0 前言

水电坝基运行状况的好坏, 直接关系到人民生命财产安全和企业的经济效益。而水电坝基工程的设计、施工主要以构筑坝基的各种岩石物理力学参数以及岩石与岩石、岩石与砼的抗剪切、抗摩擦试验参数为依据。为此, 对坝区内3种主要基岩(新鲜砂岩、弱风化砂岩、板岩)进行了上述试验, 所获得的参数为现场设计、施工提供了重要的基础资料。

1 样品采集

室内岩石物理试验结果的准确与否, 主要有两个方面的影响因素:①采集的试样是否有广泛的适用性和代表性。②室内试验能否同现场岩体试验有较好的相似性。为真实、全面地反映岩体特性, 试料采集遵循适用范围大、具有广泛的代表性, 有足够多的试料满足试验要求等原则。因此根据设计要求, 结合现场的具体情况, 新鲜砂岩取于4^#和7^#地质钻孔岩芯, 板岩取于2^#和7^#地质钻孔岩芯。弱风化砂岩岩芯数量较少, 另外采集了部分代表性较强的块样为补充。抗剪试验样品则选取一定块度的新鲜砂岩和弱风化砂岩。板岩层面间的抗剪试验样品因较难取得理想的摩擦面, 因此, 取样时尽可能取相对平整的层面或近似层面的样品, 以利于加工成较理想的摩擦面, 进行摩擦试验。

2 试样制备

根据试验内容的不同, 制备了3种不同的试件。

(1) 抗压强度和变形试验的试件。因试件的形状与尺寸对试验参数有一定的影响, 经过大量试验表明:试件高径比一般取2为宜, 即把岩块加工成Ø5×10cm的试件。

(2) 抗压、抗剪断强度与物理试验的试件。把岩块加工成Ø5×5cm的圆柱体, 试件两端面必须磨平, 并要求直径误差 < 0.3 mm, 两端面平行度 < 0.05m m, 垂直度 < 0.25°。

(3) 砼与岩石胶结面抗剪断试验的试件。规格为15cm×15cm×7cm的长方体, 岩石胶结面凿平, 起伏度控制在边长的2 %左右, 新鲜砂岩的胶结面应去除表面泥砂等杂物, 弱风化砂岩胶结面应保留风化面, 然后在胶结面上浇铸150^#砼, 制成15cm×15cm×15cm的立方体试件。板岩剪切面的形成有两种:一种是将岩块沿层面用劈裂法劈成两半后重叠起来; 另一种是先选择两个较平整的层面重叠起来, 并用300^#砼浇铸成15cm×15cm×7cm的上下两部分, 24h以后脱模, 养护28d后开始进行试验。

3 试验结果与数据处理

各项试验按国家标准要求, 并参考文献[1]所推荐的方法。由于岩石存在不均质性等因素的影响, 使各种参数出现了不同程度的离散(即某些数据的不合理现象)。因此对离散度大的数据必须先进行校准, 确定数据无误时, 再对各项试验数据分别整理, 进行平差和变异系数验算, 对个别离散度大的可凝数据进行剔除。试块抗剪强度及其内粘结力和内摩擦角根据强度理论:τ=σtgφ+ c用图解法求算, 然后用最小二乘法验算。结果表明:两种方法求得的结果基本吻合, 3种岩性的岩样物理力学试验, 以及岩块与砼胶结面抗剪断、抗摩擦试验结果分别见表 1、图 1、图 2、图 3、图 4。图中新鲜砂岩、弱风化砂岩、板岩分别以A、B、C表示。

4 分析与讨论

(1) 岩石物理力学试验表明, 新鲜砂岩和板岩的吸水性差, 开型空隙率小, 岩石致密、完整; 弱风化砂岩吸水率大, 裂隙较发育, 饱水系数达0.91。因此水和冰冻对岩体强度有一定的影响。

(2) 强度试验表明, 岩样单轴压缩破坏形式复杂多变, 通常认为最终的破坏是与轴向近乎平行的劈裂破坏, 或称岩样单轴抗压强度的降低是由于岩样内部拉伸破坏造成的^[3~4], 试验结果为两种砂岩强度较大, 且水对强度的影响不大; 至于出现新鲜砂岩软化系数大于1的情况, 其原因一般认为是岩石的不均质性引起的, 同时与反复循环加载有关, 因为岩石是非均质材料, 强度低的材料先发生屈服弱化。承载能力降低, 仍至完全丧失, 从而使未屈服的材料实际载荷超过岩样的表观应力。试验中饱水试件的强度没有采用循环加载, 而干试件抗压强度采用反复循环加载, 并在每个级荷下稳定测量变形值, 也有可能是因岩石烘干后, 失去了水的粘结作用, 促使岩石内部微裂隙增加, 同时在高温下(105~110℃)岩石中某些矿物质内部结构的破坏, 致使矿物颗粒间的剪切滑移发生得更早, 影响了试件强度。板岩的软化系数和内粘结力较低, 应注意水对层面的软化作用而引起层面间的滑移。

(3) 变形试验表明, 新鲜砂岩和板岩弹性模量较高, 残余变形小, 应力—应变曲线呈线性关系, 岩石基本属弹性或弹塑性; 弱风化砂岩弹性模量较低, 残余变形较大, 这主要是岩石风化作用的结果。

(4) 岩块在抗剪试验的初期, 有限的剪切位移会导致强度的显著增加, 这说明岩块在试验过程中出现了压实, 随着剪应力的增加, 不同岩性的试件剪切位移增加的速率不同。由图 1可知, 在相同剪切力时, 新鲜砂岩的剪切位移明显低于弱风化砂岩。这主要是新鲜砂岩完整、致密, 没有受到地质力弱化因素的影响, 对剪切破坏的抵抗能力强。而弱风化砂岩, 因经过地质力的弱化, 致使抵抗剪切破坏的能力降低。又由图 2可知, 板岩的摩擦试验剪切位移显著高于新鲜砂岩和弱风化砂岩, 这主要是因为板岩层面相对平滑, 粗糙度较小, 在摩擦试验中形成一相对薄层粉末减少摩擦力的缘故^[5], 其破坏过程是沿层面的滑裂破坏。而弱风化砂岩的摩擦试验中剪切位移高于新鲜砂岩的原因是:弱风化砂岩受风化作用影响, 致使颗粒间的构造发生变化, 表面粗糙度降低; 同时在风化过程中使表面夹带、嵌布着粘土等充填物, 从而使剪使切强度降低。岩块抗剪试验表明。抗剪强度和剪切位移受岩块表面粗糙度的影响, 岩样破坏后主要是破裂面之间的摩擦力、倾角、粗糙起伏度决定其残余强度的大小。

5 结论

(1) 试验从样品采集、试件加工、试件数量和试验方法都严格按国家标准进行, 试验方案、程序、设计合理, 操作符合规程要求。

(2) 试验数据通过验算, 其变异系数均 < 18 %, 试验值离散度较小, 数据可靠。可以作为坝基工程设计、施工的依据。