白垩系泥岩抗剪强度指标的确定

冯建国

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

中生界白垩系沉积岩在华北地区分布较为普遍，岩性为紫红色、灰绿色泥岩。 泥岩相对其他岩性来讲属软弱岩，特别是岩体遇水软化，强度降低，会对上部结构和边坡稳定产生不利影响，因此，获得可靠的泥岩抗剪强度指标， 满足地基或边坡等设计要求显得尤为重要。目前，测定岩体的抗剪强度指标还是以原位岩体直剪试验方法为主要手段， 通过现场试验获得泥岩在不同剪应力状态下的内摩擦系数tgφ和黏聚力C。

1 场地选择

某地下广场基坑开挖至设计建基面以上0.5m左右，出露多为中生界白垩系沉积为紫红色泥岩，少量灰绿色泥质粉砂岩和粉砂岩， 基坑北侧为一排混凝土灌注桩，桩径1.2m，桩距1.5m，试验场地以下埋深约10m，适合做可靠的反推后座，是进行原位岩体直剪试验的较佳场地。

2 地层岩性

试验场地出露的地层为中生界白垩系王氏组沉积岩， 岩性为紫红色泥岩和灰绿色泥质粉砂岩和粉砂岩。

2.1 泥岩

紫红色，泥质结构，层状构造，主要矿物成分为黏土和高岭土，具有微膨胀性，遇水易软化，泥岩呈弱风化状态，强度低，试验场地分布普遍。

2.2 泥质粉砂岩和粉砂岩

灰绿色、紫红色，细粒结构，层状构造，主要矿物成分为黏土和石英，多为泥质胶结，泥质粉砂岩和粉砂岩呈弱风化状态，强度较低，试验场地分布较少，多呈透镜体状。

岩层产状：NW290°，SW∠25°。

节理产状：①NE70°，SE∠85°。 ②NW325～355°，NE∠85°。

3 试验方法

试验方法采用常规平推法，在天然条件下进行。

4 试验参数确定

4.1 垂直载荷的施加方法

计算最大载荷约200kN，设计最大载荷按250kN考虑。 将最大垂直载荷按照等差级数分成5级，分别作为5个试体的预定垂直载荷。 其加载量如表1。

表1 垂直载荷加载分级

4.2 剪切载荷的施加方法

根据公式Qmax=（C+σ×tanφ）×F，每个试体上的法向压应力不同，其最大剪应力亦不同，各试体最大剪应力如表2。

表2 水平载荷加载分级

各试体剪切载荷按照表2中推荐最大剪切载荷的10%分级施加。

5 试验成果整理

（1）根据原始记录，计算在各级垂直载荷和水平载荷下的法向应力和剪应力。

（2）剪切面上的应力按下式进行计算。

σ=P/F τ=Q/F

式中 σ为作用于剪切面上的法向应力（MPa）；τ为作用于剪切面上的剪应力 （MPa）；ε为剪切位移（mm）；P为作用于剪切面上的总法向载荷 （N）；Q为作用于剪切面上的总水平载荷 （N）；F为剪切面积（m2）。

（3）绘制各法向应力（σ）下的剪应力（τ）与剪切位移（ε）关系曲线，抗剪断剪应力与剪切位移（τ～ε）关系曲线如图1，抗剪剪应力与剪切位移（τ～ε）关系曲线如图2。

图1 抗剪断剪应力与剪切位移关系曲线

图2 抗剪剪应力与剪切位移关系曲线

从τ～ε关系曲线可以看出试体的破坏形式基本为弹塑性破坏。

（4）根据τ～ε关系曲线，确定各法向应力下的抗剪断峰值强度、比例强度、残余强度和抗剪峰值强度，如表3～表4。

表3 各法向应力下抗剪断和抗剪的峰值强度

表4 各法向应力下抗剪断残余强度及比例强度

（5）根据所选的τ值与相应的正应力σ值，绘制各剪切阶段特征点的剪应力与法向应力关系曲线：抗剪断峰值强度与法向应力（τ～σ）关系曲线，抗剪断残余强度与法向应力（τ～σ）关系曲线，抗剪断比例强度与法向应力（τ～σ）关系曲线如图3，抗剪峰值强度与法向应力（τ～σ）关系曲线如图4。

图3 抗剪断各特征点强度与法向应力关系曲线

图4 抗剪峰值强度与法向应力关系曲线

（6）利用库伦表达式τ=σtgφ+C用最小二乘法（Excel中拟合曲线）确定相应的抗剪强度指标tgφ和C值，试验成果如图3，图4。

6 试验成果分析

6.1 τ～ε关系曲线

抗剪断试验在不同的法向载荷应力下破坏形式大体相同， 从τ～ε关系曲线可以看出均属于弹塑性破坏如图1。 在试验初始阶段，随着水平载荷（剪应力）的增加，剪切位移量不大，τ～ε关系曲线近似呈直线型，当水平载荷（剪应力）增加至一定值时，试体马上破坏，剪切位移突增，水平载荷陡降，经过较大剪切位移后，水平载荷趋于稳定。 从表3、表4中的数据比较得出：抗剪断的残余强度仅为其相应法向应力下峰值强度的0.37～0.50倍。 抗剪剪应力与剪切位移关系曲线中除试体1外， 其余试体破坏形式基本相同。 当水平载荷（剪应力）逐渐增加一定值时，试体破坏，水平位移突增。 试体1竖向载荷较大，破坏形式与其他试体差异明显，破坏以后，随着水平位移的增加，水平载荷出现了增加的情况，分析与剪切面起伏差较大有关。 试体破坏总体表现为弹塑性破坏。

6.2 τ～σ关系曲线

抗剪断峰值强度和抗剪峰值强度大都有一定的规律性，本次试验各点分布比较集中，不存在分布较异常的点，可以反映正常情况。

7 抗剪（断）强度指标确定

试验岩体抗剪断破坏均属于弹塑性破坏， 岩体抗剪断强度指标按峰值强度取值， 抗剪强度指标按残余强度与比例强度二者的小值或抗剪试验的峰值强度取值。 按照上述原则， 岩体抗剪断内摩擦系数tgφ为1.02、 黏聚力C为79kPa； 岩体抗剪内摩擦系数tgφ为0.42、黏聚力C为33kPa，如表5。

表5 直剪试验强度指标