承德市双峰寺水库岩体力学指标分析

杨瑞银，党凤琴

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

承德市双峰寺水库岩体力学指标分析

杨瑞银，党凤琴

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

野外大型混凝土与岩体抗剪强度试验，主要测定混凝土与岩体两者接合部位的抗剪（断）强度，为工程设计提供建筑物表层抗滑稳定与深层抗滑稳定计算中的主要力学参数摩擦系数f值、凝聚力C值。岩体变形试验是测定工程设计中所需要的岩体变形模量与弹性模量力学参数，获得岩体的变形特征。

混凝土与岩体抗剪（断）试验；岩体变形试验；摩擦系数；凝聚力；弹性模量；变形模量

1 工程概况

拟建的双峰寺水库位于滦河一级支流武烈河干流上，水库地处承德市区上游12km，总库容1.37亿m3，设计正常蓄水位389.0m，坝顶高程397.1m，最大坝高52.1m，是以流域防洪为主，兼顾城市供水生态环境及发电等综合利用的大（Ⅱ）型水利水电枢纽工程。

工程在初步设计阶段的地质勘察中，为给设计提供重要的岩体力学参数，进行了野外大型混凝土与岩体抗剪（断）试验及岩体变形试验。

2 试验场地及试点位置的确定

试验场地选择在坝址区勘探平洞内，平洞位于轴线右坝肩下游侧沟谷，山体最大高程（沿坝轴线）463.0m，洞轴线走向平行于坝轴线，洞口高程390.0m，洞径2m×2m，平洞长104.0m。

洞室揭露的围岩为太古界塔子群（Arb）黑云斜长片麻岩，颜色以灰黑、灰绿为主，片麻状构造，中粗粒结构，主要矿物成分为长石、石英、黑云母、角闪石，岩石具混合岩化特征，故岩石片麻理不甚清晰，局部微显片麻理构造。

依据洞室地质编录，0～25.0m洞段为强风化岩体，25.0～104.0m段为弱风化岩体，洞室内未见较大的构造岀露，仅以构造节理为主。0～25.0m段节理发育主要有3组节理：①组走向NE30°，倾向SE，倾角41°，节理间距10～15cm；②组走向NE45°，倾向NW，倾角40°，节理间距10～15cm；③组走向NW310°，近直立，节理间距10～20cm；3组节理面均有红褐色夹泥或泥膜。25～104m段主要发育NE、NW向7组节理，节理面大多呈闭合或微张开，局部节理面有泥膜。

开挖期间段内大部为潮湿，局部有滴水现象，段内无严重影响洞室稳定的结构面存在。

合理确定试点边界条件是保证试验成果质量的重要环节，混凝土与岩体抗剪试验同组试验岩体岩性基本相同，各试点间距离不宜小于最小边长。岩体变形试点边缘至洞壁边缘距离大于承压板直径的1.5倍，试点间距大于承压板直径的3倍。试点表面以下3倍承压板直径范围内的岩性相同。

在保证合理的边界条件下，依据洞室岩体风化分段，将浮渣及试点表层扰动岩体清除干净，选择试点。抗剪试验4组，其中强风化1组，弱风化3组；变形试验2组，其中强风化、弱风化各1组。

3 试验制备与方法

混凝土与岩体抗剪试验及岩体变形试验试点面积定为2500cm2，在选定的试点位置进行细凿，混凝土与岩体抗剪试验面起伏差不超过0.5～1.0cm，变形试验试点承压面不超过0.5cm。

承压面以外1.5倍承压板直径范围岩体表面要平整，清除扰动岩石，无松动岩块。

试点面积刻凿完成后，进行地质描述。抗剪试验浇筑50cm×50cm混凝土试体，变形试点底板顶板用砂浆找平，试件经过28d养护，确保有足够的强度。

图1 抗剪试验设备安装

图2 变形试验设备安装

抗剪试验设备安装见图1。岩体变形试验采用中国岩石力学学会建议的标准试验设备，岩体变形试验设备安装见图2。

抗剪试验采用平推饱和快剪法，变形试验采用圆形刚性承压板逐级一次循环加荷法。

根据设计提出的压力，按规范要求、千斤顶出力系数，计算出总荷载及分级荷载的试验表压，试验过程按规程要求进行。

4 混凝土与岩体抗剪试验成果整理分析

4.1 抗剪试验成果整理

（1）由原始资料计算法向应力（σ），剪应力（τ）及各级剪应力下的剪切位移（υs）。

（2）绘制各法向应力下的剪应力（τ）与剪切位移（υs）关系曲线。

（3）根据曲线关系，确定各法向应力下的抗剪断峰值和抗剪峰值，绘制各法向应力与其对应的抗剪断及抗剪峰值关系曲线，按库伦表达式τ=σtgφ+C，用图解法确定相应的抗剪强度指标。

