软弱夹层含水率对岩体抗剪强度影响机制试验研究

唐 林，吴道勇，韦 洪，陈 璠

(1.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025；3.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

软弱夹层力学性质较差，其与结构面间的相互作用大幅度降低了岩体的抗剪强度，影响岩体稳定性，是诱发各种工程地质灾害问题的重要因素之一，含软弱夹层岩体的稳定性问题一直是岩土工程领域研究的重点。据文献资料知，国内外已发生数起因软弱夹层引起的地质灾害问题，带来严重的损失和灾难。在2009年，我国重庆市武隆县铁矿乡红宝村发生沿斜倾软弱夹层整体滑动的特大型岩质滑坡灾害，造成了74人遇难、8人受伤的特大灾难[1]。2003年，我国千将坪滑坡造成14人遇难，10人失踪，近千人受灾，造成直接经济损失高达5 735万[2]。在国外，软弱夹层的赋存曾引起美国宾州Austin坝、法国Malpasser坝等坝基破坏[3]。因此，深入开展软弱夹层对结构面抗剪强度的影响机制试验研究，可为工程设计和灾害防治奠定基础，对保障人民生命财产安全具有重要意义。

软弱夹层在工程活动中的影响一般体现在地下工程活动中隧道洞室围岩的垮塌、边坡的失稳滑移破坏以及坝基岩体的失稳破坏等，强降雨作用是诱发含软弱夹层岩体破坏的重要因素，大批学者研究了软弱夹层含水率对岩体强度特性的影响。李鹏等[4]研究了含水率对软弱结构面剪切蠕变特性的影响认为，随着含水率的升高，软弱夹层抗剪强度降低，软弱结构面剪切蠕变性能被弱化；He等[5]对不同降雨条件下软弱夹层顺层岩质边坡失稳过程进行的模型试验结果表明，随着降雨量的增加，软弱夹层逐渐软化，受上部岩体引力场的影响产生应力集中，形成沿软弱结构面滑动剪切变形；Yang等[6]研究了强降雨条件下软弱夹层顺层岩质边坡的动力响应和稳定性发现，软弱夹层的抗剪强度由于水的软化作用而降低，孔隙水压力的变化是导致软弱夹层抗剪强度减小的主要动力因素；Sun等[7]分析了含软弱夹层的降雨型滑坡的变形过程和水力特征表明，饱和状态下软弱夹层强度大大降低，边坡在降雨作用下极易发生破坏；Li等[8]进行的倾斜软弱夹层对层状岩质边坡降雨响应的影响的研究结果表明，在同一降雨量条件下，含弱夹层的边坡的位移量是没有弱夹层边坡的2.8～6.2倍；Hu等[9]考虑地下水和软弱夹层的影响，采用模型试验和数值分析对围岩破坏模式进行的研究认为，水在夹层中加速滑移和裂缝的发展诱发围岩破坏。此外，也有学者研究非饱和土对峰值强度的影响[10]。Hamid等[11]通过直剪试验对非饱和土界面抗剪强度进行了研究。然而，软弱夹层在岩体中的力学行为实质上主要表现在土与结构面在力作用下发生的变形破坏行为，室内研究一般采用物理模型试验揭示软弱夹层结构面的力学性能。Chen等[12]、Kwak等[13]研究了土-混凝土界面剪切性能；Hossain等[14]研究了压力注浆水泥土界面的剪切特性；Indraratna等[15]研究了压实填料对岩石节理抗剪强度的影响。也有学者通过对土-岩石界面的剪切特性研究认为，土-岩石界面剪切特性受界面形态影响[16]；Hu等[17]对土-结构界面剪切破坏模式进行的研究认为，界面剪切过程中存在2种不同的破坏模式。

以上学者的研究侧重于降雨条件或夹层土与结构面的力学行为，然而综合考虑软弱夹层含水率与岩石天然结构面相互作用对岩体强度影响的研究却较少。为更好地评价不同含水率软弱夹层对岩石天然结构面抗剪强度的影响，本文取工程场地含软弱夹层的天然岩体制备试验岩样，在不同含水率条件下进行直剪试验，研究不同含水率的软弱夹层与岩石接触面的抗剪强度特性，为相关工程设计提供理论依据。

1 试验方法

1.1 试验装置

试验采用便携式岩石直剪仪，其上下剪切盒尺寸均为15 cm×15 cm×7.5cm(长×宽×高)。水平和竖直压力传感器精度均为0.01 kN，水平位移传感器精度为0.01 mm。试验过程中采用YY- 8岩土力学试验数据采集仪进行数据采集，采样间隔为10 ms。试验装置见图1。

