软弱层带工程特性

龙羊峡电站软弱层带工程特性2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值1．软弱层带的定义软硬相间的层状岩石中的层间剪切带和断层共同构成的强度和变形参数低值带，物理力学性质相对较低的层带一、二、三、四、五、六一软弱层带2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值2．研究意义软弱层带、断层、沉积岩和副变质岩中的泥质夹层或薄层是工程岩体稳定性的控制性弱面，是水电工程大坝、隧洞、边坡、矿山等工程地质研究的重点，是引起地质灾害的主要边界。历来为工程地质的重要研究领域。从软弱层带受上覆岩体的重量和构造应力—地应力的作用来研究工程特性，是一个重要方面。一软弱层带2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值1．分析自50年代N.Hast开展地壳岩体应力测量以来。Hast获得的2万个数据及各国的大量应力测试成果表明，地壳岩体的三向应力基本上都是以压应力方式存在的，由弹性力学可以知道，任意斜截面上的正应力：由于、、为正，或压应力，三个方向余弦均为正值，所以处于岩体中的任一斜截面上的正应力该为压应力。即岩体中任一切割的软弱层带的面上在一般情况下均受到压应力的作用，我们称之为天然围压，或简称围压。而大部分的应力测试资料表明，多在数Mpa-数10MPa，则N多在数MPa左右。即软弱层带层上有较高或高的围压存在。NnsNst32232222122123222121coscoscoscoscoscos一、二、三、四、五、六二、软弱层带的赋存环境1232002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值2．实例为说明这一问题，以实例说明弱面上的正应力二、软弱层带的赋存环境2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值1．土的压缩问题与夹层泥化问题饱水土体在受压后，发生压密，干密度逐渐增高。孔隙比降低，含水量也降低。在经过加荷、卸荷以后，土的两条曲线就很接近。压力(MPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)压力(KPa)孔隙比饱和含水量(%)250.64323.9925500.61322.87311000.56921.23132000.52219.4776250.5319.7761500.50118.6941000.46417.31342000.42415.8209250.54520.3358500.52219.47761000.4918.28362000.45617.0149250.66724.8881500.64223.95521000.60722.64932000.56721.15674000.47217.61198000.42715.932816000.38314.29132000.34112.72394000.38314.2918000.34312.798516000.30511.380632000.26910.03734000.42215.74638000.38614.40316000.35513.246332000.32212.01494000.52319.51498000.48117.947816000.43616.268732000.39314.664200.511.522.533.50.30.40.50.60.70.8epe=0.466-0.0579Ln(P)R=0.99一、二、三、四、五、六三、软弱层带泥化的可能性分析2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值2．地应力场下夹泥的物理特性各种夹泥，在它们形成后，至少要经历数万年的地壳应力场的脉动式变化的影响，它们的e，d变化，也应该符合土体的多次卸荷加荷曲线，即e—P，应基本满足其对数方程。三、软弱层带泥化的可能性分析2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值3．夹泥室内高压试验分析为了解夹尼在地应力场中的物理状态，我们通过几组高压试验，可以看出夹泥e—P的关系，为对数关系，且有高的相关性及各自的相关方程：灰色夹泥，蒙脱石含量65%e=0.9731-0.32lgPr=0.997红色夹泥，蒙脱石25%e=0.5467-0.1356lgPr=0.996白色夹泥，蒙脱石90%e=1.212-0.2576lgPr=0.932这说明：只要有一定的正应力存在，夹泥就应该有一个与之对应的孔隙比存在。在天然情况下，只要夹泥有一定的围压存在，夹泥就会以其相应的状态特性—也即物理指标相对应。如果一部分应力降低或改变，夹泥泥化，应力就将转移到其它地方，更高密度的夹泥就会出现，与此同时，出现空间或应力稍低的部位，在上部岩体的应力作用下，岩体就会发生蠕变而下沉，对于这些空间，将会以万年计的流变而再次接触、压密，重新固结。今天我们在深部情况下看到的断层破碎带或夹泥带相互挤压紧密就是这种作用所致。三、软弱层带泥化的可能性分析2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值4．深部围压下夹泥的物理性状根据岩体的卸荷松弛及现代地应力的分布特点，对于工程岩体，应力降低明显的部位是强风化带和弱风化上限的岩带内，进入弱风化下限—微风化、新鲜岩体后，地应力将稳定在一定的规律上，对于工程岩体，将稳定在某一水平上。我们将地应力不受强烈卸荷影响的弱岩体，称深部围压下的岩体，夹于这些岩带中夹泥的性状，我们叫深部围压下的状态。按照这一情况，我们在国内龙羊峡、李家峡、安康、铜亍子、公伯峡等大型工程场址获取了上千组的夹泥试样，所有的夹泥含水量远远小于WP，都有很高的干密度，没有一例是泥化的。这些夹泥良好状态得以保存的原因：①夹泥在历史上形成高密度。必须满足n，不满足就要压密，而且时间比室内固结要长的多。②当夹泥位于地下水位以下被饱水时，由于围压的存在，只要其膨胀力不超过正应力，其体积就不会改变，即孔隙比不变，此时饱水，水只能充满孔隙。即夹泥在正常载荷下满足其塑性松弛规律。