4.2 成果分析

4.2.1 τ～υs关系曲线

由于地质条件不同，抗剪试验破坏形式亦有所不同，一般分为脆性破坏、弹塑性破坏及塑性破坏。抗剪断试验基本属于脆性破坏，破坏前变形量较小，开始曲线呈直线型，一旦变形增加，试件即破坏，同时压力下降试体发出响声，τ～υs关系曲线见图3。

图3 第2组常规抗剪断τ～υs关系曲线

这种破坏形式第1、2组表现尤为突出，3、4组稍差，分析原因，认为由于后者长期在水中浸泡所致，试体破坏时听不到响声。试件破坏后，继续施加水平荷载，位移加大，一般保持位移大于6mm，以求得残余抗剪强度。常规抗剪试验峰值与单点法抗剪试验峰值数值相近，相比较第2组常规抗剪峰值显得高，接近抗剪断峰值，分析其原因，可能是由于试件剪断后，有的剪断面起伏差稍大所致。

4.2.2 τ～σ关系曲线分析

4.2.2.1 常规抗剪断峰值

无论强风化或弱风化，都有一定的规律性，离散性较小，正应力大，剪应力也大，符合一般规律。仅第4组正应力1.26MPa级的剪应力峰值大于正应力1.68MPa级的剪应力峰值。试验结束后，翻转试件可见剪切面大部在混凝土本身剪断，该点不是在预想的剪切面剪断，故舍去。

4.2.2.2 常规抗剪峰值

第2组1.26MPa正应力级的剪应力峰值小于0.84MPa正应力级的剪应力峰值，试验结束后，翻转试件可见有与抗剪断情况相似的情况，这里只能说明混凝土强度小于混凝土与岩石剪切面强度，故不参与计算。其他点大都有一定的规律性，各点分布比较集中。

由于试验剪切破坏形式属于脆性破坏，因此比例极限与屈服极限难以确定，所以试验只提峰值抗剪断强度和峰值抗剪强度。τ～σ关系曲线见图4。

图4 第2组常规抗剪断τ～σ关系曲线

当设计要求提供抗剪强度时，往往利用抗剪断指标乘以折减系数得抗剪强度指标f、C，其折减系数一般为0.75～0.25，所得f、C进行比较。

分析现场试验实际数据表明：抗剪和抗剪断强度下的f指标与f′指标比值为0.5～0.77。强风化岩体比值为0.7，弱风化岩体若把偏高的第2组常规抗剪f舍去，经统计弱风化岩体比值一般为0.5～0.6。当然这种关系仅是本次现场试验实际数据得出，这与岩性、强度、裂隙、风化等地质条件有关。

4.3 数据的选择

通过τ～σ关系曲线分析，第4组1.26MPa正应力的抗剪断峰值偏大，而第2组1.26MPa压力下的抗剪峰值偏小，所以不参加计算。汇总抗剪试验成果见表1。

表1 抗剪试验成果

表2 抗剪试验折减后汇总成果

由于滚连摩擦、试验误差、时间效应等因素，采用试验成果乘以折减系数以达到一定的保证率。抗剪断峰值采用0.55；抗剪峰值采用0.67；C值采用0.5。折减结果见表2。

根据表2不同风化程度的抗剪断峰值、抗剪峰值与单点法抗剪的平均值（其中常规抗剪不考虑C值）得出抗剪强度建议值为：

（1）强风化。混凝土/岩体常规抗剪断：f′=0.72，C=0.81MPa。混凝土/岩体常规抗剪f=0.62；

（2）弱风化。混凝土/岩体常规抗剪断：f′=1.10，C=0.85MPa。混凝土/岩体常规抗剪f=0.80

5 岩体变形试验成果及分析

5.1 岩体变形试验成果整理

根据原始记录，用板上有效表计算每级压力下累计变形平均值，绘制压力～变形关系曲线，找出全变形量和弹性变形量，计算各级压力下变形模量和弹性模量。

变形试验通过刚性承压板局部加载于半无限空间岩体表面，我们可视岩体为理想均匀各向同性的弹性体，测量岩体变形，按弹性理论公式计算岩体变形参数。

式中E0为岩体变形（弹性）模量（MPa）；W0为岩体变形（m）；P为按承压板单位面积计算的压力（MPa）；d为承压板直径（m）；μ为泊松比（强风化采用0.3，弱风化采用0.25）。

