某水庫工程壩基巖石強度曲線的研究與應用

高立業，韓治國，張進

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.平谷區水務局，北京 101200）

某工程大壩壩基基巖主要是侏羅系淺湖相沉積地層，巖性有灰白色石英砂巖、淺棕紅色泥質粉砂巖及紫紅色泥巖。工程區位于單斜地層上，區域構造穩定性較好，巖層傾角平緩，整體產狀NW272°～284°SW∠4°～17°。

勘察過程中對壩基石英砂巖、泥質粉砂巖和泥巖進行了大量點荷載試驗。試驗操作方便，不受時間限制，實用性強，試樣無需進一步加工。試驗成果說明，點荷載試驗強度與室內試驗成果差異不大，是室內力學試驗的重要補充，也是巖石力學試驗的一個重要方法，為巖石分級和抗壓強度參數提供依據，同時可以測定巖石各向異性指數[1]，為工程設計參數選取提供力學指標。

1 石英砂巖點荷載試驗

1.1 點荷載試驗成果

勘察中對鉆孔分別以弱風化、微風化和新鮮巖芯為試驗樣品，進行點荷載試驗，按照《水利水電工程巖石試驗規程》（SL264－2020）[2]，將取出來的巖芯浸水48 h以上，分期分批按垂直和平行層面進行點荷載試驗[3]，每組10塊，試驗成果詳見表1。

表1 巖石點荷載試驗成果

石英砂巖平行層面點荷載試驗完成了85組（856塊），強度分布曲線如圖1所示；垂直層面點荷載試驗完成了83組（836塊），強度分布曲線如圖2所示。

圖1 石英砂巖平行層面點荷載強度分布曲線

圖2 石英砂巖垂直層面點荷載強度分布曲線

1.2 成果分析[4]

（1）平行層面點荷載試驗強度曲線開始段上升較快，曲線峰值靠前，達到峰值后，隨強度增大，曲線逐漸降低，延伸較長，說明個別巖樣層面膠結較好，層面對強度影響減弱，其大值與完整的巖塊強度相近。從曲線分布形態可以看出，平行層面的強度以38～48 MPa為主，平均值42.33 MPa，比點荷載試驗統計平均值（44.48 MPa）略小，主要是點荷載個別大值對平均值統計有影響。

（2）垂直層面點荷載試驗強度曲線呈波狀起伏，曲線峰值略靠后，其強度主要分布在54～72 MPa，平均值62.10 MPa，與試驗統計平均值（61.82 MPa）接近，說明層面對垂直層面的強度影響減弱。

（3）平行層面與垂直層面點荷載試驗最大與最小差值分別為30.24 MPa和27.33 MPa，二者變化范圍較接近。但平行層面點荷載強度平均值（44.48 MPa）比垂直層面點荷載強度平均值（61.82 MPa）要小17.34 MPa，各向異性指數為1.40，說明層面對強度有明顯的影響作用。

（4）砂巖室內飽和單軸抗壓強度為33.20～69.50 MPa，平均49.76 MPa。與室內試驗相比，平行層面點荷載試驗強度值偏小，平均值小5.28 MPa；垂直層面點荷載試驗強度值偏大，平均值大12.06 MPa。

（5）點荷載試驗變異系數為0.11～0.15，變異性屬低等。點荷載試驗值與室內巖石試驗相近，試驗組數多，成果可靠，各向異性規律明顯。

2 泥質粉砂巖點荷載試驗

2.1 點荷載試驗成果

泥質粉砂巖平行層面點荷載試驗完成了41組（416塊），強度分布曲線如圖3所示；垂直層面點荷載試驗完成了35組（350塊），強度分布曲線如圖4所示。

圖3 泥質粉砂巖平行層面點荷載強度分布曲線

圖4 泥質粉砂巖垂直層面點荷載強度分布曲線

2.2 成果分析

（1）平行層面點荷載試驗強度曲線開始段有起伏，曲線峰值略靠前，達到峰值后，隨強度增大，曲線呈緩坡逐漸降低，說明個別巖樣層面膠結較好，層面對強度影響減弱，其大值與完整的巖塊強度相近。從曲線分布形態可以看出，平行層面的強度以14～20 MPa為主，平均值16.18 MPa，與試驗統計平均值（16.21 MPa）接近。

