岩土体物理力学特征解析

（1）岩体的物理力学特征

①坝基岩石物理力学特征

构成坝址区坝基的岩石主要为巨厚层状灰岩和角砾状灰岩，为查明其物理力学特征，在工程区不同风化程度、高程的地表、钻孔、平硐中取样进行物理力学性质试验，从试验结果看，两种岩性的物理力学性质无明显差异。钻孔岩样平均强度相对较高，单轴饱和抗压强度Rw=80 MPa，地表岩样平均强度居中，Rw=78 MPa，平硐岩样平均强度较低，Rw=72 MPa，三者的强度无明显差异；其密度、相对密度十分接近，平均吸水率和饱和吸水率、孔隙率均很小；抗压强度试件的破坏形式大多为脆性破坏，说明坝址区岩石总体质量好，抗风化能力强，属硬质岩石。物理性质见表2.3-4，力学性质见表2.3-5。

影响坝址区岩石强度的主要因素有岩石矿物成分、胶结程度、结构构造及取样方法等。如PD39-2为构造破碎带取样，Rw=53 MPa；PD36-2为方解石条带取样，Rw=29 MPa。平硐岩样为人工辅以爆破取样，强度较低，其抗压强度试验的破坏形式部分也表现为弱面破坏（弱面为扰动形成）。

表2.3-4　灰岩物理性质试验结果

表2.3-5　灰岩力学性质试验结果

②岩体变形特征

岩体变形试验采用刚性承压板逐级一次循环法，承压板直径为50 cm，压力分5级施加，最大压力为5.52 MPa。为查明坝基、坝肩岩体沿铅直、水平方向以及结构面的变形特征，试验时应力分别沿铅直方向、水平顺河流方向、垂直结构面方向施加。

现场变形试验所获得压力-变形关系曲线反映了岩体在外荷作用下的变形特征。影响其变形（弹性）模量的主要因素有：岩性、结构面发育程度、岩体风化程度及量测系统的刚度等。试验结果见表2.3-6。

表2.3-6　岩体变形试验结果

注：表中数字“/”左为试验范围值，“/”右为加权平均值。

坝址区岩体压力-变形关系曲线80%试点表现为线性关系，这也反映出坝区岩体有较好的均质性。

③岩体抗剪强度特征

A.混凝土/岩抗剪（断）强度

试验采用方形体试件平推法，在两岸坝基、坝肩不同高程的试硐内进行，试验面积为2500 cm2，高度为35 cm，最大正应力为5.0 MPa。在PD35、PD39试验时混凝土试体强度为150#，水泥为普硅425#，粗细骨料用天然砂砾石骨料，其余各硐试体按250#混凝土配制，水泥为普硅525#，粗细骨料为人工骨料。各试点抗剪断试验后均进行了单点法抗剪试验。

剪切破坏形式主要有岩体试件接触面剪断和沿接触面附近的混凝土试件剪断。从剪断时的声响、剪应力剪切位移关系曲线及剪断时的剪切位移判断，剪切破坏特征主要为脆性破坏，峰值点较明显，残余强度较峰值强度下降不多，约为峰值强度的80%左右。

分析试验结果，岩体风化程度对混凝土/岩抗剪强度影响不显著，而混凝土的强度对其抗剪强度影响较为明显。试验结果见表2.3-7。

表2.3-7　混凝土/岩（灰岩）抗剪（断）试验结果

注：表中数字“/”左为试验范围值，“/”右为平均值。

B.岩/岩抗剪（断）强度特征

试验采用方形平剪法方案，在坝基、坝肩不同高程的试硐内进行，剪切面积为1416～3056 cm2，试体高度为25～35 cm，应力为5.0 MPa，试验时对部分因裂隙切割较为严重的试点浇制了钢丝混凝土保护壳，抗剪断试验后各试点均进行了单点法摩擦试验。剪断面主要表现为沿预定剪切面剪断和沿预定剪切面上部岩体剪断。

