軟弱層帶工程特性

1、龍羊峽電站龍羊峽電站 2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 1 軟弱層帶的定義 軟硬相間的層狀巖石中的層間剪切帶和斷層共同構成的強度和變形參數(shù)低值帶，物理力學性質相對較低的層帶 一、二、三、四、五、六一 軟弱層帶2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 2研究意義研究意義 軟弱層帶、斷層、沉積巖和副變質巖軟弱層帶、斷層、沉積巖和副變質巖中的泥質夾層或薄層是工程巖體穩(wěn)定性的中的泥質夾層或薄層是工程巖體穩(wěn)定性的控制性弱面，是水電工程大壩、隧洞、邊控制性弱面，是水電工程大壩、隧洞、邊坡、礦山等工程地質研究的重點，是引起坡、礦山等工程地質研究的重點，是引起地質災害的主要邊界。歷來為工程

2、地質的地質災害的主要邊界。歷來為工程地質的重要研究領域。從軟弱層帶受上覆巖體的重要研究領域。從軟弱層帶受上覆巖體的重量和構造應力重量和構造應力地應力的作用來研究工地應力的作用來研究工程特性，是一個重要方面。程特性，是一個重要方面。一 軟弱層帶2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 1分 析 自50年代N. Hast開展地殼巖體應力測量以來。Hast獲得的2萬個數(shù)據(jù)及各國的大量應力測試成果表明，地殼巖體的三向應力基本上都是以壓應力方式存在的，由彈性力學可以知道，任意斜截面上的正應力：由于 、 、 為正，或壓應力，三個方向余弦均為正值，所以處于巖體中的任一斜截面上的正應力該為壓應力。即巖體

3、中任一切割的軟弱層帶的面上在一般情況下均受到壓應力的作用，我們稱之為天然圍壓，或簡稱圍壓。而大部分的應力測試資料表明，多在數(shù)Mpa-數(shù)10MPa，則N多在數(shù)MPa左右。即軟弱層帶層上有較高或高的圍壓存在。NnsNst32232222122123222121coscoscoscoscoscos一、二、三、四、五、六二、軟弱層帶的賦存環(huán)境1232002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 2 實 例為說明這一問題，以實例說明弱面上的正應力二、軟弱層帶的賦存環(huán)境2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 1土的壓縮問題與夾層泥化問題飽水土體在受壓后，發(fā)生壓密，干密度逐漸增高?？紫侗冉档?，含水量

4、也降低。在經過加荷、卸荷以后，土的兩條曲線就很接近 。壓力(MPa)孔隙比飽和含水量(%)壓力(KPa)孔隙比飽和含水量(%)壓力(KPa)孔隙比飽和含水量(%)壓力(KPa)孔隙比飽和含水量(%)250.64323.9925500.61322.87311000.56921.23132000.52219.4776250.5319.7761500.50118.6941000.46417.31342000.42415.8209250.54520.3358500.52219.47761000.4918.28362000.45617.0149250.66724.8881500.64223.955210

5、00.60722.64932000.56721.15674000.47217.61198000.42715.932816000.38314.29132000.34112.72394000.38314.2918000.34312.798516000.30511.380632000.26910.03734000.42215.74638000.38614.40316000.35513.246332000.32212.01494000.52319.51498000.48117.947816000.43616.268732000.39314.664200.511.522.533.50.30.40.50.

6、60.70.8epe=0.466-0.0579Ln(P) R=0.99一、二、三、四、五、六三、軟弱層帶泥化的可能性分析2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 2地應力場下夾泥的物理特性 各種夾泥，在它們形成后，至少要經歷數(shù)萬年的地殼應力場的脈動式變化的影響，它們的e，d變化，也應該符合土體的多次卸荷加荷曲線，即eP，應基本滿足其對數(shù)方程。 三、軟弱層帶泥化的可能性分析2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 3夾泥室內高壓試驗分析為了解夾尼在地應力場中的物理狀態(tài)，我們通過幾組高壓試驗，可以看出夾泥eP的關系，為對數(shù)關系，且有高的相關性及各自的相關方程：灰色夾泥，蒙脫石含量65%

7、 e=0.9731-0.32lgPr=0.997紅色夾泥，蒙脫石25% e=0.5467-0.1356lgP r=0.996白色夾泥，蒙脫石90% e=1.212-0.2576lgP r=0.932 這說明：只要有一定的正應力存在，夾泥就應該有一個與之對應的孔隙比存在。在天然情況下，只要夾泥有一定的圍壓存在，夾泥就會以其相應的狀態(tài)特性也即物理指標相對應。如果一部分應力降低或改變，夾泥泥化，應力就將轉移到其它地方，更高密度的夾泥就會出現(xiàn)，與此同時，出現(xiàn)空間或應力稍低的部位，在上部巖體的應力作用下，巖體就會發(fā)生蠕變而下沉，對于這些空間，將會以萬年計的流變而再次接觸、壓密，重新固結。今天我們在深部情

