某水库工程坝基岩石强度曲线的研究与应用

高立业，韩治国，张进

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.平谷区水务局，北京 101200）

某工程大坝坝基基岩主要是侏罗系浅湖相沉积地层，岩性有灰白色石英砂岩、浅棕红色泥质粉砂岩及紫红色泥岩。工程区位于单斜地层上，区域构造稳定性较好，岩层倾角平缓，整体产状NW272°～284°SW∠4°～17°。

勘察过程中对坝基石英砂岩、泥质粉砂岩和泥岩进行了大量点荷载试验。试验操作方便，不受时间限制，实用性强，试样无需进一步加工。试验成果说明，点荷载试验强度与室内试验成果差异不大，是室内力学试验的重要补充，也是岩石力学试验的一个重要方法，为岩石分级和抗压强度参数提供依据，同时可以测定岩石各向异性指数[1]，为工程设计参数选取提供力学指标。

1 石英砂岩点荷载试验

1.1 点荷载试验成果

勘察中对钻孔分别以弱风化、微风化和新鲜岩芯为试验样品，进行点荷载试验，按照《水利水电工程岩石试验规程》（SL264－2020）[2]，将取出来的岩芯浸水48 h以上，分期分批按垂直和平行层面进行点荷载试验[3]，每组10块，试验成果详见表1。

表1 岩石点荷载试验成果

石英砂岩平行层面点荷载试验完成了85组（856块），强度分布曲线如图1所示；垂直层面点荷载试验完成了83组（836块），强度分布曲线如图2所示。

图1 石英砂岩平行层面点荷载强度分布曲线

图2 石英砂岩垂直层面点荷载强度分布曲线

1.2 成果分析[4]

（1）平行层面点荷载试验强度曲线开始段上升较快，曲线峰值靠前，达到峰值后，随强度增大，曲线逐渐降低，延伸较长，说明个别岩样层面胶结较好，层面对强度影响减弱，其大值与完整的岩块强度相近。从曲线分布形态可以看出，平行层面的强度以38～48 MPa为主，平均值42.33 MPa，比点荷载试验统计平均值（44.48 MPa）略小，主要是点荷载个别大值对平均值统计有影响。

（2）垂直层面点荷载试验强度曲线呈波状起伏，曲线峰值略靠后，其强度主要分布在54～72 MPa，平均值62.10 MPa，与试验统计平均值（61.82 MPa）接近，说明层面对垂直层面的强度影响减弱。

（3）平行层面与垂直层面点荷载试验最大与最小差值分别为30.24 MPa和27.33 MPa，二者变化范围较接近。但平行层面点荷载强度平均值（44.48 MPa）比垂直层面点荷载强度平均值（61.82 MPa）要小17.34 MPa，各向异性指数为1.40，说明层面对强度有明显的影响作用。

（4）砂岩室内饱和单轴抗压强度为33.20～69.50 MPa，平均49.76 MPa。与室内试验相比，平行层面点荷载试验强度值偏小，平均值小5.28 MPa；垂直层面点荷载试验强度值偏大，平均值大12.06 MPa。

（5）点荷载试验变异系数为0.11～0.15，变异性属低等。点荷载试验值与室内岩石试验相近，试验组数多，成果可靠，各向异性规律明显。

2 泥质粉砂岩点荷载试验

2.1 点荷载试验成果

泥质粉砂岩平行层面点荷载试验完成了41组（416块），强度分布曲线如图3所示；垂直层面点荷载试验完成了35组（350块），强度分布曲线如图4所示。

图3 泥质粉砂岩平行层面点荷载强度分布曲线

图4 泥质粉砂岩垂直层面点荷载强度分布曲线

2.2 成果分析

（1）平行层面点荷载试验强度曲线开始段有起伏，曲线峰值略靠前，达到峰值后，随强度增大，曲线呈缓坡逐渐降低，说明个别岩样层面胶结较好，层面对强度影响减弱，其大值与完整的岩块强度相近。从曲线分布形态可以看出，平行层面的强度以14～20 MPa为主，平均值16.18 MPa，与试验统计平均值（16.21 MPa）接近。