剪切面上有因剪切挤压而形成的岩屑、岩粉，擦痕明显，大部分试点剪断时均有明显的脆性断裂之声响，剪应力-剪切位移关系曲线表现为典型的脆性断裂之曲线，峰值明显，但也有个别试点无明显峰值，有些试点残余强度甚至大于峰值强度，这种情况是断裂面起伏差较大所致。(www.xing528.com)

从试验结果看，风化程度、裂隙发育程度对其抗剪强度影响较明显，其试验结果按试点风化程度分两类（表2.3-8）。

表2.3-8　岩/岩抗剪（断）试验结果（灰岩）

注：表中数字“/”左为试验范围值，“/”右为平均值。

C.结构面抗剪（断）强度特征

试验布置在坝基、坝肩规模较大且具有代表性的结构面上，即在PD35揭示的张扭性断层F2、PD39揭示的压性断层F7以及PD41揭示的f6、L174等处进行了试验。试验采用方形体直剪方案，剪应力沿结构面的倾斜方向施加，正应力垂直于结构面施加，最大正应力为3.29 MPa，试件面积为1485～4170 cm2，试件制成后用钢丝混凝土浇裹了外壳，以保证结构面上盘岩体在试验时不致压裂破坏，试验在天然状态下进行。各试点剪切试验后又进行了单点法抗剪试验。

结构面按其组成物性质可分为软性结构面和硬性结构面。硬性结构面在坝址区表现为铁钙质胶结较好及波状起伏的结构面；软性结构面为夹泥或充填岩屑岩粉且胶结差，面较平整、光滑。软性结构面抗剪试验，夹泥的一组破坏时均沿夹泥与上下岩体的接触面破坏，破坏后夹泥有被搓成条的现象，面上可见擦痕；充填岩粉的一组，破坏时基本沿岩粉与上下部岩体的接触面破坏。硬性结构面有胶结，破坏后面粗糙有起伏，部分试点破坏面表现为锯齿状或台阶状，最大起伏差为4.3 cm，破坏时发生剪胀，面上分布有较多的擦痕及被剪切挤压而成的岩屑、岩粉。其破坏形式多表现为塑性破坏的特性，大部分试点有峰值，残余值接近峰值，试验结果见表2.3-9。

表2.3-9　结构面抗剪强度试验结果

注：表中数字“/”左为试验范围值，“/”右为平均值。

试验结果表明，影响结构面抗剪强度的主要因素为结构面充填物的性质、厚度、胶结程度及结构面的粗糙、光滑程度。

④岩体波速

现场对部分钻孔自孔口至150 m以内的岩体进行了声波测试，测试时采用一发双收换能器。对坝址区平硐中岩体进行了声波测试，测试时采用双孔穿透法进行。

从结果看，坝址区岩体波速普遍较高，这与坝址区以Ⅱ、Ⅲ类岩体为主工程地质条件基本相符，左岸岩体较右岸完整，相应波速也较高。根据岩体声波测试结果和断裂构造发育程度，坝址区岩体完整性可划分为5类（表2.3-10）。

表2.3-10　坝址区岩体（灰岩）完整性分类

根据岩体风化卸荷与断裂发育程度和规模，结合钻孔岩芯获得率、岩石透水性、岩石质量指标RQD值及室内外岩石和岩体各种试验方法测得的物理力学参数值，按《工程岩体分级标准》的规定，对坝址区岩体质量进行分级，结果见表2.3-11。

表2.3-11　坝址区岩体质量分级

续表2.3-11

注：表中RQD值偏小是由于坝址区存在高应力，岩芯出现饼化。

按此分级原则，坝段范围内的岩体以F2断层为界，上盘岩体质量基本为Ⅲ级，下盘岩体质量基本为Ⅱ级，断层破碎带及裂隙密集带岩体质量基本为Ⅳ级。各级岩体力学参数建议指标见表2.3-12。

表2.3-12　坝址区岩体质量分级力学指标建议值