向平行、垂直、斜向是隨機(jī)出現(xiàn)的，故碾壓后出現(xiàn)細(xì)化層、級配及滲透系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求是必然的。后經(jīng)調(diào)整設(shè)計(jì)、增設(shè)排水帶等措施加以處理，問題方得以妥善解決。因此，針對層理發(fā)育或節(jié)理優(yōu)勢發(fā)育等各向異性的巖體，應(yīng)該分向取樣、分向試驗(yàn)、分向整理，才能提供完整的試驗(yàn)成果。

(3)有缺陷的巖石試驗(yàn)成果的整理。

四川紅層中諸如頁巖、層面富集云母的砂泥巖等都是有缺陷的巖石。若要獲取這類巖石的物理力學(xué)參數(shù)，不僅要對巖石缺陷本身有充分的認(rèn)知，還需要采取有針對性的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)成果整理方法。某水電站廠房地基為泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，巖層產(chǎn)狀平緩，層理發(fā)育，層面富集云母，室內(nèi)試驗(yàn)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度很低或根本無法上機(jī)試驗(yàn)，地質(zhì)工程師按照僅有的單軸飽和抗壓強(qiáng)度考慮則地基承載力完全達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)與地質(zhì)工程師討論、分析后認(rèn)為室內(nèi)試驗(yàn)值低是試件飽水后崩解軟化所致，試驗(yàn)值不能代表現(xiàn)場有圍壓狀態(tài)下巖體的強(qiáng)度和承載能力。最終研究決定進(jìn)行適量原位承載試驗(yàn)，重新取樣作天然狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度，兩者對比、綜合分析后取值，滿足了設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明：當(dāng)時(shí)確定巖體物理力學(xué)參數(shù)的方法是正確的。該電站已投產(chǎn)多年，運(yùn)行良好。

3結(jié)語

筆者通過多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，針對四川紅層砂泥巖巖性軟弱、層理發(fā)育、各向異性、遇水易崩解軟化等特點(diǎn)，提出了四川紅層巖石試驗(yàn)樣品采集、運(yùn)輸、加工、試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)整理之行之有效的方法，供同行參考。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

向科洲(1984-)，男，四川成都人，助理工程師，從事水利水電工程巖土試驗(yàn)工作.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0071-02

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

中圖分類號:TV522;TV523;[TV221.2]

收稿日期:2015-10-10