8、況下看到的斷層破碎帶或夾泥帶相互擠壓緊密就是這種作用所致。三、軟弱層帶泥化的可能性分析2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 4深部圍壓下夾泥的物理性狀 根據(jù)巖體的卸荷松弛及現(xiàn)代地應力的分布特點，對于工程巖體，應力降低明顯的部位是強風化帶和弱風化上限的巖帶內，進入弱風化下限微風化、新鮮巖體后，地應力將穩(wěn)定在一定的規(guī)律上，對于工程巖體，將穩(wěn)定在某一水平上。我們將地應力不受強烈卸荷影響的弱巖體，稱深部圍壓下的巖體，夾于這些巖帶中夾泥的性狀，我們叫深部圍壓下的狀態(tài)。 按照這一情況，我們在國內龍羊峽、李家峽、安康、銅亍子、公伯峽等大型工程場址獲取了上千組的夾泥試樣，所有的夾泥含水量遠遠小于WP

9、，都有很高的干密度，沒有一例是泥化的。這些夾泥良好狀態(tài)得以保存的原因： 夾泥在歷史上形成高密度。必須滿足n，不滿足就要壓密，而且時間比室內固結要長的多。 當夾泥位于地下水位以下被飽水時，由于圍壓的存在，只要其膨脹力不超過正應力，其體積就不會改變，即孔隙比不變，此時飽水，水只能充滿孔隙。即夾泥在正常載荷下滿足其塑性松弛規(guī)律。三、軟弱層帶泥化的可能性分析2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 5夾泥泥化的可能性分析假定夾泥飽水之后孔隙全部充水，此時Sr=100%，即Sr=1.0，而 當 ， 泥化臨界孔隙比，由于夾泥的比重或顆粒密度一般在2.72左右，可視為一常數(shù)，這樣我們就可以算出其泥化的

10、臨介孔隙比，同時代入eP相關方程，可以獲得臨界圍壓。下面以一組數(shù)據(jù)來說明。 eGWSrGWeGeWkpPkpPWGeWW,夾泥編號比重Wp相關方程ekpnkp102（KPa)蒙脫石 含量上覆巖體厚度(m)N012.7618.2e=0.5467-0.13561gP0.5022.136258.54N02272288e=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從表中可以看出對于這樣數(shù)量級的圍壓，位于微風化巖體中的

11、斷層帶上或夾泥上的圍壓，都能滿足。而且大大超過nkp。也超過其膨脹力，所以夾泥即或飽水也不會泥化。即WWp。所以在深部圍壓下夾泥是根本不會泥化的。只有在圍壓很低的情況下夾泥才會泥化。三、軟弱層帶泥化的可能性分析2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 1泥化大量出現(xiàn)的原因 l僅看到表面現(xiàn)像，未看到環(huán)境下的性態(tài)、性狀l僅看到水，未看到圍壓l僅看到破壞，沒有看到再生-人為的錯誤 當前夾泥取樣：通過洞室開挖取得，洞子開挖后，松弛，解除圍壓吸水，含水量迅速增高。而人們偏要取這樣的樣品。從一組例子我們可以看出：純粹是人為原因。 四、當前泥化大量出現(xiàn)的原因2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取

12、值 2小 結 為研究地應力松弛、釋放的影響，現(xiàn)場作為研究地應力松弛、釋放的影響，現(xiàn)場作了夾層的松弛試驗，發(fā)現(xiàn)獲得參數(shù)的平洞因應了夾層的松弛試驗，發(fā)現(xiàn)獲得參數(shù)的平洞因應力松弛對泥質物狀態(tài)的影響很大力松弛對泥質物狀態(tài)的影響很大： 因此，只有考慮了應力環(huán)因此，只有考慮了應力環(huán)境的狀態(tài)才是真正的狀態(tài)，從而境的狀態(tài)才是真正的狀態(tài)，從而為解決軟弱層帶的強度參數(shù)取值為解決軟弱層帶的強度參數(shù)取值跨出了一步跨出了一步。四、當前泥化大量出現(xiàn)的原因李家峽電站李家峽電站2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 1定 義 強度，由于有泥，顯然夾泥的強度就是軟弱層帶的強度。 五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟

