坝基缓倾角软弱层带的土工试验研究

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1、1987年第1期长江水利水电科学研究院院报坝基缓倾角软弱层带的土工试验研究冯光愈都霍新4曰冠右 抓E3七本文 系统地 阐述了用土工 试验方法研究软弱层带的工程性质。包括:软弱泥化带的特征,泥 化带的形成,物 理状态,在常规与非常规条件下 的抗剪强度,应力应变特性。软弱层带是一种介于岩石与土层 间的介质,有明显的分带性,曾受过先期剪切。在常规条件下,各带的剪切特性不 同;经多次重复剪切后,出现剪切“固化”;地震作用下 的强度高于静力作用强度。某些泥化带的残余强度与应力水平有关。室内试验成果与现场大 型试验成果接近,因而 可用 室 内中小型试件的 试验成果,部分代替现场试验成果。一、绪. 曰. .

2、 . . .曰. 仁J坝 基缓倾角软弱层带工程性质的研究,是水电建设工程中的 重大课题。泥化软弱层带(下称泥 化带)是其中性质最差的,是坝基稳定的控制因素。国内外对其工 程性质研究 不够或处理不 当,工程失事或停止施工,修改设计,延长施工周期的事件时有发生。我 国的大 坝建设 中,许多重要 工程,如蓦洲坝、小浪底,铜街子等都存在典型 的 泥化带。为此,在“六五”期间,对其工程性质进行了重点攻关研究。在我们的研究 中,采用了如下 的针对泥化带特性的,独特的岩土力学的研究方法:1.用宏观和微观相结合的方法研究软弱层带物质成分,结构与组构特征及泥化成因。2.系统地研究层带的工程性质,包括在各种外荷条

3、件下 的物理、力学特性,为大坝 设计提供可靠而合理的参数。3.研究软弱层带在长期渗水作用下,结构及工程 性质的可 能演变趋势,估 计其对工 程设计与施工 的影响。这些研究工作的深度和 广度都超出了常规岩土试验研究范围。因为软弱层带是一种介于岩土 之 间的一种特殊介质,只有用多学科,多途 经和手段 的综合研究方法才能较好地 研究其性质及其变化规律。二、泥化带的主要类型及泥化 的形成按其工程性质,软弱层带可分为三大类:A类具有泥化带,劈理带和节理带,结构松软,B类为破碎岩肩组成,结构松散;c类为破碎岩块,岩 屑组成。泥 化带按其成因,粒度又有不 同的类型。葛洲坝 的基岩岩层接近水平,为 河 流相碎

4、屑岩,其中薄层粘土岩为相对软弱层带。层 间或层内有厚度不等 的泥化带。清江 隔河岩为滨海相碎屑岩和浅海相灰岩,有多层薄层疙瘩的泥质灰岩,为软弱层带。有的含薄泥化带。河南青山为震旦系大理岩,含有多条相对软弱岩脉,有的已泥化。铜街子,构皮滩等也有与此相似的软弱层带。基岩中的泥化带是由于剪切作用与地下 水溶液的物理化学作用而形成的。如葛洲 坝基岩由于岩层倾斜的自重应力及水平地应 力作用使软弱层带发生 剪 切,这就破坏了岩石的完整性,从而 出现裂隙与劈理剪切 的进一步发展,岩屑 更趋破碎,并由多次剪切“研磨作用”变为极 细 的颗粒。与此 同时,地下水溶液入侵,发生离子交换作用,胶 结物被溶蚀及矿物的溶

5、解,使剪切带的结构及成分发生 一 系列变化,使软弱“岩”逐步变为松软的, 泥”,工抗剪强度随之降低。剪切的相继发展,出现剪切破坏,泥化的剪切带经爱了一个大 的剪切位移先期剪切位移。由此,泥化带的颗粒逐渐发展为定向排列的结构形式。最终形成一个平滑的天然主剪切面。可以推测:剪切破碎程度和 地下水活动程度 决定着软弱层带的类型 和性质。三、试样和试验设计软弱层带有明显 的分带性(见图1)可 分为:1.泥化带因受强 烈的构造剪切与地下水 活动,有一个或几个 主剪切面,厚几mm至几cm,岩石解体为“泥”、饱水、颗粒定向排列。2.劈理带受过 剪切与地下水溶液的较强影响,劈理密集,岩体被破碎,厚度大于泥化带

6、,有的与硬粘土相似。3.节理带仅受构造剪切轻微作用,岩体结构无 明显破坏,裂隙发育。此三带的性质不 同,组成一个厚度上性质变化 的非均质体,需 分别研究各带的特性和 沿厚度方向的变化规律。在现场对层带各部分 的性质进行初步判断的基础上,从各部位取样进行试验,取样时,应 注意先期剪切位移的方向(图1 )。研究层带 中各部位的抗剪强度时,残余强度Sr,最高强度Sp及其差值的相 互关系:R=l一S/( Sp一Sr)衡量构造剪切及水溶液活动对强度的影响程度。式中S二了一S:,牙为经构造剪切及地下水在某一影 响程度后 的强度。另需研究剪切方向与先期剪切方 向的相对关系对抗剪强度的影响。据软弱层带的性质合

7、理安排试验项 目,如对A类层带应 以室内小试件试验为主;对B类以室内中试件试验为主,辅以小试件试验;对C类则 以现场大试件试验为主,可以最小的 试验工作量得到较好的试验成果。日日日日日日 一一产产扮一下卜丁一下布一一汁汁汁千千洲洲洲洲 酬酬荞荞剪迷难移“爪图2之。 。多翻 法甸应力引不爵.四、软弱层带的物理、化学特性软弱层带的物理、化学特性决定于层带本身的物质成分;地质构造剪切错动及地下水溶液作用程度,埋藏环境与深度。同一层带的不同层位有不 同的性质。泥化带性状接近软粘土的性状,颗粒联结微弱,含水量高,近饱和,塑性指数和粘粒含量高。劈理带呈X型裂隙发育,或呈鳞片状,粗粒含量较高。节理带接近围岩

