岩体原位力学试验在滇中引水工程中应用分析

赵科

摘要：当前基于原位测试技术对工程岩体质量进行快速评价以及定量分析已经取得很大进步，从而极大推动了工程地质工作发展，而不仅仅是停留于定性评价以及经验判断阶段。基于原位测试，可以有效获得其原始情况下的各项物理力学参数，继而做出更为科学性的分析，本文就滇中引水工程可研阶段岩体试验应用进行分析。

关键词：引水工程;可研分析;岩体原位试验;

就当前而言，基于原位检测技术对岩体质量进行评估已经取得较好的进展。基于原位测试结果与大型试验相结合可以更为全面获得工程岩体物理力学性质的相关指标，从而为工程的后期设计以及施工等提供可靠指导意见。此外，原位测试所用设备也相对轻便，操作过程也比较简单，对于工作环境要求较低，因此在实际工程中应用较为广泛。此次依据笔者多年工作经验，以滇中引水工程可研阶段岩体试验为例，对原位测试应用及其注意事项进行分析。

1.工程概述

作为国务院批准修建的节水供水重大水利项目的标志性项目，滇中引水工程是我国目前西南地区工程规模最大，耗资最多的水利资源配置项目之一。整个工程项目分为水源工程以及输水工程两个实施部分，前者主要位于丽江市玉龙县石鼓镇境内，而后者主要以石鼓镇为起点，经过丽江市、大理州、楚雄州、昆明市、玉溪市最终流入红河州新坡背内，设计总的工程长度661千米。整个工程沿线地形复杂，为了确保工程顺利可靠进行，首先应当对延河流域进行岩体情况了解。故此次项目工程委派我院就滇中引水工程玉溪段、大理II段相关勘探平硐内进行岩体原位力学测验，从而获得相关岩体力学参数，以便于后期工程设计施工。

2.岩体原位试验设备与方法

2.1试验设备

此次滇中引水可研阶段试验主要采用液压千斤顶、液压泵及管路、压力表、滚轴排、刚性承压板、传力管柱、测量支架、磁性表架、测表、钢板、照明系统等设备。综合分析该工程需要同时应用直剪试验以及变形试验两种。在直剪试验阶段，首先对法向加力设备以及传力设备进行安装，随后安装剪力设备。保持法向荷载与剪切面的垂直角度以及保证剪向荷载与剪切面相互平行，并控制其与剪切面的间距不应当大于试验体边长的5%。在试验体的两端均增设法向及切向变形测量点，用于对试样法向以及切向变形情况进行实施检测;而在变形试验阶段，则预先将供压系统相关构件均保持保持一致安装于承压板上，确保轴线与加压方向的一致性。此外，在承压板的对称位置增设变形测量点，对加压方向的变形情况进行实施检测。

2.2试验方法

岩体直剪、混凝土与岩体接触面直剪、岩体变形试验（刚性承压板法），三种试验方法的岩体力学加载平面示意图如下图1所示。

试验前，首先在平硐内试验区均匀布置一系列试验点。详细布置结果如下图2所示。

直剪试验，针对试验区间内存在的浮渣以及岩块等进行清理。实际每组试验所用的混凝土以及岩体等均加工为五个试体，尺寸则控制为0.5×0.5×0.35m，各个之间的间距设置以不低于0.75m为宜。岩体试件浇筑钢筋混凝土保护套。混凝土浇筑基岩面起伏差按0.5～1.0㎝控制，同一组试验起伏差宜一致。试件采用人工浇水养护，待混凝土龄期达到28天后进行试验。基于时间逐級对法向荷载进行加压，每间隔五分钟读取一次位移数据。直到两次读取结果不高于0.01毫米时为稳定时的值，随即进行再次加压，直至试点预加法向荷载稳定后即可进行剪切荷载。执行剪切荷载期间，应当依据预测最大力按8-12级进行等量运输加压，当该级增量为前级1.5倍时，降低一半力，直到剪断。同样剪切荷载通过时间进行匀速控制，每5分钟进行一次加载，并读取变形数据。待实体彻底剪断后，基于摩擦试验对剩下强度进行检测。

而岩体变形试验则主要采用承压板法，以直径50.5cm刚性承压板进行逐级加载负荷。加工试点过程中，对其表层潜在干扰进行清除，试件表面采用人工与机械加工、砂轮打磨，起伏差距控制在0.5cm为宜，随后在试件表面添加高标号砂浆，承压板紧压稳固在试验点上。承压面以外1.5倍承压板直径范围内岩体表面应平整，无松动块石。岩体试件和砂浆采用人工浇水养护，待高标号砂浆养护两周后可进行试验。荷载按试验最大正应力分5级施加。变形稳定标准：每级压力每隔10min读数一次，当满足|△Ws/Ws|<5%时（式中：分子为测表相邻两次读数差，分母为同级压力下第一次读数和前一级压力下最后一次读数差），可认为稳定，施加下一级压力。

3.结果分析

本文以玉溪段大塘子隧洞出口XQPD3平硐工程为例进行试验结果分析。该段平硐长度为67.5米，相关原位试验则设置于硐深24.7-42.0m一段的底板中，所有试验点均为水饱和状态。

混凝土与岩体接触面直剪试验结果，该试验段在硐深24.7-30.8m段，该区间岩体以砂岩为主，强风化、兰灰色、黄褐色，薄～中厚层状夹块状，裂隙发育，岩层产状125°∠30°。试件面加工大致平整，起伏差一般0.5～1.0cm，浇筑混凝土强度等级C25，实测强度28.9MPa。正应力为0.249MPa～1.210MPa，剪力方向为N316°，抗剪断试验剪应力达到峰值时的剪切位移范围4.31mm～8.75mm，抗剪（摩擦）试验剪应力达到峰值时的剪切位移范围2.32mm～5.18mm，如下图所示：

岩体直剪试验：试验段在硐深33.1～40.2m段，岩体为黄褐色、兰灰色、紫红色薄层状砂岩，岩层产状125°∠30°，强风化，泥化严重。试件较完整，垂直荷载根据现场实际情况，正应力为0.249MPa～1.014MPa，剪力方向为N315°，抗剪断试验剪应力达到峰值时的剪切位移范围3.40mm～8.84mm，抗剪（摩擦）试验剪应力达到峰值时的剪切位移范围1.43mm～4.41mm。如下图所示：

岩体变形试验：试验点位置在42.0m处，试验点岩体为薄层页岩，全风化，灰色、黄褐色，泥化严重，手抠掉块，且部分呈软塑状，试验点加工平整。岩体在40～42m段为全风化薄层页岩，灰色夹黄褐色，岩层产状132°∠42°，泥化严重，地质要求在此段作变形试验。正应力与变形P～W关系曲线如下图所示。试验正应力在0～1.216 MPa范围内分五级施加，在最大正应力1.216MPa时，试验点变形模量365MPa，弹性模量1075MPa。

4.结束语

总体而言，基于岩体原位力学试验，极大提高了国内在科学测量岩体物理力学参数等方面研究水平，可以为工程设计单位以及施工部门等提供更为科学的参考指标。此次以滇中引水工程为例，对岩体直剪、混凝土与岩体接触面直剪强度参数、岩体变形特征参数进行整理研究。此次只是针对一段区间进行试点测试，而实际平硐长度达数十米，因此结构构造各方面也不尽相同，实际在使用时，应当尽可能结合围岩地质构造进行综合性的分析判评定。

参考文献

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