（2）垂直层面点荷载试验强度曲线呈波状起伏，曲线峰值略靠前，其强度主要分布在18～32 MPa，平均值24.65 MPa，与试验统计平均值（23.44 MPa）接近。

（3）平行层面与垂直层面点荷载试验最大与最小差值分别为17.42 MPa和23.31 MPa，垂直层面的变化范围略大。但平行层面点荷载强度平均值（16.21 MPa）比垂直层面点荷载强度平均值（23.44 MPa）要小7.23 MPa，各向异性指数为1.44，说明层面对点荷载强度是有影响的。

（4）泥质粉砂岩[5]室内饱和单轴抗压强度为9.33～41.10 MPa，平均15.98 MPa。与室内试验相比，平行层面点荷载试验强度值相近，垂直层面点荷载试验强度值偏大，平均值大7.46 MPa。

（5）点荷载试验变异系数为0.26，变异性属中等。点荷载试验值与室内岩石试验相近，试验组数多，成果可靠，各向异性规律明显。

3 泥岩点荷载试验

3.1 点荷载试验成果

泥岩平行层面点荷载试验完成了52组（518块），强度分布曲线如图5所示；垂直层面点荷载试验完成了40组（405块），强度分布曲线如图6所示。

图5 泥岩平行层面点荷载强度分布曲线

图6 泥岩垂直层面点荷载强度分布曲线

3.2 成果分析

（1）平行层面点荷载试验强度曲线开始段偏高，曲线峰值靠前，达到峰值后，随强度增大，曲线呈缓坡逐渐降低，延伸稍长，说明个别岩样受层面影响减弱，强度偏大，其大值与完整的岩块强度相近。从曲线分布形态可以看出，平行层面的强度以4～6 MPa为主，平均值4.76 MPa，比试验统计平均值（5.20 MPa）略小。

（2）垂直层面点荷载试验强度曲线基本呈正态分布，强度主要分布在7～10 MPa，平均值7.80 MPa，与试验统计平均值（7.75 MPa）接近。

（3）平行层面与垂直层面点荷载试验最大与最小差值分别为5.12 MPa和6.46 MPa，二者变化范围相近。但平行层面点荷载强度平均值（5.20 MPa）比垂直层面点荷载强度平均值（7.75 MPa）要小2.5 MPa，各向异性指数为1.51，说明层面对点荷载强度是有影响的。

（4）泥岩室内饱和单轴抗压强度为4.63～19.10MPa，平均11.97 MPa。与室内试验相比，平行层面点荷载试验强度值偏小，平均值小6.77 MPa。垂直层面点荷载试验强度值也偏小，平均值小4.22 MPa。室内试验取的岩样一般是较完整的，强度也稍高，属正常现象；不完整的岩样或破碎岩块，室内也难以进行力学试验，由此造成室内试验强度偏高的问题。点荷载试验受岩样限制条件少，更能反映岩石真实情况。

（5）点荷载试验变异系数为0.17～0.25，变异性属低～中等。现场点荷载试验组数多，成果更可靠，各向异性规律明显。

4 结论

（1）点荷载试验是岩石试验的一个重要方法和手段，操作简单易行，实用性强，是室内试验的一个重要补充，通过与室内试验成果对比，点荷载试验成果是可靠的。

（2）对结构面（含层面）比较发育的岩石，点荷载试验时可随意选择加载的方向，各向异性指数充分反映结构面对强度的影响程度。本工程岩石层面对岩石强度有明显的影响作用，各向异性指数多大于1.40。

（3）点荷载试验是对室内试验成果的校核和补充。由于其操作简单易行，在现场可进行大量试验，通过其强度分布曲线了解和分析岩石强度分布规律，为设计参数选取提供依据。