地点软弱层带编号软弱层带特性密度γkN.m-3含水量W(%)干密度γkN.m-3孔隙比e液限WL/%塑限WP/％状态黄河李家峡f35层间挤压带23.37.4921.70.2430.215.6固态黄河李家峡f32层间挤压带23.46.6622.00.3092814固态黄河李家峡f24层间挤压带23.08.5521.20.33533.217.9固态黄河上游某电站Nj4软弱夹层20.610.3318.670.4832711.5固态黄河上游某电站Nj8软弱夹层22.68.5020.830.35528.318.2固态黄河上游某电站Nj6软弱夹层23.758.6621.860.24420.315.9固态黄河龙羊峡F215平缓断层20.420.616.920.60273.741.0固态黄河龙羊峡T66夹泥裂隙20.614.817.900.56676.332固态黄河龙羊峡F73断层21.416.718.340.48948.426.6固态金沙江某电站P37－112软弱夹层23.417.5821.760.27729.116.8固态金沙江某电站P37－120软弱夹层223.475.9122.160.24529.0115.43固态金沙江某电站P39－60软弱夹层22.908.421.120.30730.717.10固态汉江某电站f1b平缓断层21.6011.8519.300.4731.220.25固态汉江某电站f1b平缓断层22.013.2519.400.4333.6519.38固态汉江某电站F18断层22.610.220.510.35132.817.1固态大渡河铜亍子C5夹层23.314.6520.300.43326.915.09固态大渡河铜亍子C5夹层23.1313.862.030.43328.517.8固态大渡河铜亍子C5夹层23.213.3920.460.42229.016.2固态三、软弱层带泥化的可能性分析2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值5．夹泥泥化的可能性分析假定夹泥饱水之后孔隙全部充水，此时Sr=100%，即Sr=1.0，而当，泥化临界孔隙比，由于夹泥的比重或颗粒密度一般在2.72左右，可视为一常数，这样我们就可以算出其泥化的临介孔隙比，同时代入e—P相关方程，可以获得临界围压。下面以一组数据来说明。eGWSrGWeGeWkpPkpPWGeWW,夹泥编号比重Wp相关方程ekpnkp×102（KPa)蒙脱石含量上覆岩体厚度(m)N012.7618.2e=0.5467-0.13561gP0.5022.136258.54N022．7228．8e=0.9731-0.321gP0.7832.516510.04N032.7236.7e=1.18-0.2651gP0.9984.689018.72N042.7837.5e=1.212-0.2571gP1.0434.569218.24从表中可以看出对于这样数量级的围压，位于微风化岩体中的断层带上或夹泥上的围压，都能满足。而且大大超过nkp。也超过其膨胀力，所以夹泥即或饱水也不会泥化。即W≯Wp。所以在深部围压下夹泥是根本不会泥化的。只有在围压很低的情况下夹泥才会泥化。三、软弱层带泥化的可能性分析2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值1．泥化大量出现的原因仅看到表面现像，未看到环境下的性态、性状仅看到水，未看到围压仅看到破坏，没有看到再生--人为的错误当前夹泥取样：通过洞室开挖取得，洞子开挖后，松弛，解除围压吸水，含水量迅速增高。而人们偏要取这样的样品。从一组例子我们可以看出：纯粹是人为原因。围压下物理状态指标平硐中暴露浸水后物理状态工程名称夹层编号含水量％干密度kN.m-3孔隙比塑限液限状态特征干密度kN.m-3含水量(％)状态特征解除围压时间汉江某电站F1b9.1720.80.4720.2531.2固态16.320.72塑态1.5天铜街子水电站C512.3920.40.42614.828.9固态16.720.72塑态1.5小时李家峡电站f357.5120.90.28713.533.5固态17.318.3塑态2天李家峡电站F326.7021.90.2921326固态17.217.2塑态36小时金沙江某电站P1128.1521.460.29614.527.7固态15.5217.9塑态2天黄河某电站Nj67.621.00.31911.821.4固态15.3812.4塑态2天四、当前泥化大量出现的原因2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值2．小结为研究地应力松弛、释放的影响，现场作了夹层的松弛试验，发现获得参数的平洞因应力松弛对泥质物状态的影响很大：样次时间间隔时间／h取样深度／cm岩性含水量／(％)干密度／kN·m-3说明第一次取样5月6日18∶3060断层泥5.920.35洞内无地下水渗出第二次取样5月7日17∶1022∶40加深10断层泥11.2018.36洞内无地下水渗出第三次取样5月14日18∶30192再加深20断层泥14.1817.89洞内无地下水渗出因此，只有考虑了应力环境的状态才是真正的状态，从而为解决软弱层带的强度参数取值跨出了一步。四、当前泥化大量出现的原因李家峡电站2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值1．定义强度，由于有泥，显然夹泥的强度就是软弱层带的强度。五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值1．影响强度的因素1）粘粒含量：粘粒含量对C、φ值的影响：当含量15%~40%，粗颗粒还不被全包围，有降低不是很明显。当40%~60%，粘粒基本包围颗粒，C、φ降低明显。当60%，已包围，又不明显了。这个问题，可以继续深入研究。2）γd、干密度：低→饱水—孔隙水包围颗粒，连结力为水胶联结，C、φ低。高→颗间个别接触→大部接触—水胶联结→离子化学力，C、φ增高。而对于不同粘土矿物类型是不同的。蒙脱石含量高，如取f=0.3，低蒙脱石γd=1.88，中蒙脱石γd=1.55，高蒙脱石γd=1.43，其相关性，只对一种夹泥适宜，普通的无相关性。五、软弱夹层强度评价2002.11.8软弱层带的强度评价及参数取值1．影响强度的因素3