2.4　岩体（石）基本物理力学性质研究

2.4.1　主要试验及成果

自1978年开始，龙滩水电站工程先后进行了3个阶段的岩石力学试验研究。1984年以前的预可研阶段，以室内试验为主，开展少量现场试验；1984—1987年配合坝型比选，开展了大量现场岩体试验研究；在补充可行性研究阶段，针对具体建筑物设计要求进行了岩体力学专项研究。试验研究的内容可概括如下。

（1）主要岩石的物质成分及断层破碎带、滑坡面充填物的微观分析和黏土矿物分析。

（2）主要岩石的室内物理力学性质试验。

（3）T2b18层泥板岩承载能力及原位岩体大型三轴强度试验。

（4）现场岩体强度与变形试验。

（5）现场软弱结构面（陡倾角节理、节理裂隙夹泥、层间错动带和层面等）强度与变形试验。

（6）现场混凝土与不同风化程度基岩的抗剪（断）试验。

（7）岩体（石）的动力特性试验。

（8）现场岩体应力测量和室内岩石声发射测试地应力及显微构造应力分析。

（9）地下厂房原位模型试验洞围岩变形量测及位移反演分析。

上述试验内容主要针对电站枢纽工程勘察设计在坝址区进行的，但大部分试验点分布在地下厂房选址及附近。经统计，涉及地下厂房洞室群围岩地层主要试验测试工作量见表2.12。工程勘测过程中，地下厂房区岩体（石）力学试验研究成果，为评价围岩质量和工程设计提供了较系统的岩石力学参数选择依据。室内岩石物理力学性质试验成果见表2.13和表2.14；室内岩石抗剪（断）试验成果见表2.15；T2b18泥板岩单轴抗压强度试验成果见表2.16；T2b18泥板岩干湿循环单轴抗压强度试验成果见表2.17；泥板岩三轴强度试验成果见表2.18；断层泥和风化泥化夹层室内物理性质及直剪试验成果见表2.19；断层泥和泥化夹层原状样物理性质试验及三轴试验成果见表2.20和表2.21；现场抗剪（断）强度试验成果见表2.22；现场岩体变形试验成果见表2.23。

2.4.2　岩体物理力学性质参数取值

2.4.2.1　岩体物理力学性质参数取值的规定

《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287—1999）[1]对岩体的物理力学性质参数取值做出了以下规定。

（1）对均质岩体的密度、单轴抗压强度、点荷载强度、波速等物理力学性质参数，可采用测试成果的算术平均值或统计的最佳值，或采用概率布的0.2分位值作为标准值。

（2）对非均质的各向异性的岩体，可划分成若干小的均质体或按不同岩性分别试验取值；对层状结构岩体，应按建筑物荷载方向与结构面的不同交角进行试验，以取得相应条件下的单轴抗压强度、点荷载强度、弹性波速度等试验值，并应采用算术平均值或统计最佳值或采用概率分布的0.2分位值作为标准值。

（3）岩体变形模是或弹性模量应根据岩体实际承受工程作用力方向和大小进行原位试验，并应采用压力-变形曲线上建筑物最大荷载相应的变形关系选取标准值；弹性模量、泊松比可采用概率分布的0.5分位作为标准值。各试验的标准值应结合实测的动、静弹性模量相关关系及岩体结构、岩体应力进行调整，提出地质建议值。

（4）岩体抗剪断强度或抗剪强度取值应符合以下规定。

1）当具有整体块状结构、层状结构的硬质岩体试件呈脆性破坏时，坝基抗剪强度取值：拱坝应采用峰值强度的平均值作为标准值；重力坝采用概率分布的0.2分位值作为标准值，或采用峰值强度的小值平均值作为标准值，或采用优定斜率法的下限值作为标准值；抗剪强度应采用比例极限强度作为标准值。

2）当具有无充填、闭合的镶嵌碎裂结构、碎裂结构及隐微裂隙发育的岩体，试件呈塑性破坏，应采用屈服强度作为标准值。

3）标准值应根据裂隙充填情况，试验时剪切变形量和岩体应力等因素进行调整，提出地质建议值。

（5）结构面的抗剪断强度取值应符合以下规定。

1）当结构面试件的凸起部分被啃断或胶结充填物被剪断时，应采用峰值强度的小值平均值作为标准值。

2）当结构面试件呈摩擦破坏时，应采用比例极限强度作为标准值。

3）标准值应根据结构面的粗糙度、起伏差、张开度、结构面壁强度等因素进行调整，提出地质建议值。

（6）软弱层、断层的抗剪断强度取值应符合以下规定。

1）软弱层、断层应根据岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹岩屑型和泥型分别取值。

2）当试件呈塑性破坏时，应采用屈服强度或流变强度作为标准值。

3）当试件黏粒含量大于30%或有泥化镜面或黏土矿物以蒙脱石为主时，应采用流变强度作为标准值。

4）当软弱层和断层有一定厚度时，应考虑充填度的影响。当厚度大于起伏差时，软弱层和断层应采用充填物的抗剪强度作为标准值；当厚度小于起伏差时，还应采用起伏差的最小爬坡角，提高充填物抗剪强度试验值作为标准值。