（2）垂直層面點荷載試驗強度曲線呈波狀起伏，曲線峰值略靠前，其強度主要分布在18～32 MPa，平均值24.65 MPa，與試驗統計平均值（23.44 MPa）接近。

（3）平行層面與垂直層面點荷載試驗最大與最小差值分別為17.42 MPa和23.31 MPa，垂直層面的變化范圍略大。但平行層面點荷載強度平均值（16.21 MPa）比垂直層面點荷載強度平均值（23.44 MPa）要小7.23 MPa，各向異性指數為1.44，說明層面對點荷載強度是有影響的。

（4）泥質粉砂巖[5]室內飽和單軸抗壓強度為9.33～41.10 MPa，平均15.98 MPa。與室內試驗相比，平行層面點荷載試驗強度值相近，垂直層面點荷載試驗強度值偏大，平均值大7.46 MPa。

（5）點荷載試驗變異系數為0.26，變異性屬中等。點荷載試驗值與室內巖石試驗相近，試驗組數多，成果可靠，各向異性規律明顯。

3 泥巖點荷載試驗

3.1 點荷載試驗成果

泥巖平行層面點荷載試驗完成了52組（518塊），強度分布曲線如圖5所示；垂直層面點荷載試驗完成了40組（405塊），強度分布曲線如圖6所示。

圖5 泥巖平行層面點荷載強度分布曲線

圖6 泥巖垂直層面點荷載強度分布曲線

3.2 成果分析

（1）平行層面點荷載試驗強度曲線開始段偏高，曲線峰值靠前，達到峰值后，隨強度增大，曲線呈緩坡逐漸降低，延伸稍長，說明個別巖樣受層面影響減弱，強度偏大，其大值與完整的巖塊強度相近。從曲線分布形態可以看出，平行層面的強度以4～6 MPa為主，平均值4.76 MPa，比試驗統計平均值（5.20 MPa）略小。

（2）垂直層面點荷載試驗強度曲線基本呈正態分布，強度主要分布在7～10 MPa，平均值7.80 MPa，與試驗統計平均值（7.75 MPa）接近。

（3）平行層面與垂直層面點荷載試驗最大與最小差值分別為5.12 MPa和6.46 MPa，二者變化范圍相近。但平行層面點荷載強度平均值（5.20 MPa）比垂直層面點荷載強度平均值（7.75 MPa）要小2.5 MPa，各向異性指數為1.51，說明層面對點荷載強度是有影響的。

（4）泥巖室內飽和單軸抗壓強度為4.63～19.10MPa，平均11.97 MPa。與室內試驗相比，平行層面點荷載試驗強度值偏小，平均值小6.77 MPa。垂直層面點荷載試驗強度值也偏小，平均值小4.22 MPa。室內試驗取的巖樣一般是較完整的，強度也稍高，屬正常現象；不完整的巖樣或破碎巖塊，室內也難以進行力學試驗，由此造成室內試驗強度偏高的問題。點荷載試驗受巖樣限制條件少，更能反映巖石真實情況。

（5）點荷載試驗變異系數為0.17～0.25，變異性屬低～中等。現場點荷載試驗組數多，成果更可靠，各向異性規律明顯。

4 結論

（1）點荷載試驗是巖石試驗的一個重要方法和手段，操作簡單易行，實用性強，是室內試驗的一個重要補充，通過與室內試驗成果對比，點荷載試驗成果是可靠的。

（2）對結構面（含層面）比較發育的巖石，點荷載試驗時可隨意選擇加載的方向，各向異性指數充分反映結構面對強度的影響程度。本工程巖石層面對巖石強度有明顯的影響作用，各向異性指數多大于1.40。

（3）點荷載試驗是對室內試驗成果的校核和補充。由于其操作簡單易行，在現場可進行大量試驗，通過其強度分布曲線了解和分析巖石強度分布規律，為設計參數選取提供依據。