13、弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 1影響強度的因素 1）粘粒含量：粘粒含量對C、值的影響：當含量15% 40% ，粗顆粒還不被全包圍，有降低不是很明顯。當40%60%，粘?；景鼑w粒，C、降低明顯。當60%，已包圍，又不明顯了。這個問題，可以繼續(xù)深入研究。2）d、干密度 ：低飽水孔隙水包圍顆粒，連結力為水膠聯(lián)結，C、低。高顆間個別接觸大部接觸水膠聯(lián)結離子化學力，C、增高。而對于不同粘土礦物類型是不同的。蒙脫石含量高，如取f=0.3，低蒙脫石d=1.88，中蒙脫石d=1.55，高蒙脫石d=1.43，其相關性，只對一種夾泥適宜，普通的無相關性。五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及

14、參數(shù)取值 1影響強度的因素3）含水量：高含水量C、低；含水量低C、高，與上一致。而不同粘土礦物了是不一樣的。如果取W=20%：伊利石f=0.10.2。65%蒙脫石余為伊利石f=0.470.590%蒙脫石：=0.560.6。Wf的相關性，只對一種有相關性，普遍無相關性。4）粘土礦物：粘土礦物三大類：伊、高、蒙。通過Wp可以反映出來 Wp=0.253K+10 Wp塑限含水量 K蒙脫石含量的百分數(shù)蒙脫石進入泥化的最低含量水量Wp，相當于伊利石的液限含水量。即在蒙脫石還是固態(tài)時，以伊利石為主的夾泥已進入液態(tài)，顯然蒙脫石C、高；干密度：同一干密度，蒙脫石強度高。這說明，蒙脫石礦物對夾泥的強度具有明顯的控

15、制作用，在相同條件，蒙脫石含量高的夾泥，強度高，這和當前的普遍看法是不一致，當前認為蒙脫石夾泥強度低的錯誤看法應當予以糾正。五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 能找到一個因子既能代表夾泥的各項物理指標，又能與C、值具有相關性，顯然是評價夾泥強度所必須的。通過各種分析，我們提出稠度相關因子：Ws/Wp。Ws飽和含水量：表征含水量，又表征干密度即夾泥的結構，這是因為：e大，W大，e大，d小。當Sr=1時，Wp表征夾泥的粘土礦物組分，蒙脫石含量高Wp，蒙脫石少，Wp小。Ws/Wp=1，夾泥呈固塑臨介狀態(tài)，即泥化臨界狀態(tài)。Ws/Wp1塑態(tài)泥化 Ws/Wp1固態(tài)夾泥化。因

16、此Ws/Wp能反應：夾泥W，密度、粘土礦物成分，稠度狀態(tài)?？梢源韸A泥的各項物理指標，應當與C、具相關性。通過大量的資料，的確是這樣：且具有很高的相關性。GeWeGeGWSrd12夾泥強度指標與各物性指標的相關性五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 （1） 通過研究發(fā)現(xiàn)軟弱層帶的物性代表指標孔隙通過研究發(fā)現(xiàn)軟弱層帶的物性代表指標孔隙比比(e)或干密度或干密度( d)與與上覆巖體厚度或地應力量值呈現(xiàn)良上覆巖體厚度或地應力量值呈現(xiàn)良好的對應關系，證明軟弱層帶的物性受到地應力控制好的對應關系，證明軟弱層帶的物性受到地應力控制。F120斷層斷層F26斷層斷層2夾泥強度指標

17、與各物性指標的相關性五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 2夾泥強度指標與各物性指標的相關性(2) 地應力環(huán)境下軟弱層帶強度地應力環(huán)境下軟弱層帶強度 用我們自創(chuàng)的取樣方法，取得大量呈固態(tài)的試樣，進行強度試驗，用我們自創(chuàng)的取樣方法，取得大量呈固態(tài)的試樣，進行強度試驗，軟弱層帶的強度參數(shù)較以往的試驗方法有了大的提高軟弱層帶的強度參數(shù)較以往的試驗方法有了大的提高。五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 2夾泥強度指標與各物性指標的相關性通過200組試樣獲得： f=0.243-1.34lg(Ws/Wp)有了這個方程，我們在勘察時，只要獲得天然的

18、G、W、Wp、WL；就能確定其C、值。特別是由于夾泥很薄15mm，最大10mm，極難取剪切樣。我們只需獲得能作容重的原狀樣品，就能確定C、，這對于評價確定C、值，就很方便，同時可以節(jié)省較多的勘探、試驗費用。 五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 2夾泥強度指標與各物性指標的相關性 通過試驗和應力計算，資料表明：軟弱層帶最關鍵的工程通過試驗和應力計算，資料表明：軟弱層帶最關鍵的工程特性指標特性指標摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) f與上覆巖體厚度與上覆巖體厚度H或所受正應力或所受正應力n有良好有良好對應關系對應關系。F120斷層斷層F18斷層斷層為今后評價軟弱層帶的強度參數(shù)提供了新