8、。按上述的三类软弱层带统计各项物理指标,可明显看 出各层带的性质。图3为颗粒级 配的平均值的特征曲线。表1为十多个工程的软弱层带物理指标的统计表。下下下下牌牌牌一,l! ! ! ! !- - - - - - - - -l l l_ _ _ _ _一一一一一一一了一卜- - - - - - - - - - - - - - -一一 附附附附附 T T T日日日 目目一 l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l

9、l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l一 邢邢邢邢洲洲洲一长长长门门 月月月月月月 I 冈冈冈冈 一一一 叮叮盯盯盯盯盯厂厂厂厂厂川川川川 一1 1 11 一州州州州 ! 日日日日 刃刃刃刃刃刃 什什阳阳阳阳丁 召召召划划划 ! ! !一, , , ! ! ! ! !r一一 亡亡、泛泛 1 1 1 1 1 1 1 1 下下丰一一 二二互互! ! !1川川l l l l l l l l l l l卜卜卜 铸铸铸铸铸铸铸铸铸铸铸 、丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈丈一一

10、一豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁豁类别天然含水量29。023。83 4。2液 限%塑 限%二孔隙比3 6。220。95 1。421。31145塑性指数1 4。71 2。8e e1 6。5O。751。2 43 4。9一一:8.。_ 一j选旦_继_一,3。16。42 1。121。54 1。61lt w3 0。51 1。91 6。0O。400。782 2。236。31 9。3t w2 5。23 0。542。12 4。41 3。635。80。5 0t w0。80卫巫旦一_ 巨五主1 7。37。31 4。315。738。l15。219。312。11 0。813。511。18。913。40。6 80。87

11、注:横线以上 为平均位,以下为范围值。软弱层带的矿物与化学成分来源于各种不同成因的母岩及母岩风化和地下水溶液的物理化学作用后 的产物。一般以510:A12O3,Fe:O。含 量较高,其次 是Cao,M即或碳酸盐,再次是FeO,P:03及易溶盐,难溶盐等。四、软弱层带. 抗剪强度试验的若干问题1.应力条件软弱层带多以薄层的 形 式存在。泥化带被夹在两个较硬的岩层之间,两者的剪切模量相差很大。剪切时,变形 主要发生在泥化带,围岩变形极小。均匀的 泥化带,应变在一 个方向发生,类 似于单剪状态,其位移,应变及应力为:u=ey,”二。=O,J U.gU Y:夕=十二C Jy刁X仃l=(1一k。)a。=

12、下( 1一k。)Q。仃。=k。a。式中:G。为垂直于 泥一岩接触面 的正应力;T为 剪应 力;k。为静止侧压力系数。对受过较 大先期剪切位移,已有光滑 天 然主剪切 面 的泥化带,在受剪时,剪切位移主 要发生在天然主剪面上,其应力和应变条件与直剪试验的结果相似“!。2.剪切速率在天 然状态 下,泥化带为饱和薄层粘土,而相邻的劈理带,裂隙发育,含粗颗粒,为相对透水层。在进行抗滑稳定分析时,需考虑孔隙水压力的影响,应采用慢剪求有效强度。经对比试验研究表明,对于A,类用低于0.0 2mm/min,对A:类用低于0.5m。/min的剪切 速率是合适 的。3.利用 直剪反复剪求残余强 度利 用上述剪切

13、速率测 出表征 泥化带的剪切曲线,进而求出相 应 于屈服点,峰值及 残余值的强度参数。经多次剪切使颗粒高度定 向排列。其相应的累积剪位移的大小和 试样的状态与性质有关。一般在3 0mm以上,有的可达6 0、7 0mm。剪切试验后需仔细检查剪切面与天然 主剪切面 重合的 程度,这往往是引起强度色线点据分散的原 因。分别按剪切面的状态整理强度参数更为合理。如果同时有几个 天 然主剪切面存在,用三轴仪,将试样斜切,使天然主剪切面与水平方向成(4 5。+( P/ 2),进行剪切可求出最弱面的强度。l4.利用 制备试样测残余强度对于 围岩坚硬的泥化带,取样困难,从 现场取扰动样,保持天然含水量,调 至流

14、限状,装填入环刀,排尽气体,逐级施加固结压力,待固结完成后,进行剪切,求得的残余强度近似于原状试样的残余强度。5.一个试样的多级加荷试验有一 些泥化层带的颗粒胶结强度较低,残余强度参数随正 应力大小而变化,则要用一个试样进行多级加荷试验,其方法是在第一级正应力较高,经固结剪切后,再降低正应力进行剪切,依次进行第三次剪切,能测出一 组多级减荷试验的相应于各个应力下不同应力范围内的残余强度参数,如图4所示。五、泥化带的抗剪强度和应 力应变特性泥化带一般有天然主剪切面,剪切试验时,在很小 的位移下 出现 沿剪切面 的错动。随位移 的增大,破坏便 沿此 面迅 速发展,其应力应变 曲线为有明显峰值和无峰值两类。由于地质构造作用及水溶液作用 而形成的 泥化带,因受过较大的先期剪切位移,若位移在1 00mm以上,形成了光滑平 整的主剪切面,且试验剪切方向与先期剪切方向 一致,则 无明 显峰值,类似于塑 性变形。如只受很小 的先期剪切位移或 末 经剪切,如仅 几mm,未形成剪切面,或 虽有剪切 面而颗粒未充分定向,则剪切曲线有峰值。另外,虽经大 的先期剪切,但试验剪切