杭长铁路红砂岩岩体结构面强度参数取值研究

赵志明，吴 光 ，李东亮，孟庆文

（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142）

岩体的强度主要取决于岩石块体和结构面强度。在工程实践过程中，岩体结构面的强度特征对工程坡体稳定性评价起着至关重要的作用。现阶段，结构面力学特征值主要通过野外大剪试验、室内剪切试验和经验公式估算三种方式获取［1］。

国内刘明维等［2］较系统研究了结构面强度参数取值问题，主要成果有:(1)针对坡高为15～30m岩质边坡中主控结构面强度参数进行研究，得出坡高小于25m时，粘聚力(C)是控制边坡稳定的关键参数，并提出了现场实测确定C值，然后用规范法确定内摩擦角(φ)的结构面强度参数取值方法；(2)在广泛收集相关部门(公路、铁路、水利水电、城市建筑)边坡岩体结构面试验成果的基础上，提出补充、完善《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2002)中结构面分类方法的建议和相应的修正意见，提升了该分类方法的科学性与实用性，使岩质边坡设计更趋合理，为岩质边坡工程技术规范修订提供了参考。雍睿等［3］结合重庆市武隆县鸡尾山岩质滑坡，采用4种结构面抗剪强度参数线性回归方法进行对比和分析，得出各方法的适用条件。基于Mohr-Coulomb破坏准则的物理力学试验通过选取典型特征岩石块体试样进行分析，其试验过程较为复杂、时间较长［2］，所以现阶段主要以相对简便的室内试验为主。20世纪60年代以来，Barton等在大量的试验研究基础上，结合结构面的几何特征和岩体力学特性，研究了结构面抗剪强度估算方法。基于Barton强度准则的结构面强度估算法近年得到较大发展，通过对岩体结构面粗糙度系数JRC的准确选取，能准确快速地确定结构面的力学特征值［5～7，12］。

本文通过对拟建工程边坡红砂岩的结构特征情况进行现场调查，选取多组典型结构面进行室内剪切试验，同时通过野外结构面基本数据采集，进行Barton模型结构面参数经验计算进行数据对比，最后为边坡工程设计提供可靠的结构面强度参数。

1 边坡结构面调查

拟建工程边坡位于湖南省湘西地区，人工开挖边坡在15～150m之间，坡度多为30°～60°，边坡以弱风化的红砂岩为主，结构面较发育，以硬质结构面为主。边坡开挖后，发育结构面将与开挖面形成多个楔形体，极易发生边坡滑塌现象。通过野外实际调查，确定影响边坡稳定性的优势结构面为:①55°∠74°、②218°∠70°。根据结构面试验标准进行岩样的选取和试样制样，对其进行室内直剪试验和经验估算，确定结构面的抗剪强度参数。典型边坡断面见图1和图2。

2 结构面强度的室内直剪试验

结构面强度的室内试验主要由野外取样、室内制样、室内试验以及数据分析几部分组成。

2.1 结构面取样及制样

野外选取特征结构面进行取样，取样时在结构面上用记号笔标记结构面之间的相对位置、拟剪切方向以及结构面的空间方位，最后进行试样编号。为保证在运输过程中最大限度降低结构面试样的扰动，将试件交叉捆绑，放入抗振容器运送至实验室。

图2 典型断面图Fig.2 Typical cross section of the slope

本次试验将采集的红砂岩岩样按照前文提及的优势结构面分为两组进行试验，每组试验使用5个试样进行，并对第一组试样编号 A1、A2、A3、A4、A5，第二组试样编号 B1、B2、B3、B4、B5。由于此次进行的剪切试验为摩擦剪切试验，所以在试件进行浇注前，应该先测取剪切面的面积Sj。制样时，需在样盒内壁刷机油，并垫一张纸，以便在试件制好后容易与样盒脱离。将试样居中放入样盒内，使待剪切面高出试样盒0.5cm左右，并保持拟剪切方向与矩形样盒的长边方向一致。随后加入混凝土将缝隙捣实，使其与试样紧贴，混凝土采用C25标号水泥、干砂、水按1.0:2.0:0.5进行配比。当混凝土试样达到足够强度(一般6～7天)时，即可将试样放入剪切设备进行试验，完成后试样见图3。