19、的途徑、方法。為今后評價軟弱層帶的強度參數(shù)提供了新的途徑、方法。五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 2夾泥強度指標與各物性指標的相關性(3) 天然滲流場下軟弱層帶的泥化和強度研究天然滲流場下軟弱層帶的泥化和強度研究分別在蓄水分別在蓄水10年的龍羊峽水電站壩下、漢江安康電站河床下部、年的龍羊峽水電站壩下、漢江安康電站河床下部、金沙江向家壩電站地下水位以下、李家峽電站河床下部，用我們金沙江向家壩電站地下水位以下、李家峽電站河床下部，用我們的方式進行取樣試驗，泥質物狀態(tài)好，強度高，部分成果見下表：的方式進行取樣試驗，泥質物狀態(tài)好，強度高，部分成果見下表：五、軟弱夾層強

20、度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 龍羊峽電站龍羊峽電站2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 3軟弱夾層強度評價方法 獲取真正圍壓下的樣品，而不是松弛的，吸水的樣品，是決定C、的關鍵，可以用試驗獲得值。 野外大剪一定要滿足狀態(tài)，獲得強度值。 在野外取代表性圍壓下的物理指標，代入： f=0.243-1.34*lg(Ws/Wp) 通過幾個點的試樣的物理性指標。再經過仿真試驗，高壓固結試驗，建立Pe關系曲線。就能建立整個夾泥物理指標的基本方程。e=a+b*lgP五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 3軟弱夾層強度評價方法 通過應力反演，獲得夾

21、泥面上的不同n代入Pe方程，我們就能獲得各處的e值，由于G已有，我們就能確定或判斷各處飽水后的Ws，和相應的C、值。而不用開鑿大量的平洞，鉆孔為獲得樣品而花費大量的資金。 要改變過去一條斷層或軟弱夾層一個參數(shù)的辦法，對于傾角較大的斷層，n大，因此，e小，f大。我們可以用中值定理求得整個面上的f值。由于n與e呈對數(shù)關系，則f值。對于平緩斷裂可以取一個或二個平均。對于C值：dPBPAabfba)lg(1dHHf)383. 0lg453. 0(014211420五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 3軟弱夾層強度評價方法 通過上述評價后，進入初設、技設或發(fā)包設計可以補充

22、適當野外大剪予以驗證就可以了。五、軟弱夾層強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 1拉西瓦有較多的斷層六、拉西瓦斷層帶強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 2現(xiàn)場做有大剪類別硐號位置抗剪斷抗 剪fC(MPa)fC(MPa)Hf3結構面PD5-1支支硐40-45米3塊，主洞331米兩塊0.620.08PD27-1支100米試驗支硐0.450.10.440.09PD27-197-100m0.4270.012PD27-1支100米試驗支硐0.420.08HF8結構面PD8-296m0.630.18PD14288m0.580.07PD14-2288米支硐0.320.0

23、20.310.02PD14-2288米支硐0.310.02Hf4結構面PD1955m0.60.20.630.16PD19-1支主洞58m上支洞0.350.3PD19-1支17.5-23m0.370.060.370.06PD2990m主硐及支硐內0.340.070.340.07Hf10結構面PD4-1100米試硐內0.50.080.520.07PD4-1100米試硐內0.450.08Hf1結構面pd7-2支1.58.00.370.220.360.19Hf7結構面pd7-2支1.010.00.450.130.420.1六、拉西瓦斷層帶強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 3按規(guī)范

24、標準值參數(shù)類別抗剪斷參數(shù)抗剪強度參數(shù)fC(MPa)fC(MPa)均值0.4650.1270.4160.079標準差0.1180.0820.0910.053標準值0.3660.0570.3390.034六、拉西瓦斷層帶強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 4現(xiàn)場取平緩、陡傾斷層試樣在室內高壓下試驗壓力(MPa)孔隙比飽和含水量(%)壓力(KPa)孔隙比飽和含水量(%)壓力(KPa)孔隙比飽和含水量(%)壓力(KPa)孔隙比飽和含水量(%)250.64323.9925500.61322.87311000.56921.23132000.52219.4776250.5319.7761

25、500.50118.6941000.46417.31342000.42415.8209250.54520.3358500.52219.47761000.4918.28362000.45617.0149250.66724.8881500.64223.95521000.60722.64932000.56721.15674000.47217.61198000.42715.932816000.38314.29132000.34112.72394000.38314.2918000.34312.798516000.30511.380632000.26910.03734000.42215.74638000.

