片理角度对绿泥石片岩强度控制的研究★

2022-02-12孙泽宁刘珠兰刘洪建

山西建筑 2022年3期

孙泽宁，刘珠兰，刘洪建

(青岛理工大学，山东青岛 266000)

1 概述

中国西南地区广泛分布绿泥石英片岩，边坡工程问题多发，与片岩具有片理构造、力学性质具有各向异性特征有着密切关系，但目前对绿泥石片岩完整的力学性质研究依旧缺乏。邹浩等[1]对武当石英片岩对隧洞安全性的影响进行了研究，发现由于各项异性，不同剪应力及片理角度下的破坏形式不同；陈懿，周亚军等[2]对片理角度为0°和90°的绿泥石片岩进行了单轴压缩试验，发现当片理角度不同时，岩石的弹模、泊松比等都大不相同；衡帅等[3]对页岩各项异性进行研究，但对片理岩石涉及较少。

陡崖稳定性研究目前还不成熟，近些年由于崖坡崩落所造成的人员伤亡频繁发生(见表1)。基于此种情况，朱林[4]、刘胜利[5]、龙海涛[6]等都对片理影响下的崖坡稳定性进行了相关研究，但其研究中均未能完整体现片理对崖坡的控制作用。基于此种情况，本文以黄藏寺水利枢纽工程，对0°，15°，45°，75°，90°的绿泥石片岩进行了室内试验，研究其完整力学性质变化曲线，并以此建立不同片理角度的BBM-DFN陡崖模型，分析不同片理角度对崖坡稳定性的影响。

表1 国内外高陡崖坡岩崩案例不完全统计

2 室内试验

2.1 工程概况

黄藏寺水利枢纽工程坐落于黑河的上游，坝址区是位于黄藏寺村以下11 km的黑河干流峡谷进口段，河水面高程2 520 m～2 530 m。黄藏寺坝址“V”型河谷狭窄，河床覆盖层及岸边松散堆积物厚度不大，基岩以寒武系中统的石英片岩为主，从总体上来说为中硬岩，岩体局部为含有绿泥石白云母片岩或白云母绿泥石片岩的软质岩，其含量大约为5%。

2.2 试样制备

本次加工试样角度θ为0°，15°，45°，75°，90°等5个角度，不同片理角度的绿泥石云母片岩图见图1，图中箭头为片理角度方向。本次岩样的平均密度2 750 kg/m3，试样两端上下表面平整度的误差为±0.1 mm，端面垂直于试件轴线，允许偏差为±0.25°，试件加工精度按SL/T 264—2020水利水电岩石试验规程执行。其中试样分为天然干燥状态和饱和状态的绿泥石云母片岩，饱和状态试样的处理方式为：使用烘干箱对自然试样烘干24 h之后再于常温真空罐内水浸泡48 h取出立即进行试验。

2.3 试验方案

单轴压缩试验采用中国科学院武汉岩土力学研究所RMT-150C岩石力学试验系统，考虑天然状态下，不同片理角度的绿泥石云母片岩在单轴受压时的变形及破坏规律，全方位得出片理角度对岩样力学性质的影响。

具体试验方案见表2。试验图见图2。

表2 单轴压缩试验方案

2.4 各项异性及强度特征变化规律

2.4.1 单轴压缩试验结果

通过室内单轴试验发现(见表3)：当片理角度θ=0°时，岩样平均强度为105.34 MPa，波动区间为95 MPa～125 MPa，数据的标准离差率为10.68%；当片理角度θ=15°时，岩样平均强度为87.6 MPa，波动区间为76 MPa～118 MPa，标准离差率为17.98%；当片理角度θ=45°时，岩样平均强度为74.54 MPa，波动区间为62 MPa～93 MPa，标准离差率为14.42%；当片理角度θ=75°时，岩样平均强度为60.63 MPa，波动区间为50 MPa～75 MPa，标准离差率为15.74%；当片理角度θ=90°时，岩样平均强度为88.7 MPa，波动区间为73 MPa～99 MPa，标准离差率为10.4%。综上所述可以看到岩样的平均强度随片理角度增大呈现“V”字形(见图3)，标准离差率整体符合要求。

表3 单轴受压试验数据表

2.4.2 破裂形态

从图4岩样裂纹分布图中可以看到，当岩样片理角度为0°和15°时(见图4(a)和图4(b))，岩样破坏以剪切破坏为主，破裂面穿过片理面，属于破裂面穿过片理面的剪切破坏；而当片理角度大于45°时(见图4(c)和图4(d))，拉伸破坏逐渐出现，且破裂面与片理角度逐渐平行，属于平行于片理面的剪切-拉伸破坏；最后当片理角度达到90°，就是片理方向和受力方向平行时(见图4(e))，岩样呈现纵向裂纹贯穿的劈裂状态。

3 片理角度对陡崖稳定性控制因素

3.1 黄藏寺左岸陡崖工程概况

本文基于黄藏寺水利枢纽左岸岩质高陡崖坡工程实际，利用3DEC数值模拟软件中所建立的BBM-DFN模型进行高陡崖坡稳定性计算，探究不同岩石片理角度对该崖坡发生岩崩位置及可能性的影响，让后续坝体施工及高陡崖坡加固作为参考，并提出一些有指导性的施工建议。

3.2 黄藏寺左岸陡崖工程模型的建立与参数选取

本次研究主要是陡崖表面岩石的崩落，故只选取高程2 620 m以上的强风化强卸荷层进行建模(见图5)，模型一最大高度为115 m，X向最大为248 m，最大限度的考虑了陡崖可能发生崩落的位置，Y向厚度70 m，共7个，片理角度分别为0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°。参数表为表4，表5。

表4 岩体参数表

表5 细观节理参数表

3.3 不同片理角度模型模拟

考虑到在片理岩室内试验中，岩石片理角度不同对于岩石的特性参数有着十分重要的影响，故在陡崖稳定性计算中加入了不同片理角度对陡崖稳定性影响，参数采用正常陡崖参数，片理采用DFN节理切割模型，选取密度为0.2，角度分别为0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°建立7种不同片理角度的陡崖模型。不同工况趋势曲线见图6。

笔者对比片理角度为0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°的陡崖位移和裂纹，表明片理角度对其稳定性有一定影响。从破坏裂纹数的变化可以看出，随着片理角度升高，剪切破坏裂纹数整体呈下降趋势，其中片理角度为45°的破坏裂纹数突然升高，说明当片理角度为45°时，陡崖抗剪强度有一定程度的下降；拉破坏裂纹数则呈现波动状，除片理角度为45°与剪切裂纹情况相同外，随着片理角度变化，片理角度为15°的裂纹数略高于片理角度为0°，而片理角度为30°裂纹数又略小于片理角度为0°，在经过片理角度为45°后，片理角度为60°的抗拉裂纹数有大幅减少，少于片理角度为30°时，但后续随着片理角度增大，抗拉裂纹数反而逐渐升高。总裂纹数在片理角度为75°时最少，而在片理角度为45°时最多，可以推断出在片理角度为45°时陡崖稳定性最差，片理角度为75°时陡崖稳定性最高。