四川紅層巖石強度試驗探討

向 科 州

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川 成都　610072)

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四川紅層巖石強度試驗探討

向 科 州

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，四川 成都610072)

摘要：針對四川紅層砂泥巖巖性軟弱、層理發(fā)育、各向異性、遇水易崩解軟化等特點，通過工程案例分析和多年實踐經(jīng)驗總結(jié)，提出了四川紅層巖石試驗樣品采集、運輸、加工、試驗以及數(shù)據(jù)整理的方法，以確保試驗成果的準確性，從而為地質(zhì)工程師提供可靠的巖石物理力學特性參數(shù)的試驗依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖石；巖樣；試驗；分析；資料；四川紅層

1概述

巖石試驗是取得巖體物理力學特性指標的重要手段和技術(shù)支撐。在試驗過程中，除嚴格按照《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》SL264-2001要求操作外，尚需采取與之相適宜的手段和方法，以確保試驗成果的可靠性、準確性、合理性。針對四川紅層砂泥巖普遍具有巖性軟弱、層理發(fā)育、各向異性、遇水易崩解軟化等特點，筆者通過總結(jié)多年的實踐經(jīng)驗，提出了四川紅層巖石試驗樣品采集、運輸、加工、試驗以及數(shù)據(jù)整理的方法，具有一定的工程意義。

2巖石強度試驗與數(shù)據(jù)整理

2.1試樣采運與試件加工

四川紅層具有巖相巖性、膠結(jié)形式和膠結(jié)物變化大、巖體均一性差的特性。同一層位的不同部位其物理力學性質(zhì)差異較大；受層理、節(jié)理、裂隙及其他不連續(xù)結(jié)構(gòu)面影響，同一塊巖石不同方向亦差異明顯。因此，采樣人員需要和試驗工程師、地質(zhì)工程師充分溝通，必要時在地質(zhì)工程師和試驗工程師的現(xiàn)場指導下采集試樣。

四川紅層之砂巖多為較軟巖-軟巖、泥巖為軟巖-極軟巖。巖石含水量發(fā)生變化(俗稱“干濕交替”)時易崩解軟化。特別是軟-極軟的泥巖失去部分水分或不充分飽和即會開裂崩解或軟化崩解，從而要求及時采樣、臘封，盡可能釆集到足夠數(shù)量的軟巖試樣；巖樣搬運盡可能做到無震動運輸。

試件加工是保證試驗成果質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，巖樣的采集、臘封、包裝、運輸十分不易，試件加工一旦失敗，后果可能無法挽回，試驗工程師應指導、參與試件加工的全過程。巖樣在采運過程中可能受損，試件加工應十分小心，以保證試件的數(shù)量及每塊試件的質(zhì)量。試驗成果與試件的形狀、直徑的大小、徑高比、切面的平整度及軸向加力與層面的交角等密切相關(guān)，試件加工應在試驗工程師的指導下針對不同的試樣加工出高質(zhì)量的試件，從而為試驗成果質(zhì)量打好基礎(chǔ)。

2.2試驗操作

試件加工完成即可進入試驗過程，試驗工程師要準確理解、把握規(guī)程，精心操作。

(1)軟質(zhì)巖飽和抗壓強度試驗。

四川紅層以軟巖居多，特別是泥巖，在進行飽和單軸抗壓強度試驗時，按《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》SL264-2001的規(guī)定需浸泡48 h(飽水)，但常常是試件浸泡飽水時間尚未達到規(guī)程要求、試件卻已經(jīng)軟化破壞而無法上機試驗。如果進行原位(飽和)承載試驗，又往往受時間、外部環(huán)境等因素制約，而進行大量的原位試驗則條件有限，因此，需要考慮進行天然狀態(tài)下的抗壓強度試驗來替代飽和抗壓強度試驗。實踐中可適量做一部分原位試驗，通過將室內(nèi)試驗成果與原位試驗成果進行對比后折減取值；或根據(jù)試驗規(guī)程推薦的巖石含水量與抗壓強度的相關(guān)關(guān)系換算飽和抗壓強度；或直接提供軟質(zhì)巖在天然狀態(tài)下的單軸抗壓強度，供地質(zhì)工程師取值使用。

(2)軟質(zhì)巖抗壓強度試驗加載速率。

巖石的單軸抗壓強度是隨著巖石試件所承受的加載速率增加而增加的。加載速率過高，則沖撞等試驗所求得的抗壓強度值可數(shù)倍于緩慢加載條件下所得的試驗結(jié)果。國家有關(guān)巖石力學試驗標準規(guī)定，其加載速率應控制在0.5～1 MPa/s之間。特別是四川紅層軟質(zhì)巖試驗的加載速率必須遵守這一準則，不得馬虎。

(3)抗壓強度與接觸面的摩擦。

巖石試件在端面有、無摩擦力的情況下加載時，樣品的應力分布是完全不同的，巖石抗壓強度的測定會因此而受到影響，所受影響的大小取決于樣品與承壓板之間的摩擦系數(shù)。在巖石單軸抗壓試驗中，應盡量消除巖石試件與壓力機端面的摩擦，使端面只有少量的徑向和圓周向的膨脹，應力分布盡量均勻。