5）根据软弱层、断层的类型和厚度的总体地质特征进行调整，提出地质建议值。

2.4.2.2　参数统计分析

1.试验最佳值确定方法

试验最佳值是某一具体工程地质单元试验参数的综合整理结果。原《水利水电工程岩石试验规程》（SL 264—2001）对试验成果综合整理方法给出了相应规定。岩石试验各项试验成果应进行综合整理分析和归纳，提出试验最佳值或满足给定置信概率的试验参数标准值。试验成果的整理应先对全部试验资料进行逐项逐类的检查和核对，分析试验成果的代表性、规律性和合理性；然后，按已划分的工程地质单元对试验成果进行归类，编制各项成果汇总表；最后，按地质单元对试验成果进行综合整理，提出各项试验成果最佳值。

岩块物理力学性参数采用试验值的算术平均值作为试验最佳值。根据需要可计算相应的均方差、偏差系数、绝对误差及精度等指标。

变形特性参数试验成果整理，应取统计范围内各试点变形特性参数的算术平均值作为试验最佳值。对不均匀变形反应敏感的某些建筑物或建筑物的某些关键部位，在已划分的工程地质单元的基础上，宜划分成更小的单元整理试验成果。

直剪强度试验成果可选取下列方法进行整理：①对同一地质单元内的各组参数进行统计，确定试验最佳值；②将同一地质单元内全部试验成果点绘在τ-σ坐标图上，用图解法或最小二乘法确定该地质单元抗剪强度参数的试验最佳值；③将同一地质单元内全部试验成果按正应力分组统计，确定各级正应力下的最佳剪应力值，用图解法或最小二乘法确定该地质单元抗剪强度参数的试验最佳值。

三轴压缩强度试验成果可选取下列方法进行整理：①对同一地质单元的各组三轴强度参数进行算术平均，确定相应工程地质单元的抗剪强度试验最佳值；②将同一工程地质单元的全部试验成果按侧向应力分组统计，确定各侧向应力下的最佳轴向应力值；然后，在坐标图上点绘侧向应力和相应的最佳轴向应力点，用图解法或最小二乘法拟合直线，在直线上等距地取6～8个点，确定各点相应的轴向应力和侧向应力值，并在τ-σ坐标图上绘制相应的莫尔圆，作这些莫尔圆的破坏包线，根据直线段的斜率和截距，确定抗剪强度参数tanφ和c，由此确定该工程地质单元的抗剪强度参数试验最佳值。

2.试验参数标准值确定方法

试验参数标准值指同一地质单元具有足够数量的试验值，根据概率分布类型和给定置信概率给出的参数统计结果。

对于某一地质单元给定的置信概率P=1-α，标准值fk可按下列公式计算

式中：fk为试验参数标准值；为试验参数平均值；γs为统计修正系数，其正负号按不利组合考虑；Cv为离散系数；tα（n-1）为置信概率为1-α（α为风险率）、自由度为n-1的t分布单值置信区间系数值，可按t分布单值置信区间tα系数规定取值。置信概率为90%和95%时，tα（n-1）按表2.24的规定取值。

3.岩体抗剪强度参数概率统计分析

对于岩体抗剪断强度试验结果的综合整理，通常采取保证率法和综合法。其中，保证率法以一组抗剪断试验数据按最小二乘法推算出来的抗剪断强度指标为样本（参加统计的样本单位为组），再对样本作概率统计分析，分别计算出摩擦系数和凝聚力的标准值；综合法以单点抗剪断试验的数据为统计分析样本（参加统计的样本单位为点），试验数据一次全部利用，不存在人为因素。显然，两种方法对样本的要求和统计分析对象是不相同的，从试验的经济性考虑，以第二种方法更为实用。具体分析方法可查阅有关文献。

