大河恋
软岩是世界上分布最广泛的一种岩石,其中的泥岩和页岩就占地球表面岩石的50%左右。据不完全统计,在水利水电工程建设中,约有2/3均涉及软岩的工程地质问题。软岩是一种特定环境下具有显著变形的复杂力学介质,给工程设计、施工带来一系列特殊问题,因而软岩的研究引起国内外广泛的关注。软岩工程问题从20世纪60年代起就作为世界性难题被提出来。我国自20世纪70年代以来,软岩工程遍及边坡工程、大坝工程、大型深埋地下长隧道工程等基础工程,是当今科技攻关和工程实践的难点和热点之一。软岩由于其工程地质性质极差,往往制约着工程建设的规模,并对各类工程建筑的施工及运营起相当大的危害作用。如我国的长江葛洲坝工程,由于在施工前对坝基下的软弱夹层研究不足,成为停止施工一年的重要原因之一;又如,1959年12月2日21时10分左右,法国的马尔帕塞(Malpasset)因左坝头沿片麻岩中的软弱夹层(绢云母页岩)发生滑动,导致坝体破裂。其软弱岩体力学性质迫切需要进行深入研究。软岩在浸水条件下,其力学性质大幅度降低,甚至导致完整岩体解体。如举世闻名的意大利瓦依昂(Vajont)水坝,高258m,在当时是最高的拱坝。近坝库区的山体由石灰岩和黏土岩组成,由于当时对黏土岩未给予高度重视,水库蓄水后,黏土岩浸水膨胀而推动山体下滑。对于软岩浸水后的力学性质的研究,目前多是现象学的研究,通过试验分析一些普遍规律,不够深入,试验结果的潜力未能最大限度地挖掘。在大量的边坡失稳分析和调查以及在工程设计实际中,可以看到岩质边坡的失稳大都沿各种软弱结构面发生。我国对软弱结构面的研究始于20世纪50年代(如狮子滩水电站),而后在坝基、隧道、矿山、边坡等工程中,都遇到过软弱结构面问题,才开始引起各方面的重视,各部门各单位结合工作开展了软岩结构面的研究。20世纪60年代,软弱结构面的研究进入了成因分类、室内外试验相结合选择抗剪强度的阶段。人们对软弱结构面的重视也比较早,工程地质学者更进一步认识到软弱结构面对岩体变形和破坏特征具有优先控制作用。20世纪70~80年代进入软弱结构面的深入研究阶段,对其组成成分、微观结构、应力与应变关系、演变趋势、电算及模型试验等进行综合研究。可以说,到目前为止,特别是最近几年对软弱结构面的研究已取得突破性进展。在研究初期,对软弱结构面以研究其物理力学参数为目的,例如20世纪60年代,主要对其成因、室内现场试验进行研究。20世纪70年代初期,陈宗基教授对葛洲坝水电站的软弱结构面问题进行大量、系统而富有成效的研究,提出了著名的第三屈服值(流变屈服极限),此值对工程的长期稳定性有重要意义,被国际上誉为“陈氏屈服值”。通过研究软弱结构面黏粒含量与抗剪强度参数之间的定量关系,能够对软弱结构面强度的本质及黏粒含量影响抗剪强度的机理有较深的认识。研究表明,软弱结构面的抗剪强度随着充填的厚度增大而减小,颗粒愈细的充填物具有这一效应愈明显。软弱结构面的强度参数取值多以试验(如携带式剪切仪剪切试验,简称携剪试验,下同)为基础,结合软弱结构面的其他特征(如赋存环境与工程的相互作用等)进行综合分析。试验研究仍是探索软岩特性的直接研究手段。就边坡软岩而言,研究的重点将是扩容膨胀、崩解、软化、流变和黏性时效等问题。软岩(软弱结构面)的变形不仅表现出弹性和塑性,而且其变形破坏除与构造应力有关外,还受到时间因素的影响,即具有流变性。流变一词最早由古希腊哲学家Heractitus提出,意思是万物皆流,即所有物质都有流变性。流变学作为一门研究物质流动与变形的学科,近年来其研究也迅速发展起来,世界各国尤其是工业发达国家纷纷成立了流变学会,如英国、德国、法国、荷兰、瑞典、日本、墨西哥、加拿大等。由Bingham建议于1929年成立了美国流变学会,被公认为流变学历史的新纪元。