层厚比对水平砂泥岩互层岩体抗剪强度参数的影响

崔华龙，叶四桥

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

砂泥岩互层状岩体的结构特点是：存在层面以及定向排列，岩体变形主要受岩层组合和层面所控制，软岩、硬岩有不同的地质及工程特性，软硬互层岩体的强度和变形特性则较为复杂多变。影响该类组合地层性质的因素一般有软岩厚度、岩层倾角以及软岩强度等。近年来，国内外学者对软硬互层岩体的强度理论、变形特征等方面做了许多工作[1～15]。在试验研究方面，鲜学福等[1]、王玉川等[9]通过室内岩石试验研究软硬互层岩体层间特性以及软硬岩层各自对边坡稳定性的影响规律。王志荣等[10]通过对互层状岩盐进行单轴和三轴压缩蠕变试验，发现岩体变形主要受盐岩影响。丁秀丽等[8]通过压缩蠕变试验，研究了不同类型软、硬岩石的蠕变破坏规律。Fabre G等[3]和Shin K等[4]通过室内和现场试验研究了不同互层岩体的强度和蠕变特性，发现泥岩有显著的粘塑性。吴渤等[2]用水泥和石英砂作为模型材料通过单轴压缩试验研究了岩层倾角对互层岩体变形的影响。

此外，数值模拟手段也被广泛用来研究软硬互层岩体的工程特性[11～15]，如Halakatevakis等[5]通过UDEC对含有几组结构面的岩体进行了抗压强度的模拟。邓荣贵等[6]研究了层状岩体的变形特性和强度特性，得到了岩体的节理数、轴向应力、倾角和围压对变形模量和强度特性的影响规律。郭松峰等[7]通过FLAC3D研究了含结构面的岩体的变形规律，得出随着结构面的增多，岩体变形参数减弱，且加大了结构面控制岩体破坏的概率。

目前对于软硬互层岩体，公路隧道设计规范中一般按Ⅳ围岩处理[16]。建筑边坡规范[17]中规定“确定岩质边坡的岩体类型时，由坚硬程度不同的岩石互层组成且每层厚度小于或者等于5 m的岩质边坡宜视为由相对软弱岩石组成的边坡。当边坡岩体由两层以上单层厚度大于5 m的岩体组成时，可分段确定边坡岩体类型。”当单层厚度小于5 m时，岩体抗剪强度参数直接按相对软弱岩层取值是否合理未得到系统探讨。

本文以砂泥岩互层岩体为研究对象，引入层厚比，指砂泥岩互层岩体中泥岩层厚与砂岩层厚之比，基于FLAC3D三轴数值试验方法，研究层厚比、层厚对水平砂泥岩互层岩体抗剪强度参数和变形特征的影响规律。

1 数值试验原理与方法

在本次试验中，将各向异性的岩体视为各向同性。根据胡克定律：

(1)

基于FLAC3D模拟三轴数值试验的步骤为：

(1)拟定长方体试件，试件砂泥岩互层岩体，长方体沿高的方向为轴压方向，四周施加围压。

(2)在四周施加围压σ3，保持围压不变，在竖直方向以1×10-5m/s的速度施加轴向位移，得出每次轴向位移施加后岩样面上所受的压力，该面上的应力为此压力除以该面的面积。

(3)不断增大轴向位移，共运行15 000步，由应力应变曲线得出最大轴应力σ1。

(4)改变围压σ3，重复以上步骤，绘制不同围压下的应力圆包络线，由此求解水平砂泥岩互层岩体的抗剪强度参数。

2 水平砂泥岩互层岩体数值试验

2.1 模型参数的选取及模型建立

为研究层厚比对水平砂泥岩互层岩体抗剪强度参数的影响，互层岩体物理力学参数参考西南地区砂泥岩互层岩体的力学参数，泥岩重度24.5 kN/m3，体积模量16.7 GPa，剪切模量12.5 GPa，内摩擦角20°，抗拉强度0.35 MPa，黏聚力2 MPa。砂岩重度26 kN/m3，体积模量75 GPa，剪切模量34.6 GPa，内摩擦角40°，抗拉强度2 MPa，黏聚力30 MPa，拟定为水平岩层，模型尺寸1 m×1 m×2 m，共划分2 000个单元(图1)。

图1 模型网格示意图Fig.1 Schematic diagram of the model

2.2 数值试验方案

为研究不同砂泥岩层层厚比对水平砂泥岩互层岩体抗剪强度参数的影响，保持岩层倾角、岩性等因素不变，进行三轴数值试验，试验方案见表1。对每组试验分别施加0.1，0.5，1 MPa的围压，通过三轴数值试验，记录不同围压下，水平砂泥岩互层岩体破坏的最大轴压力，根据试验数据，作出岩体破坏时的摩尔应力圆，进而求出不同层厚比下的抗剪强度参数。

表1 三轴数值试验方案设计

3 层厚比对抗剪强度参数的影响

3.1 层厚比对岩体黏聚力的影响

由三轴数值试验结果得到水平砂泥岩互层岩体的黏聚力在不同层厚比下的变化趋势见图2。随着层厚比的增大，互层岩体的黏聚力减小，最终趋于稳定。砂泥岩互层岩体的层厚比以0.75为界，小于0.75时，层厚比越小黏聚力越大，大于0.75时，黏聚力则不随层厚比增加而继续削弱，即对于层厚比大于0.75的砂泥岩互层岩体黏聚力按泥岩取值是可行的；层厚比在0.75以下时，则需要考虑层厚比对砂泥岩互层岩体黏聚力的影响，推测由于层厚比越小，硬岩对岩体黏聚力的贡献越大，其增大效应不可忽略，从数值试验得到的结果来看，可按1～4倍的泥岩黏聚力取值。