2.4.2.3　统计分析结果

从已有试验工作量来看，某些地质单元的试验样本数较少，不能进行统计分析。试验参数标准值计算结果如下：

室内岩石抗剪（断）强度参数标准值采用概率分布的0.2分位值，见表2.25；泥板岩单轴抗压强度标准值按概率分布的0.2分位值计算，见表2.26；泥板岩三轴强度试验抗剪强度参数统计，按给定变异系数法，其中δf=0.20，δc=0.36，抗剪强度参数标准值按0.2分位取值，见表2.27；断层泥和风化泥化夹层室内物理性质及直剪试验，根据塑性指数，试样基本为黏性土，按地质规范规定，物理性质试验标准值取均值，抗剪强度指标的内摩擦角标准值取均值的90%，凝聚力标准值取均值的25%，见表2.28；现场岩体抗剪（断）强度标准值采用概率分布的0.2分位值，见表2.29。

2.4.2.4　地质建议值

岩石力学性质参数的确定主要有直接试验法、经验类比法以及正、反分析法。

（1）直接试验法，需要一定数量的试验，才能得出有规律性的成果，其主要困难是尺寸效应问题。

（2）经验类比法，是普遍采用的方法，在有无试验资料的情况下都可以应用，且目前国内外已有相应的标准，如我国《工程岩体分级标准》（GB 50218—1994）、国际上的CSIR和NGI分级法以及E.Hoek提出的强度破坏准则确定岩石力学参数，都属于此类方法。

（3）正分析法，可以考虑岩体的结构特征，模拟计算岩体的综合强度和变形参数；反分析法，则可根据实测变形，反求岩体的综合强度和变形参数。

在龙滩水电站地下洞室群围岩力学参数取值研究中，采用了上述3种方法对某些指标进行了论证，以求获得较合理的参数取值。地质建议值是依据各种方法得出的结果，结合龙滩工程地下洞室群围岩工程地质条件和岩体结构特征，综合分析后给出的力学参数推荐值。另外，在洞室群围岩分类的基础上，根据推荐值综合类比确定各类围岩的特征参数。

岩石抗压、抗拉强度和允许承载强度地质建议值见表2.30；岩体抗剪（断）强度地质建议值见表2.31；岩体变形模量地质建议值见表2.32。

2.4.2.5　设计采用值

尽管通过工程勘察试验和地质分析给出了岩石力学参数的试验标准值与地质建议值，但是由于洞室群围岩地质条件和岩体结构的复杂性，其力学参数的准确取值仍然相当困难。水工地下洞室群工程由于赋存地质环境、建造过程与运营条件的特殊性，围岩稳定性影响因素很大程度上存在着随机性和不确定性。在地下洞室群结构设计中，依靠确定性力学、数学分析方法难以准确地反映围岩真实的力学性态，因此，有必要采用可靠性分析方法。目前，地下工程可靠度设计尚无统一标准，对荷载与围岩材料强度设计值也没有取值依据。洞室群稳定性分析中，一般将围岩力学参数的试验标准值或地质建议值乘上一个折减系数（相当于分项系数）作为设计采用值。

龙滩水电站工程地下洞室群设计中，先后开展了大量分析计算工作，随着勘察设计工作的深入，每一阶段围岩力学参数设计采用值都有所调整。其中，折减系数的确定主要考虑了洞室群围岩的分区特点和荷载条件，适应地质模型的概化。本章仅列出1994年原招标设计阶段和后来专题研究阶段的围岩力学参数设计采用值。

1994年地下厂房洞室群有限元计算采用的岩体物理力学性质参数见表2.33；专题研究中，地下厂房洞室群围岩力学特性指标设计采用值见表2.34；结构面力学特性指标设计采用值见表2.35。

2.4.3　岩石拉伸变形特性研究

2.4.3.1　试验设计

硬岩洞室围岩破坏一般由张性破裂引起。张性破裂使围岩产生大量平行于洞壁的裂缝，最终导致冒顶或片帮等现象。围岩出现大面积张性破坏一般是在垂直于洞壁表面的方向上张应变发展的结果，因而，判断围岩是否将出现张性破坏的依据是围岩在这一方向上的张应变是否超过限度。即使在这一方向上的拉应力没有超过单轴抗拉强度或应力为压应力，作用在其他两个方向上的压应力也可能使这一方向的实际张应变超过极限张应变，围岩可能出现大面积的张裂破坏。

为了实际测定工程岩石在张拉破坏条件下的极限张应变，龙滩水电站地下洞室群专题研究中，开展了两种典型岩石在拉伸条件下的变形特性试验。试验分两种方式：直接拉伸和劈裂试验。

（1）岩石直接拉伸试验。试验在CSS-44000电子万能试验机上完成的。岩石试样的直接拉伸作用力是通过压-拉转换器获得。试验过程中由计算机数据采集系统自动采集荷载、位移数据。试样采用圆柱体，尺寸约为ϕ45mm×80mm，试样两端面不平行度最大不超过0.05mm；断面垂直试样轴线，最大偏差不超过0.25°。试验加载按位移速率（0.01mm/min）控制。