流变(亦即蠕变)是岩石材料的固有力学性质之一,也是用来解释和分析地质构造运动和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。岩土体的流变现象则到处可见:法国有一坝体,高22m,长520m,建在6m厚的裂隙黏土质砂岩上。建成11年,由于岩(土)体的蠕变引起位移加速,导致破坏。意大利比萨斜塔的下沉则是砂层地基中的黏土透镜体蠕变和挤压所引起的。前苏联有一个码头,在剪应力长期作用下,大约以10mm/a的速度产生位移,在70~100年时间内最大蠕变位移达50~100cm,对码头结构产生严重的影响。很多水电站的施工期和运营期都很长,工程边坡的稳定性不可避免地与岩(土)体的流变有关。由于岩(土)体的流变对人们的生产生活产生重要的影响,对其进行流变特性的研究已日益引起人们的重视。岩土的流变特性,国外学者对岩体流变特性的研究开展较早,国内外研究者较少注意。岩土的流变性研究大致可追溯到20世纪30年代,1939年Griggs通过对砂岩、泥页岩、粉砂岩进行的大量试验研究得出:在较小的应力条件下,即荷载达到其极限强度的12.5%~80%时,岩体就表现出蠕变的特性。20世纪40年代,荷兰的佛拉格门(Flagge-man)大桥、齐特兹(Zuiderzee)海堤及软土铁路路基因流变而破坏,才引起了科学界对流变的重视。国内对岩体蠕变特性的研究起步较晚,但进步很快。1948年,陈宗基和荷兰的GeuzeE.C.W.A首先开始对土流变学进行了系统的研究。1950年代以来,国内外已对软岩流变的本构规律进行过大量的研究。20世纪60年代,陈宗基教授等学者率先开展了流变学在岩土工程领域的研究,此后许多学者先后在这一领域作出了卓越贡献。可用流变试验说明岩石或岩体的流变特性如何,日本Kumagai N.曾根据始于1977年长达27年之久的流变试验,提出了令世人瞩目的花岗岩流变参数(王思敬,2004)。软岩的时间效应除了表现在风化作用强烈且迅速之外,还表现在其流变特性实质。岩石流变性的研究广泛地涉及工程地质分析、地震机制、大型岩体工程长期稳定性评价、核废料及其他有害物质在地层深部的长期贮存,因而引起了岩石力学与岩土工程界的广泛关注,使理论发展得到实际应用的巨大推动。流变是一个时间效应的问题,而实际工程中软岩的蠕变是个长时间的过程,这个过程可以长达几十年至几百年。而在软岩的蠕变研究中,室内试验仍是目前研究流变现象的主要手段。在实验室研究中,由于技术以及各方面的实际条件所限制,软岩的蠕变试验只可能进行几小时或几天,少数试验进行几个月,极少数进行数年。而整个实验时间与软岩的蠕变过程相比只是极小的部分,但又不得不将短时间的蠕变试验结果外推到长时间的实际蠕变过程中去,因此,在软岩(软弱结构面)的蠕变试验中,充分考虑时效变形特性,在分级加载时,时间尺度效应对何时施加下一级荷载的标准起着关键性的作用。用最短的试验时间得到正确的蠕变曲线,使在短时间内得到的室内蠕变试验能正确地反映野外岩体蠕变的真实情况。岩石流变特性研究的核心内容之一是流变模型的建立与应用。关于岩石流变模型的研究,目前已有许多可供选择的模型被建立起来。对于不同类型的岩石,可选用相应的流变模型来描述其特性。从已有的研究成果看,用虎克体(H)、牛顿体(N)、圣维南体(S)三个基本线性元件组成的复合流变元件模型,来拟合软岩的实验室或现场原位蠕变试验数据,以获得其流变本构模型的研究方法,能把软岩复杂的流变性质直观地表现出来,并且其数学表达式可直接描述蠕变、应力松弛及稳定变形,为大多数研究者所接受并采纳。建在层间剪切破碎带(煤系地层)发育的水利枢纽工程,全世界屈指可数。随着我国西部水电进一步开发,研究软岩(软弱结构面)的时效变形性是一个不可回避的现实问题,涉及枢纽区开挖边坡(含软岩、软弱结构面)的长期强度问题,更是关系到水利水电工程建设的成败与否。基于此,软岩(软弱结构面)的时效变形性作为全面研究软岩流变的补充和深化。官方服务官方网站