(4)試件加載的軸力方向。

巖石抗壓強度與加載軸力方向關(guān)系密切。四川紅層巖樣具有各向異性的特點，試驗加載軸力垂直層面與平行和斜交層面所取得的抗壓強度差異較大。試驗應嚴格按照地質(zhì)工程師要求的加載軸向與層面的夾角進行試驗，并在試驗報告中加以說明。

2.3試驗資料的分析與整理

試驗資料的整理是提供可靠、準確的試驗參數(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。試驗工程師首先要充分了解試件所處的地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)要求，認真分析試件壓裂破壞過程、時間、是否有隱裂隙的影響等，從而使試驗成果更加符合實際情況。按照試驗規(guī)程的要求進行成果整理，試驗報告中還應分析試驗異常值產(chǎn)生的原因，從而為地質(zhì)工程師確定巖石物理力學參數(shù)提供可靠、準確的試驗成果。

(1)巖性不均一試驗成果的整理。

四川紅層具有巖相巖性變化大、膠結(jié)形式和膠結(jié)物不均一的特點。試驗工程師要了解巖性不均一的原因和控制巖體物理力學性質(zhì)的主要因素，試驗成果的整理要反映巖性特點和地質(zhì)工程師要求。比如某水電工程項目，地層為白堊系蓬萊鎮(zhèn)組砂巖，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部Ca2+集中為鈣質(zhì)膠結(jié)。試驗過程中發(fā)現(xiàn)同一組巖樣不同試件抗壓強度呈倍數(shù)的差異，經(jīng)過巖化分析發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖強度遠低于鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖。通過與地質(zhì)工程師溝通后將兩種不同膠結(jié)物的砂巖分類整理，為最終確定合理的地質(zhì)參數(shù)提供了試驗依據(jù)。

(2)各向異性試驗成果的整理。

四川紅層砂泥巖地層層理發(fā)育、各向異性特征明顯、或某方向節(jié)理優(yōu)勢發(fā)育也會造成不同方向巖石的強度差異明顯。若對此認識不足、資料整理不加以區(qū)別，很容易造成工程浪費甚至工程事故。例如某水利工程項目，由于對巖石各向異性特性認識不足，大壩堆石料巖石(砂巖)試驗只做了垂直層面方向的試驗，砂巖抗壓強度均滿足堆石料要求。但在施工中發(fā)現(xiàn)分層碾壓后堆石填筑體表部細化嚴重，總會出現(xiàn)20～30 cm厚的細化層，經(jīng)取樣檢測得知堆石體級配及滲透系數(shù)均達不到設(shè)計要求。后經(jīng)取樣試驗發(fā)現(xiàn)，砂巖巖塊堆石平行層面的抗壓強度低于規(guī)范要求，而施工碾壓過程中堆石巖塊的受力方向平行、垂直、斜向是隨機出現(xiàn)的，故碾壓后出現(xiàn)細化層、級配及滲透系數(shù)達不到設(shè)計要求是必然的。后經(jīng)調(diào)整設(shè)計、增設(shè)排水帶等措施加以處理，問題方得以妥善解決。因此，針對層理發(fā)育或節(jié)理優(yōu)勢發(fā)育等各向異性的巖體，應該分向取樣、分向試驗、分向整理，才能提供完整的試驗成果。

(3)有缺陷的巖石試驗成果的整理。

四川紅層中諸如頁巖、層面富集云母的砂泥巖等都是有缺陷的巖石。若要獲取這類巖石的物理力學參數(shù)，不僅要對巖石缺陷本身有充分的認知，還需要采取有針對性的試驗方法和試驗成果整理方法。某水電站廠房地基為泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，巖層產(chǎn)狀平緩，層理發(fā)育，層面富集云母，室內(nèi)試驗巖石單軸飽和抗壓強度很低或根本無法上機試驗，地質(zhì)工程師按照僅有的單軸飽和抗壓強度考慮則地基承載力完全達不到設(shè)計要求。經(jīng)與地質(zhì)工程師討論、分析后認為室內(nèi)試驗值低是試件飽水后崩解軟化所致，試驗值不能代表現(xiàn)場有圍壓狀態(tài)下巖體的強度和承載能力。最終研究決定進行適量原位承載試驗，重新取樣作天然狀態(tài)下的單軸抗壓強度，兩者對比、綜合分析后取值，滿足了設(shè)計要求。實踐證明：當時確定巖體物理力學參數(shù)的方法是正確的。該電站已投產(chǎn)多年，運行良好。

3結(jié)語

筆者通過多年實踐經(jīng)驗總結(jié)，針對四川紅層砂泥巖巖性軟弱、層理發(fā)育、各向異性、遇水易崩解軟化等特點，提出了四川紅層巖石試驗樣品采集、運輸、加工、試驗以及數(shù)據(jù)整理之行之有效的方法，供同行參考。

(責任編輯：李燕輝)

向科洲(1984-)，男，四川成都人，助理工程師，從事水利水電工程巖土試驗工作.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0071-02

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV522;TV523;[TV221.2]

收稿日期:2015-10-10