岩溶角砾岩物理力学特性现场试验研究

郭喜峰， 吴相超， 熊诗湖

(1.长江科学院 重庆分院， 重庆 400026； 2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010)

乌江白马航电枢纽坝基及两岸坝肩分布有大量岩溶角砾岩，其粒径大小不一，基本呈散粒状，较疏松，且夹有泥质条纹条带，这对开挖后形成的高陡边坡抗滑稳定和坝基稳定性影响很大。岩溶角砾岩是碳酸盐岩在近地表次生作用的产物，地下水溶解作用使溶洞顶、底板因失去支撑而塌陷、崩解和碎裂，经再度胶结成岩而成。这类岩体遇水后强度急剧降低，极易崩解软化，有着特殊的工程力学性质，引起了学者们的广泛重视。因此，有必要对这类岩体的基本物理力学特征进行研究，这对于岩溶角砾岩地层施工和后期边坡支护都具有重要的工程指导意义。现有研究多关注于岩溶角砾岩的发育特征及形成条件，鲜见有关岩溶角砾岩物理力学特性的研究[1-3]。岩溶角砾岩性状特殊，介于土和岩石之间，一般无法获取完整岩芯，原位试验则为获取岩体特性参数最为直接的手段之一。

本文以乌江白马航电枢纽为工程背景，在白马和红石桥2个坝址平洞选取3处地质代表性较强的试验位置，开展原位岩溶角砾岩岩体变形试验、三轴试验和岩体直剪试验。此外，为了研究水对岩体力学性质的影响，在白马坝址2处试验位置还进行了物理性质实验。

1 工程概况

1.1 工程地质背景

乌江白马航电枢纽项目于2018年3月21日获得国家发展改革委核准，位于重庆市武隆县境内的白马镇，是乌江开发的最后一个梯级[1]。预可行性研究阶段主要比选了羊角新滩、红石桥、白马3个坝址，推荐白马坝址为代表性坝址，拟建混凝土重力坝，初拟水库正常蓄水位183.00 m，总库容3.95亿m3，最大坝高93.0 m，装机容量405 MW。

坝址区分布的岩溶角砾岩，角砾成分与围岩相同，主要为灰-浅灰色灰岩、泥质灰岩、白云岩及白云质灰岩等；角砾形态棱角分明，大小悬殊，多呈棱角状、次棱角状，泥质灰岩砾石因其质软常形成次浑圆状；角砾砾径从几厘米到数米不等，砾石大小混杂，无分选性，呈杂乱堆积；局部角砾中还保持原始沉积特征；有的角砾之中有较小的角砾，反映出角砾形成的多次性。岩溶角砾岩中胶结物以粘土质和碳酸盐为主，胶结程度与胶结物的成分及其含量有关，一般以碳酸盐为主胶结者，岩石较坚硬，而以粘土或碳酸盐-粘土胶结者则较疏松。岩溶角砾岩具明显的次生结构和构造，如蜂窝状溶孔(洞)、晶洞、土状构造以及次生交代残余结构。

1.2 试验布置

在白马坝址左岸PD1#平洞内针对灰色和黄色2种不同颜色的岩溶角砾岩进行试验，试验内容包括4组/12点岩体变形试验、2组/12点岩体直剪试验、三轴试验1组/6点、大密度试验和含水率试验各4组/12点、颗粒分析试验2组/6点。试验位置布置见图1。

注：黄色岩溶角砾岩试验段，变形试验和三轴试验位置对应关系为E3-1～S4、E3-2～S6、E3-3～S5、E4-1～S3、E4-2～S2、E4-3～S1。

从PD1平洞中岩体出露情况来看，15～25 m主要以灰色岩溶角砾岩为主，90～97 m主要以黄色岩溶角砾岩为主。因PD1平洞主洞渗水，主洞稳定性极差，主洞底板水泥路面的破坏对底板岩体扰动松弛严重，为减少水的影响和施工扰动，准确反映岩体力学性状，在主洞两壁人工开挖9条支洞，并实施临时性支护措施，再在支洞底板上布置岩体力学试验。