（2）岩样劈裂试验。试验同样在CSS-44000电子万能试验机上进行。在岩石试件双端面上粘贴电阻应变片，通过静态电阻应变仪采集数据；在试验机上读取荷载值。试验采用位移控制，所用压条为直径2.00mm的钢丝。岩样中心的拉应力通过下式换算

式中：σ为岩样抗拉强度，MPa；P为劈裂荷载值，N；D为岩样直径，mm；L为岩样厚度，mm。

2.4.3.2　岩石直接拉伸试验结果及分析

共对20块岩样进行了直接拉伸试验，岩样直接拉伸试验有关参数与成果见表2.36。

从试验得出岩石试样破坏的类型主要可以分为以下3种，各破坏类型应力-应变曲线见图2.2～图2.4。

（1）全断面岩石拉断（A型）。其断口表面较粗糙，是沿着组成岩石矿物的粗细颗粒连接处拉开。宏观上来看，断面基本上与轴线垂直。其抗拉应力-应变曲线与典型的较坚硬岩石在压缩状态下的应力-应变曲线相似，上升段曲线较平缓，峰值过后的下降段则很陡，有一定的残余应力。

（2）拉断面处部分是岩石拉断，部分是硬性结构面的张拉破坏（B型）。其拉伸状态下的应力-应变曲线有些类似于中等强度岩石在压缩状态下的应力-应变曲线：上升段平直较陡，微向下凹，个别处有起伏；曲线下降段与前一种比较，其陡峭程度减缓，属于较平缓的逐步降到残余强度。

（3）全断面属于结构面被拉开（C型）。结构面性状属于硬性结构面，平直光滑面和平直稍粗面，部分有充填物质。在试验荷载作用下，结构面被拉剪破坏，其应力-应变曲线上升段由平缓急剧变陡，并微向下凹。一般其峰值处应变值比第一种大，曲线下降段也比较陡。

从岩性来看，砂岩的极限应变为2.29～14.78με，平均极限应变为7.82με；泥板岩的极限应变从1.32～15.09με，平均极限应变为8.18με。泥板岩的平均极限应变比砂岩的平均极限应变大。砂岩的峰值强度为2.65～8.05MPa，平均为6.46MPa；泥板岩的峰值强度从0.66～13.39MPa，平均峰值强度为6.17MPa。泥板岩和砂岩的峰值强度基本相当，但泥板岩的峰值强度值离散性很大，砂岩的峰值强度值比较接近。砂岩的拉伸变形模量为0.153～0.964GPa，平均为0.440GPa；泥板岩的拉伸变形模量为0.136～0.641GPa，平均为0.344GPa。

从试件破坏形式看，砂岩的断口形式比较复杂，A、B、C 3种断口形式都有，其中B型断口形式的岩样数目较多，有5个，占砂岩岩样数目的50%，C型断口形式的岩样占砂岩岩样数目的20%，含结构面的岩样数目占岩样总数的70%，说明砂岩岩样中结构面较发育。砂岩A、B、C 3种破坏的平均极限拉伸应变分别为6.24με、6.45με、13.62με。泥板岩仅有B、C两种型断面，即拉断面部分为沿岩石破坏，部分为结构面破坏，也有完全结构面破坏，说明该次试验中泥板岩岩样的结构面较发育。泥板岩B型破坏的平均极限拉伸应变为7.27με；C型破坏的平均极限拉伸应变为10.31με。

2.4.3.3　岩石劈裂试验结果及分析

劈裂试验有关参数与成果见表2.37。劈裂试验典型应力-应变曲线见图2.5。

经劈裂试验后的岩样裂痕较整齐，破裂基本对称，但在试件两端面裂痕轨迹差异明显，使得试验极限拉应变值离散较大。根据试验中试件两端面测定的应变值，对数据比较接近，峰值抗拉强度和极限应变值取平均值；对数据差异比较大的，取其中比较合理的一条作为试件的应力-应变曲线求峰值抗拉强度和极限应变值。

经整理，砂岩试件极限应变值为160～396με，平均268με；泥板岩极限应变值为103～166με，平均129με。砂岩的劈裂抗拉强度值为5.17～13.03MPa，平均为7.88MPa；泥板岩的劈裂抗拉强度值为3.65～6.83MPa，平均为5.00MPa。

与直接拉伸试验相比，两者获得岩石平均峰值抗拉强度比较接近，而极限应变值相差较大。成果应用上，建议在洞壁浅表部围岩采用直接拉伸试验结果，深部围岩采用劈裂试验结果。