2.2 试验设备及方法

本次试验采用的设备为YDS-1型岩土体力学性质多功能试验仪进行，仪器由加载设备系统、剪切设备系统以及量测设备系统组成。

图3 结构面试件Fig.3 Sample of discontinuity planes

参照试验方法标准［4］，试验采用快剪法，应力控制法施加剪应力。垂向荷载Iσ保持恒定，剪切荷载分10级左右施加，每级加载时间30s，记录每级剪切荷载作用下的剪切位移和垂向位移。当某一级剪应力下的剪切位移超过前一级剪切位移的2倍时，则下一级的剪切油缸压力表Iτ的值就减半施加，直至试样剪断或结构面试样滑移2cm，这一过程历时5～8min。当水平压力表值不再上升，甚至下降或者剪切位移呈加速或匀速进行时，预示着剪断过程结束。试验结束后，按下式计算正应力和剪应力:

式中:σ——正应力(MPa)；

Sj——详测剪切面面积(m2)；

Iσ——垂向压力表读数(MPa)；

Iσ0——垂向压力表初值(MPa)；

G——试样盖板、滚珠轴承和上半部分混凝土试件的总重(N)，本仪器G=0.01kN；

Sv——垂向油缸活塞面积(m2或 cm2)，本仪器Sv=122.7 cm2；

τ——剪应力(MPa)；

Iτ——剪切荷载压力表读数(MPa)；

Iτ0——剪切荷载压力表初值(MPa)；

Sh——剪切加荷油缸活塞面积(m2或 cm2)，本仪器 Sh=95.0 cm2。

2.3 结构面剪切位移曲线

试验过程严格按照前述步骤进行，试验结束后，通过数据收集整理，以试验剪应力值为纵坐标，以剪切位移作为横坐标绘制不同垂向应力作用下的剪应力－剪切位移曲线，如图4所示。

通过应力－位移曲线图分析可知:(1)试验过程随着剪切位移的增加，剪切应力逐渐上升直至达到峰值剪切值，部分试样能够稳定持续峰值强度值直至试验结束；(2)本次试验过程中发现，使用的红砂岩岩体结构面中充填物质较少，但含有粘土颗粒填充物的试样，结构面抗剪强度较低，而无填充物的结构面抗剪强度较高；(3)由于采用的方法为直接剪切试验法，所以在试验后期剪切应力衰减并不明显，但整体都有略微的衰减趋势，通过现有试验曲线完全能判断每组试样的峰值抗剪强度值。

图4 2组试样剪应力－位移曲线图Fig.4 Shear stress-strain curve of two groups of samples

2.4 抗剪强度参数

以剪应力为纵坐标，法向应力为横坐标，绘制剪应力－法向应力关系曲线图(图5)，计算线性回归直线的截距和斜率，根据Mohr-Coulomb破坏准则计算粘聚力和内摩擦角。

图5 2组试样结构面强度剪切曲线Fig.5 Curve showing the shear test of two groups of samples

通过线性回归计算的结构面强度参数如表1所示。根据《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266)的标准［8］，硬性结构面内摩擦角大于 18°，粘聚力大于0.09MPa，本次试验所得结果满足硬性结构面的相关标准，可靠性高。

表1 摩擦剪切试验强度参数Table 1 Strength parameter of friction shear test

3 Barton模型的结构面强度取值

前文试验通过Mohr-Coulomb破坏准则推算了试验试样的结构面粘聚力和内摩擦角，为了更全面准确地获取结构面参数，本文通过试样获取结构面粗糙度JRC、结构面回弹值等几何物理参数，进一步分析结构面的强度参数。

3.1 计算模型

早在20世纪60年代以来，很多学者尝试用估算法进行了结构面强度的研究［6］，这其中以Barton的结构面强度模型在工程中最为常用，其计算式为:

式中:JRC——结构面粗糙度系数；

JCS——结构面壁面抗压强度(MPa)；

φb——基本摩擦角(°)；

σn——结构面上的有效正应力(MPa)。

结构面壁面抗压强度JCS则通过下式获取［7］:

式中:γ——试样岩石的干容重(kN/m3)；

Re——结构面回弹值。

在岩体工程的设计中，当工程岩体中结构面的法向应力为某一确定数值时，可以用JRC-JCS模型在这一特定应力时的切线方程的参数作为它的等效库仑－摩尔准则抗剪强度参数，即等效内摩擦角φi和等效粘聚力Ci见图6。计算方法如下:

图6 结构面抗剪强度计算模型Fig.6 Calculation model of shear strength parameters of the discontinuity

3.2 计算参数的获取

通过Barton模型计算式分析可知，计算结构面强度参数需要明确粗糙度系数JRC、基本摩擦角φb、结构面壁面抗压强度JCS以及结构面上有效正应力σn。试验仍然选取影响边坡稳定性的优势结构组(第一组产状为55°∠74°、第二组产状为 218°∠70°)的结构面试样进行结构面力学参数研究。

结构面粗糙度系数JRC的获取是通过野外结构面表面凹凸轮廓线的绘制［13］，然后对比图7所示粗糙度分级指标获取［6］。第一组结构面粗糙度系数JRC为8～10，第二组为4～6。

图7 粗糙度系数分级表［6］Fig.7 Marked range of JRC value of discontinuity surface

根据岩体力学的相关定义，结构面残余摩擦角是岩石平直结构面残余剪切试验得到的摩擦角，对新鲜未风化的岩石结构面而言，残余摩擦角等于基本摩擦角 φb。据杜时贵等［9，11］对岩石基本摩擦角的整理以及现场调查的情况，选取第一组红砂岩在天然状态下的基本内摩擦角为32°，第二组红砂岩为28°。

结构面面壁抗压强度按照式(4)计算，所需要参数为岩样干容重γ以及结构面回弹强度Re。干容重γ通过岩样的室内试验获取，本次试验红砂岩重度为23.5kN/m3；拟进行试验的2组结构面野外新鲜结构面的回弹值统计如表2所示，每组结构面通过采集10个回弹值进行分析，通过选取平均值获取计算所用回弹值Re。计算后的第一组试样JCS为11.65，第二组试样JCS为11.25。

表2 岩石结构面回弹值Table 2 Rebound value of samples

为获取结构面抗剪强度，取法向应力σn为1.0、2.0、3.0、4.0和5.0MPa下计算得出的等效内摩擦角和等效粘聚力，然后在1.0～5.0MPa法向应力范围内用线性回归法处理得到结构面的最终抗剪强度值(图8)。

图8 2组试样结构面强度剪切曲线Fig.8 Curve showing the shear test of two groups of samples

对2组结构面试样在法向应力1.0～5.0MPa下计算得到的等效内摩擦角和粘聚力进行线性回归处理，得到的试验试样结构面最终抗剪强度参数如表3。利用Barton模型计算的结构面参数结果为:第一组结构面粘聚力C=0.278MPa，内摩擦角φ =35°；第二组结构面粘聚力C=0.101MPa，内摩擦角φ =29°。

表3 Barton模型试验强度参数Table 3 Strength parameter of the Barton model

4 结论

(1)影响岩体结构面强度的因素较多，在针对具体岩体结构面强度分析时，尽量通过多种方法进行结构面强度取值获取准确可靠的强度参数。本文通过两种结构面强度参数取值方法的研究，获取了红砂岩岩体结构面采用不同方法的结构面强度值。

(2)对比发现，两种方法获取的结构面强度参数其结果有很强的一致性。剪切试验使用了岩体结构面直接摩擦剪切获取强度值，而Barton模型计算则直接使用了结构面粗糙度系数、结构面回弹值等物理参数进行直接分析。

(3)结合野外调查的实际情况，本次试验得出产状为55°∠74°的结构面综合抗剪强度参数为:C=0.3MPa，φ 为 36.5°；产状为 218°∠70°的结构面综合抗剪强度参数为:C=0.13MPa，φ为28.5°，这一参数满足相关岩体结构面强度标准，可直接应用于工程边坡的设计。

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