26、38614.40316000.35513.246332000.32212.01494000.52319.51498000.48117.947816000.43616.268732000.39314.6642六、拉西瓦斷層帶強度評價壩址平緩斷層泥質物室內高壓試驗成果2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 4現(xiàn)場取平緩、陡傾斷層得試樣在室內高壓下試驗壓力(MPa)孔隙比飽和含水量(%)壓力(KPa)孔隙比飽和含水量(%)壓力(KPa)孔隙比飽和含水量(%)壓力(KPa)孔隙比飽和含水量(%)250.69225.8209500.65124.2911000.60222.46272000.552

27、20.5974000.50218.73138000.45216.865716000.40615.149332000.36213.5075壩址高角度斷層泥質物室內高壓試驗成果 六、拉西瓦斷層帶強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 5建立泥質物孔隙比與壓力關系00.511.522.533.50.30.40.50.60.70.8epe=0.466-0.0579Ln(P) R=0.9900.511.522.533.50.30.40.50.60.70.8ePE=0.44-0.069Ln(p) R=-0.99六、拉西瓦斷層帶強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 6室內開

28、展對應的剪切試驗平洞編號軟弱面編號密度含水量比重干密度(g/cm3)孔隙比液限塑限性 狀 指 標Ws/Wp摩擦系 數(shù)f內聚力(0.1MPa)C(g/cm3)w(%)eWLWpPD5-1PD27-1Hf32.06718.722.71.7410.55126.515.51.2080.3890.0162.15516.112.71.8560.45526.515.51.0390.4140.1272.229.842.72.0210.33626.515.50.6350.6941.0101.95123.022.71.5860.70228151.5350.1760.0072.0418.22.71.7260.564

29、28151.2130.2660.1252.210.882.71.9840.36128150.7250.6570.8482.279.12.72.0810.29828150.6070.7262.567PD7-2Hf72.13414.72.711.8610.45721.212.51.1760.3340.0012.3149.5322.712.1130.28321.212.50.7630.5140.3722.1612.722.711.9160.41421.212.51.0180.3900.0092.2589.142.712.1720.24821.212.50.7310.5530.5692.347.742

30、.712.1720.24821.212.50.6190.6221.003PD14Hf82.24320.232.731.8660.46325.715.51.3050.4160.2272.24915.072.731.9540.39725.715.50.9720.3740.0942.1813.22.731.9260.41825.715.50.8520.4160.2272.23811.722.732.0030.36325.715.50.7560.5480.1672.2529.12.732.0640.32325.715.50.5870.7290.542PD19Hf42.3313.92.722.0460.

31、33022.312.61.1030.3250.0112.3114.32.722.0210.34622.312.61.1350.3400.0292.2611.922.722.0190.34722.312.60.9460.5510.0202.416.52.722.2630.20222.312.60.5160.6910.0672.4111.92.722.1540.26322.312.60.9440.6990.103六、拉西瓦斷層帶強度評價2002.11.8軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 7建立wswpf關系0.60.70.80.911.11.21.31.400.10.20.30.40.5fWs/Wpf

32、=0.227-0.55Ln(Ws/Wp)R=-0.920.70.80.911.11.21.31.41.51.60.10.20.30.40.50.60.70.8C/100KpaWs/WpC=0.4-1.263Ln(Ws/Wp) R=-0.950.40.60.811.21.41.60.10.20.30.40.50.60.70.8C/100KpaWs/WpC=0.39-0.59(Ws/Wp) R=-0.950.40.60.811.21.41.60.10.20.30.40.50.60.70.8f=1.073-0.661(Ws/Wp) R=-0.95fWs/Wp六、拉西瓦斷層帶強度評價2002.11.8

33、軟弱層帶的強度評價及參數(shù)取值 9以面上的應力代入ep關系式岸別斷裂組不同部位平均正應力（MPa）部位斷層面上 平均正應力 （MPa）代表性斷裂組代表斷裂且右岸平緩斷裂23502450m7.27Hf（4-1）傾右岸平緩斷裂傾右岸平緩斷裂22502350m8.85Hf8傾右岸平緩斷裂可代表HL32等同組斷裂陡傾斷裂23502450m5.45左岸F28的值代表陡傾斷層22502350m5.91F180代表陡傾斷層左岸平緩斷裂23502450m3.2Hf7代表傾右岸的平緩斷層2250235012Hf3代表傾左岸的平緩斷層陡傾斷裂23502450m5.45F28代表高傾角斷層22502350m6.4GeWs/GeWs/GeWs/Ge