水利工程边坡含夹层软弱岩体工程力学性质试验研究

郑 扬

(桐庐富春水利水电建筑有限公司，浙江 杭州 311500)

水利工程尤其是大型水电站常常建设在山区，高山较多、地质构造运动复杂，因此水利工程边坡稳定性存在很大的风险，对水电站工程安全性也是很大的威胁[1- 3]。因此，研究水利工程边坡含夹层软弱岩体的工程力学性质具有重要意义。

受地质构造运动影响，岩体边坡中常存在一定的软弱夹层，威胁了水利工程的长期安全性。大量现有研究表明，我国山区边坡中岩体较为常见的软弱夹层为泥岩或破碎风化岩，导致岩体的力学性质变差，同时在降雨条件下也更容易出现边坡失稳滑动的问题[4- 6]。此外，部分学者指出，含水率是影响边坡岩体力学性质的重要参数。一般而言，含水率越高，岩石内部结构之间的胶结能力也就越弱；同时水分会导致岩石内部颗粒流失，岩石内部产生一定范围的孔隙。因此，学者们认为，含水率越高，岩石的承载能力就越弱，则边坡的稳定性也就越差[7- 9]。

综上所述，现有研究关于不同含水率下含软弱夹层岩体工程力学性质的综合研究较少。因此，本文基于单轴压缩力学试验，对不同含水率、不同夹层倾角条件下的含软弱夹层岩体的力学性质展开了综合研究。研究成果为我国水利工程边坡设计提供了一定的数据借鉴作用。

1 试验

1.1 试样制备

本次研究依托于四川省某大型水电站山体边坡加固工程，该工程主要服务为满足水力发电及蓄洪功能需求，此外还需要服务区域部分地区的水利灌溉作用。根据资料调查及前期工程现场工程地质勘察资料可知，该水电站边坡岩的主要组成为砂岩，但是，受区域地质构造运动影响，水电站边坡内发现大范围的薄层泥岩软弱夹层的存在。经过现场调查，发现地区软弱泥岩夹层的平均厚度约为30mm。此外，根据现有研究发现，相较于砂岩岩块，薄层泥岩的强度较低，且遇水易变形软化，力学性质变差。因此可见，薄层泥岩对水电站边坡的稳定性具有很大的影响。参照现有组合岩体室内模拟试验，利用混凝土制备材料和石膏分别模拟夹层岩体中的硬、软岩部分，其中石膏层厚为20.00mm夹层倾角分别为0°、30°、45°和60°。按照相关试验规范要求，对软、硬部分进行组合、胶结，最终制备得到直径为50mm、高度为100mm的标准工程试验岩体[10]，其具体物理参数见表1。

1.2 试验设计

本次试验分别研究了夹层倾角、含水率对软弱岩体力学性质的影响，室内对含软弱夹层复合岩体开展了力学实验。在试验过程中，首先以1kN的轴向荷载将含软弱夹层岩体试样固定在如图1所示试验台上，此后，利用位移控制模式进行加载，加载速度为0.01mm/min，直至试样破坏。在试验过程中，利用试验设备电子位移计全程对岩体的轴向变形进行测量与记录，以得到岩体完整的应力-应变曲线试验结果，分析其变形特性。

表1 含软弱夹层岩体物理参数

图1 YAW- 2000型万能试验机

2 试验结果分析

2.1 应力-应变曲线特征

基于室内含软弱夹层岩体试样的单轴压缩试验得到图2，由图2可知，当轴向荷载较小时，岩体内的原生孔隙得到压密；此后，随着轴向荷载的增大，岩体的应力-应变曲线进入弹性变形阶段，此阶段岩体的轴向变形随荷载增大而呈现出线性增大的变化关系。在此之后，岩体屈服直至破坏，试验结束。分析岩体变形破坏后特征可以发现，当夹层倾角为0°时，含软弱夹层岩体试样的应力-应变曲线呈脆性破坏特征，达到峰值应力后其应力-应变曲线迅速跌落；而当夹层倾角为30°、45°和60°时，含软弱夹层岩体试样的应力-应变曲线呈现出一定的脆-延性破坏特征，达到峰值应力后其应力-应变曲线下降速度慢，且具有较明显的峰后残余强度特征。

图2 单轴压缩应力-应变曲线

2.2 含水率影响分析

基于室内单轴压缩应力-应变曲线试验结果，得到在相同夹层倾角条件下(0°)，含夹层软弱岩体的抗压强度随含水率变化关系见表2。由表可知，随着含水率的增加，含夹层软弱岩体的抗压强度呈现出逐渐变小的变化趋势。当含夹层软弱岩体的含水率为3%时，岩体的抗压强度为11.06MPa。此后，随着含水率的增加，岩体的抗压强度逐渐降低。当岩体的含水率分别为6%和9%，此时其强度则分别为9.85MPa和8.33MPa，相对含水率3%时降低10.94%和18.19%，强度下降幅度非常明显。分析认为，这是由于当岩体中存在大量水分子时，组合岩体尤其是其软岩部分内部胶结结构会被破坏；此外，在通过浸水对岩石含水率进行控制和调整的过程中，由于水分的流失会带走岩石内部细小颗粒，导致岩石内部的结构逐渐破坏、流失，岩石内部会形成一定数量的孔隙。综上所述，岩体的抗压强度随着含水率的增加而逐渐降低[10- 11]。

表2 含夹层软弱岩体的抗压强度随含水率变化关系

2.3 夹层倾角影响分析

当含水率均为3%时，不同夹层倾角条件下含夹层软弱岩体的抗压强度见表3。由表3可知，随着夹层倾角的逐渐增大，含夹层软弱岩体的抗压强度呈现先降低后增大的变化规律。当含夹层软弱岩体的夹层倾角为0°时，岩体的抗压强度为11.06MPa。此后，随着夹层倾角的增加，岩体的抗压强度分别为8.87MPa、6.78MPa和7.52MPa。由此可见，软弱夹层倾角对组合岩体力学性质的影响较为复杂，当夹层倾角为45°

表3 含夹层软弱岩体的抗压强度随夹层倾角变化关系

时，岩体的单轴抗压强度最低，较含水平软弱夹层的岩体下降了39.70%，下降幅度非常明显。

3 结论

(1)当夹层倾角为0°时，含软弱夹层岩体试样的应力-应变曲线呈脆性破坏特征；而当夹层倾角为30°、45°和60°时，含软弱夹层岩体试样的应力-应变曲线呈现出一定的脆-延性破坏特征。

(2)随着含水率的增加，含夹层软弱岩体的抗压强度逐渐变小，岩体力学性质明显劣化；相较之下，岩体抗压强度随着夹层倾角的增大而先降低后增大，不同夹层倾角下岩体的抗压强度分别为11.06MPa、8.87MPa、6.78MPa和7.52MPa。

(3)本次研究仅从力学角度研究了含水率和夹层倾角对软弱岩体工程性质的影响，而缺乏微观角度的极力解释，下一步应当对破坏后的岩体展开微观电镜扫描试验并展开研究。