在这2个主要洞段，选择角砾岩粒径较均匀，且能反映其特性的适当位置，开挖小型试验支洞。在15～25 m洞段左右各开挖3个试验支洞，尺寸为1.5 m×1.0 m×1.0 m，对灰色岩溶角砾岩进行变形、直剪和物理性质试验，90～97 m洞段共开挖3个试验支洞，尺寸为2.0 m×1.5 m×2.0 m，对黄色岩溶角砾岩进行变形、三轴压缩和物理性质试验。

2 试验方法

2.1 物理性质试验

本次岩溶角砾岩物理性质试验主要包括现场原位密度、含水率和颗粒分析等3个试验内容。在PD1平洞黄色角砾岩和灰色角砾岩洞段，对每种岩性在天然含水状态和饱和状态各进行1组原位密度试验和含水率试验。

原位密度试验采用灌水法。每组试验选3点，按《土工试验规程》(SL 237-1999)规定的方法挖制大小约0.5 m×0.5 m×0.5 m的试坑。原位密度试验和含水率试验完成后，对所取代表性的土样用土工分析筛(20、10、5、2.5、1.25、0.8 mm)进行逐级筛分，按照每个筛上剩余岩土质量计算不超过某粒径所占百分比，绘制级配曲线。

2.2 力学特性试验

2.2.1 岩体变形试验

在试验支洞内，人工凿制满足平整度要求和边界条件的试验面。试验采用刚性承压板法，刚性承压板面积2 000 cm2；最大试验压力1.2 MPa～1.6 MPa，采用逐级一次循环法加压。压力量测系统选用0.4级的精密压力表，量程0～60 MPa；变形量测系统选用0.001 mm的千分表。

2.2.2 岩体直剪试验

试验采用平推法，剪切面尺寸约48 cm×48 cm，剪应力方向与岩体受力方向一致。法向应力大小按照不低于工程最大压力的1.2倍并保证试验支洞安全的原则，按等差级数合理地分配到每个试体上。试体被剪断后，在同等法向应力下，按上述程序进行抗剪试验。在整个施加剪应力过程中始终保持法向应力不变。试验结束后对剪切面进行描述，量测起伏差，确定有效剪切面积。

2.2.3 岩体三轴压缩试验

试样为长方形柱体，底面与原岩相连，天然含水状态，尺寸为50 cm×50 cm×100 cm，人工在洞壁掏挖制样，切割机切割成型。

应力路径采用等侧压施加侧向压力方式，即σ2=σ3为水平方向。6点侧压力分别为0.19、0.11、0.41、0.56、0.71、0.86 MPa；σ1为铅直方向。

载荷步骤：1)采用静水加压方式同步施加σ1=σ2=σ3到σ3；2)保持σ2=σ3恒定，先后加、卸载σ1进行轴压力和在比例界限点时循环一次变形试验；3)施加σ1至破坏。加、卸载分级进行，每级荷载稳定10 min，加载前后测读岩体变形。

试验设备及安装：侧压力采用液压钢枕施加、外套反力框架，轴压力采用千斤顶施加。采用百分表测量变形，对称安装4个百分表于试件顶部钢板表面测量顶面轴向变形，在试件4侧边中心预设测量标点，测量中部横向变形和轴向变形。试验场景照片如图2所示。

图2 岩体三轴实验场景

3 试验成果及分析

3.1 物质组成特征及物理性质指标

黄色和灰色岩溶角砾岩在天然含水状态和饱和状态下的密度、含水率试验成果及颗粒分析试验成果分别如表1和图3所示。由现场物理试验成果可以看出，不论天然状态还是饱和状态，灰色岩溶角砾岩的密度和含水率均大于黄色岩溶角砾岩。颗粒分析结果表明，灰色岩溶角砾岩不均匀系数为10.0～65.2，曲率系数为1.7～4.6；黄色岩溶角砾岩不均匀系数为6.5～8.9，曲率系数为1.0～1.1。前者变化范围大，后者变化范围小，说明灰色岩溶角砾岩颗粒分布不一致，黄色岩溶角砾岩颗粒分布一致[4]。从物理特性上分析，灰色岩溶角砾岩密度大于黄色岩溶角砾岩，但其均匀性后者优于前者。