图2 层厚比对水平砂泥岩互层岩体黏聚力的影响Fig.2 Influence of different thickness ratios on the cohesion of rock mass

3.2 层厚比对岩体内摩擦角的影响

水平砂泥岩互层岩体的内摩擦角随着层厚比的增大呈减小趋势，最终趋于稳定(图3)。由数值试验结果可知，同层厚比对水平砂泥岩互层岩体黏聚力的影响规律类似，当层厚比小于0.75时，砂泥岩互层岩体的内摩擦角变化范围较大，仅按泥岩取值不够准确，其内摩擦角应根据实际情况或试验等确定；而层厚比大于0.75时，岩体内摩擦角在20°上下变化，同泥岩内摩擦角相仿，则说明在此情形下，现行标准按泥岩的内摩擦角取值是客观可行的。

图3 层厚比对水平砂泥岩互层岩体内摩擦角的影响Fig.3 Influence of different thickness ratios on the angle of internal friction of rock mass

3.3 层厚比对岩体变形特征的影响

图4是岩体中岩层数为4层时不同层厚比的试件变形特征图。在轴压和围压作用下，层厚比较小时，试件的变形在砂、泥岩层都有发生，破坏范围较大，随着层厚比的增大，其变形范围上移，当层厚比大于0.5时，试件的变形破坏发生在软岩部分，硬岩部分基本不出现变形或仅出现少量变形，也就是说软岩控制了水平砂泥岩互层岩体的变形。

图4 不同层厚比情况下岩体的变形特征Fig.4 Deformation features of rock mass under different thickness ratios

4 层厚对抗剪强度参数的影响

4.1 层厚对岩体黏聚力的影响

保持泥岩和砂岩岩层厚比不变，改变砂泥岩的层厚，在不同围压下，得出其抗剪强度参数的变化规律(图5)。由试验结果可得，层厚比小于0.2时，试件分层数越多，层厚越薄，黏聚力越大，且远大于泥岩，也就是说实际工程中不应仅按泥岩取值。层厚比大于0.2时，黏聚力随层厚的变化较小，基本与泥岩的黏聚力一致，可按泥岩取值。所以，建议在实际工程中，层厚对水平砂泥岩互层岩体黏聚力的影响规律要区分不同层厚比来确定。

图5 层厚对岩体黏聚力的影响Fig.5 Influence of the same thickness ratio and different thicknesses of layers on the cohesion of rock mass

4.2 层厚对岩体内摩擦角的影响

层厚比相同时，岩层厚度对水平砂泥岩互层岩体有明显的影响(图6)。当层厚比在0.1～0.75时，随着岩层厚度的减小，水平砂泥岩互层岩体内摩擦角的变化范围较大，具体取值建议根据实际情况或试验确定；层厚比为0.75～2时，随着岩层厚度的减小，其变化不明显，且趋近于泥岩的内摩擦角，可按泥岩取值。

图6 层厚对水平砂泥岩互层岩体内摩擦角的影响Fig.6 Influence of the same thickness ratio and different thicknesses of layers on the angle of the internal friction of rock mass

4.3 层厚对岩体变形特征的影响

图7为砂泥岩层厚度比为0.5、分层数分别为2，4，6，8层试件的破坏模式，其在模拟结束时的应变值分别为1.502 9×10-1，1.039 2×10-1，1.023 9×10-2以及1.014 5×10-1。结果表明：随着互层岩体岩层厚度的减小，岩体变形量逐步减小，并且变形范围由分层数为2时的泥岩破坏扩大至砂泥岩共同破坏。砂岩层厚度为1.333 m、泥岩层厚度为0.667 m时岩体的变形量大约是砂岩层厚度为0.333 m、泥岩层厚度为0.167 m时的1.5倍，可见岩层厚度的改变对砂泥岩互层岩体变形量的影响较明显。

图7 不同层厚情况下岩体的变形特征Fig.7 Deformation features of rock mass with the same thickness and different thicknesses of layers

5 结论

(1)通过数值试验发现，层厚比对水平砂泥岩互层岩体的抗剪强度参数和变形特征有显著影响。以0.75为界，小于0.75时，层厚比越小黏聚力越大，内摩擦角的变化范围也比较大；大于0.75时，黏聚力则不随层厚比增加而继续削弱，内摩擦角在20°上下变化。即对于层厚比大于0.75的水平砂泥岩互层岩体抗剪强度参数按泥岩取值是可行的；当层厚比在0.75以下时，则需要考虑硬岩对砂泥岩互层岩体的黏聚力的增大效应，岩体黏聚力可按1～4倍的泥岩黏聚力取值，岩体内摩擦角仅按泥岩取值不客观，应根据实际情况或试验等确定。

(2)在层厚比不变的情况下，层厚对互层岩体的抗剪强度参数影响显著。层厚比小于0.2时，互层岩体的黏聚力随层厚变化较大，不应仅按泥岩取值，具体参数应根据实际情况或试验确定；层厚比大于0.2时，黏聚力随层厚的变化较小，可按泥岩取值。层厚比小于0.75时，互层岩体的内摩擦角随层厚变化较大，也说明仅按泥岩取值不客观；层厚比大于0.75时，岩体内摩擦角随层厚的变化较小，不管层厚如何变化，均可按泥岩的内摩擦角取值。

(3)水平砂泥岩互层岩体的变形特征也与岩体层厚比和层厚有关。厚度比较小时，岩体变形发生在砂岩层，破坏范围较大，随着厚度比的增大，其变形破坏发生在软岩部分，硬岩部分基本不出现变形或出现少量变形；若岩体层厚比不变，层厚减小，岩体的变形范围变大。