计算成果见表3。

5.2 成果分析

不同的曲线形式可反映岩体变形的不同特性，从压力～变形关系曲线可见，曲线大体可归纳为3种类型，即上凹型、近似直线型、下凹型，见图5～图7。

强风化（弱风化上限）岩体变形曲线2/3为上凹型，1/3为近似直线型，弱风化岩体下凹型较多，近似直线型次之，上凹型仅1条。

上凹型曲线表现为低压时变形量较大，斜率较缓，后随着压力增加而逐渐增大，反映了随压力的增高岩体结构面被压密，塑形变形逐渐减小，模量值逐渐增大的趋势。

近似直线型曲线，表现为开始变形较小，随压力增高，曲线呈线性关系，曲线斜率较陡反映了岩体具有较好的均质性，表明岩体完整坚硬、致密；曲线较缓，表明岩体刚度较低，反映了试点压力范围内节理较发育。

图51 -6试点σ～ε关系曲线

图61 -2试点σ～ε关系曲线

图72 -2试点σ～ε关系曲线

表3 岩体变形试验成果

下凹型曲线总变形量都很小，仅为0.016～0.145mm，此种类型变形机理表现为在低压时变形很小且有一明显的转折点，随着压力的增加而变形量相对增大，这种曲线变形机理比较复杂，究其原因，认为试点表层岩石强度较好，小压力时试点面受力变形较小，随着压力的增大岩体受压层增厚，当应力范围扩展到构造节理面时变形量相对增大。

本试验场地岩石也做过室内岩石物理力学性质试验，弱风化片麻岩岩石饱和吸水率比较小，平均值0.14%，颗粒密度平均值为2.80g/cm3，饱和抗压强度43.8～142MPa，平均值为90.3MPa，干抗压强度44.9～171MPa，平均值为108MPa，岩块弹模为6.28×104MPa，泊松比为0.25，属于较坚硬—坚硬岩石。与岩体弹模相比，岩块弹模比较大，是比较合理的，室内岩块弹模代表岩石局部的力学特性，而野外弹模试验是代表岩体的力学特性。

5.3 数据的选择

综合分析，强风化组E1-1试点岩体较完整，变形量小，模值较高，虽然在强风化段，但已达到弱风化岩体，可按弱风化岩考虑。在弱风化组E2-1试点最小一级压力下的变形为零，无法计算变形模量和弹性模量，故把异常点舍去，不计算。其试验成果汇总见表4。

由表4得出不同风化程度变形模量和弹性模量建议值。

6 结语

（1）现场岩体变形试验是在外力作用下的变形特征，其变形是岩石、结构面及充填物三者变形的总和，同一地段、同一岩性、同一风化程度的岩体，在外力作用下，变形特征符合一般规律，但由于试点之间节理裂隙的疏密、方向及组合方式的不同，隧洞开挖所造成的松动圈的深浅，造成不同试点在同一压力下模量值存在着一定的差别。

表4 变形试验汇总

（2）混凝土与岩体直剪试验成果表明，随着洞深由外往里岩石越来越好，抗剪断峰值f′值逐渐增大，符合一般规律，而C值规律性稍差，认为凿制试面虽然按规范要求严格控制，但因地质条件所限试点的平整度仍存在一定差别，这也造成C值规律性稍差的原因之一。

（3）本次试验利用右坝头山体勘探平洞，野外岩体抗剪、变形力学试验工序较多，时间长，投资相对较大，但为此获得的大坝力学参数符合规律，建议设计可根据工程实际情况酌情采用。

［1］李佩赏.对野外大型混凝土与岩体（断层）抗剪强度试验中几个问题的探讨［A］.中国水利学会勘探专业委员会学术研讨会论文专辑［C］.1999.

［2］SL2643—2001，水利水电工程岩石试验规程［S］.

［3］本书编委会.岩石力学参数手册［K］.北京：水利电力出版社.1991.［4］郭建礼，刘建明.承德市双峰寺水库工程地质问题［J］.水科学与工程技术，2010（1）：50-53.

［5］河北省水利水电勘测设计研究院.河北省承德市双峰寺水库可行性研究报告［R］.2009.

Analysis on the Rock Mechanics Index of Shuangfengsi Reservoir in Chengde City

YANG Rui-yin，DANG Feng-qin
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Field large concrete and shear strength test of rock mass，the main determination and rock mass concrete bonding both parts of the shear（off）strength for the engineering design of all kinds of buildings to provide stability against sliding surface and deep sliding stability in the calculation of the main mechanical parameters of friction coefficient f value，the cohesive force c value.Rock mass deformation test t determine the rock mass deformation modulus and elastic modulus as learn parameter in the engineering design need，getting the rock mass deformation characteristics.

rock and concrete shear（off）test；rock mass deformation test；friction coefficient；cohesion；elastic modulus；deformation modulus；mechanics index determination

TU45

A

1672-9900（2012）02-0060-04

2012-02-27

杨瑞银（1953-），女（汉族），河北正定人，高级工程师，主要从事水利水电工程地质、岩土试验工作，（Tel）022-26154824。