图3 角砾岩级配曲线

表1 现场物理试验成果表

3.2 岩体工程力学特性

3.2.1 岩体变形特性

在左岸PD1平洞内进行了4组岩溶角砾岩的变形实验，试验成果如表2所示。每组变形试验中，各点之间模量值相差不大。

表2 岩体变形试验成果表

从PD1平洞揭露的岩溶角砾岩岩体破碎、粒径大小不一、胶结较差，基本呈散粒状，且夹有泥质条纹条带。洞内渗水严重，表明岩体含水率偏大。从变形试验成果来看，岩溶角砾岩变形模量低，接近于土的性质。天然含水状态下，灰色岩溶角砾岩和黄色岩溶角砾岩变形模量变化范围接近，黄色略高于灰色。泡水状态下，2种颜色岩溶角砾岩的变形模量变化范围也接近，均值基本一致。

从图4变形试验曲线看，岩溶角砾岩变形试验曲线基本可分为2种类型：

图4 岩体变形实验典型曲线

1)上凹型：岩体表层松散、性状差，低压力时变形急剧增大，随压力增加，松散岩体逐渐被压密，变形减速增长，滞回环面积减小。常见于天然含水状态。

2)直线型。岩溶角砾岩经充分泡水，胶结物软化，砾石分布大致均匀，无层面及其他大型结构面的影响，在试验压力范围，岩体表现出均质体的变形特性，变形与压力成比例。常见于泡水状态。

岩溶角砾岩岩体的变形特性还与其粒径大小相关。白马坝址所揭露的岩溶角砾岩与红石桥坝址所揭露的岩溶角砾岩性状大致相当，岩体较破碎，渗水严重，颗粒间为泥质充填。但红石桥坝址所揭露的岩溶角砾岩粒径大于白马坝址所揭露的岩溶角砾岩。从变形试验曲线来看，白马坝址所揭露的岩溶角砾岩岩体变形试验曲线天然状态为上凹型曲线，泡水状态为直线型，表明该岩体粒径较小，易压缩特性，显现出在低应力作用下压缩变形较大的特征。红石桥坝址所揭露的岩溶角砾岩粒径偏大，底板偶见块石，有拱形效应作用，其变形曲线为上凸型曲线，表明该岩体在低应力作用下压缩量较小。所以红石桥坝址所揭露的岩溶角砾岩岩体在所给应力作用下，其变形模量和弹性模量值为0.23～0.35 GPa和0.64～1.34 GPa，均大于白马坝址所揭露的岩溶角砾岩岩体模量值。

综合分析岩体物理性质和变形特性，含水率与变形特性见表3。由表3可知，含水率对岩溶角砾岩的力学特性有弱化作用，同类岩性岩体，含水率越高，变形模量越低；含水率越低，变形模量越高[5-6]。

表3 含水率与变形参数对照表

图5为含水量与弹性模量的变化情况，随着含水量的增加弹性模量下降[7]。对不同含水量情况下弹性模量进行拟合可得弹性模量E与含水量ω之间关系为E=0.638 5e-0.24ω。

图5 岩体变形模量-含水率关系曲线

同种岩体，泡水前后岩体变形模量对比见表4。泡水后变形模量明显降低。灰色岩溶角砾岩泡水后，变形模量降低了60.36%。黄色岩溶角砾岩泡水后，变形模量降低了72.43%。这主要是因为岩体中泥质胶结物泡水后软化，呈现出与土类似的性质。可见含水状态对岩体变形模量影响很大，特别是对黄色岩溶角砾岩比灰色岩溶角砾岩的影响更大。

表4 泡水前后变形模量对比

3.2.2 岩体强度特性

1)岩体直剪试验。

岩体直剪试验的对象为灰色的岩溶角砾岩，其试验成果见表5所示。τ1组为天然状态灰色岩溶角砾岩。抗剪断强度参数f′=0.60，c′=0.28 MPa；τ2组为泡水状态灰色岩溶角砾岩，抗剪断强度参数为f′=0.43、c′=0.18 MPa；τ3组为红石桥坝址饱和状态岩溶角砾岩，抗剪断强度参数为f′=0.40、c′=0.08 MPa。

表5 岩体直剪试验成果

τ1组、τ2组试验位置接近，岩性一致，地层岩性、地质构造等因素对强度特性的影响较小，主要差别在于2组含水状态的不同。结果表明，泡水状态比天然状态抗剪强度低，说明含水状态对岩溶角砾岩抗剪强度有弱化作用。天然状态，泥质或粉质粘土胶结物尚能发挥一定的强度，一旦泡水即软化成泥，强度降低，这就是天然和泡水2种含水状态下岩体力学特性存在差异的主要原因。τ3组角砾岩主要为泥质胶结，由于受长期渗水影响软化，强度降低，含水量成为影响其抗剪强度参数的主要因素。

由表5可以看出，岩溶角砾岩呈现塑性破坏的特征，天然状态下的f/f′为0.92，饱和状态下的f/f′为0.98，可见饱和状态下的塑性特征更为明显，抗剪断峰值强度f′值和抗剪峰值强度的f非常接近。

2)岩体三轴压缩试验。

三轴试验成果见表6所示，按照莫尔-库仑强度准测得到的抗剪强度参数见表7所示。

表6 岩体三轴试验成果表

表7 莫尔-库仑强度参数

从受力机理上来看，三轴压缩试验受力状态与直剪试验不同，它是在三向应力状态下的强度试验，而岩体直剪试验是只考虑正应力作用的直接剪切强度试验[8-9]。从试件受力后的破坏特征来看，三轴压缩试验无固定的剪切面，沿弱面破坏，其破坏机理与岩体的完整性、颗粒的大小和排列、裂隙的走向倾向于受力方向相关；而直剪试验有互动的剪切面，基本上沿指定的剪切面破坏，其破坏机理与岩体的完整性、岩面粗糙程度、起伏差大小相关。三轴压缩试验的抗剪强度参数是由摩尔库伦准则确定的，而直剪试验是由正应力和剪应力建立的库伦准则确定的。由于岩溶角砾岩颗粒分布不均，胶结较差，且松散，难以形成较为理想的三轴剪切破坏，所以三轴压缩试验确定的黄色岩溶角砾岩抗剪强度参数为f′=0.80、c′=0.75 MPa(天然状态)，这要高于天然状态灰色岩溶角砾岩原位直剪强度参数(f′=0.60、c′=0.28 MPa)。

4 岩石力学试验参数取值

总体原则是，对于岩体变形模量或弹性模量的取值，采用压力～变形曲线上建筑物最大荷载下相应的变形关系选取标准值。由于大部分岩体变形试验的试验压力-变形曲线基本上为线性，取最后2级压力下的变形计算参数无较大差别，按试验的最大应力下的应力与变形计算试验值，根据不同地质单元取试验值平均值为标准值。对于岩体抗剪断强度和抗剪强度取值，主要考虑岩体抗剪试验时试样呈塑性破坏，采用屈服强度作为标准值。

上述岩石力学试验基本覆盖了白马航电枢纽工程坝址区所揭露的有代表性的岩溶角砾岩工程地质单元，但由于同一试验对象的试验数量的限制，不足以按照数值统计方法进行相关的分析[10-11]，以试验成果为依据，结合工程地质条件，采用工程地质类比法提出该工程的岩体力学参数建议值，如表8、表9所示。

表8 岩溶角砾岩变形参数试验建议值

表9 岩溶角砾岩抗剪强度试验建议值

5 结论

1)天然状态，灰色岩溶角砾岩密度2.34～2.58 g/cm3，黄色岩溶角砾岩密度2.22～2.34 g/cm3；饱和状态，灰色岩溶角砾岩密度2.39～2.58 g/cm3，黄色岩溶角砾岩密度2.23～2.41 g/cm3。灰色岩溶角砾岩颗粒分布不一致，黄色岩溶角砾岩颗粒分布基本一致。

2)含水率对岩溶角砾岩的力学特性有弱化作用，同类岩性岩体，含水率越高，变形模量越低；含水率越低，变形模量越高。

3)根据试验成果，并结合前期同类岩体参数经验值，提出相应的试验建议值(变形模量0.05～0.25 GPa，弹性模量0.25～0.50 GPa，抗剪断强度f′=0.4～0.6，c′=0.08～0.3 MPa，抗剪强度f=0.35～0.45)，可供边坡和坝基稳定分析采用。