图1 试验装置

1.2 试样制备

试验所使用的岩石取自贵阳花溪梦溪路保利西湖附近边坡，岩性为三叠系中统花溪组(T2h1)泥质白云岩。将现场取回的岩石样品保留1个天然结构面，制成尺寸约为长×宽×高=14.8 cm×14.8 cm×7.0 cm的立方体岩样。夹层充填材料为红黏土，天然密度为1.88 g/cm3，塑限wP=19.3%，液限wL=55.1%。将原状红黏土试样烘干过2 mm筛后重新配制成含水率w分别为20%、30%、35%和40%的土样充填至2块岩样天然结构面之间，模拟软弱夹层对岩体强度的影响。试验过程中，保证每次试验软弱夹层具有相同的充填厚度(平均厚度为10 mm)，以减小厚度差异对试验结果的影响。试验岩体见图2。

图2 试验岩体

1.3 试验设计

每种含水率分别在4个正应力水平(100、200、300 kPa和400 kPa)下开展试验，且剪切过程中控制正应力恒定直至试验终止。试样安装完成后，根据试验所需的正应力大小，施加竖向正应力使充填土体充分固结。最后，通过液压泵均匀施加横向力进行剪切，采用YY- 8岩土力学试验数据采集仪记录试验过程中的剪切位移和剪切应力。当剪切应力-剪切位移曲线突然掉落且持续衰减或剪切位移达到20 mm时，认为试样已破坏，即可终止试验。

2 试验结果分析

不同正应力水平下试样剪切位移与剪切应力关系见图3。从图3可知，在相同含水率下，剪切应力均随正应力的增加而增大，且同种含水率剪切位移-剪切应力曲线变化趋势基本一致。各含水率下的位移应力曲线可分为2个阶段，第I阶段，剪切应力随剪切位移的增大几乎呈线性关系迅速增大；第II阶段，随着剪切位移的增加，剪切应力总体变化趋势几乎不变或仅有少量的增加，处于相对稳定阶段，试验后期应力曲线出现少许掉落衰减。曲线主要表现为无峰型，软弱夹层的峰值剪切应力即为残余强度。分析可知，含软弱夹层岩体的抗剪强度与含水率和正应力水平有关。

图3 试样剪切应力-剪切位移关系

为了进一步研究软弱夹层含水率对岩体抗剪强度的影响，提取不同试验条件下的峰值抗剪强度，绘制峰值抗剪强度随含水率变化的关系，见图4。从图4可以看出，软弱夹层含水率相同时，在相对较高的正应力水平下，软弱夹层的强度能得到充分发挥，从而使得峰值抗剪强度随着正应力的增加而增大；相同正应力水平下，软弱夹层峰值抗剪强度主要受含水率控制，随着含水率的增加呈现逐渐减小的趋势。

图4 不同正应力水平下峰值抗剪强度随含水率的变化

3 含水率对含软弱夹层岩体抗剪强度的影响机制

3.1 含软弱夹层岩体剪切过程概化

不同含水率软弱夹层的剪切应力-剪切位移曲线概化为2个剪切阶段(见图5)。在第Ⅰ阶段，剪切应力在较小的剪切位移条件下迅速从原点A增大到B点，应力曲线表现为剪切硬化型；随着剪切位移的持续增加，第Ⅱ阶段软弱夹层显现为塑性流动的特征，剪切应力几乎不变或仅有少量增加；试验后期剪切应力增加到峰值C点后偶有掉落或逐渐衰减的现象。

图5 软弱夹层剪切位移-应力关系

=为进一步研究软弱夹层含水率对岩体抗剪强度的影响，提取不同含水率在不同正应力水平下B点和C点对应的剪切位移和剪切应力值，见表1。由B、C点线性拟合获得的各含水率下斜率KBC随含水率的变化关系见图6。从图6可知，在相同正应力水平下，斜率KBC总体趋势上随含水率的增加而增大，相同含水率下斜率KBC随正应力的增加而增大。这说明相同正应力水平下含水率的增加以及相同含水率下正应力水平的增加，均对剪切应力的增长速率具有促进作用，使得含软弱夹层岩体的剪切应力迅速增加达到其峰值抗剪强度，导致岩体剪切破坏，这就是在含软弱夹层岩体的斜坡中，当遇强降雨天气时容易发生失稳破坏导致滑坡等地质灾害的原因。但含水率和正应力水平促进抗剪强度增长速率的内在机制尚需进一步研究。

表1 各含水率在不同正应力下B点和C点的位移及剪切应力

图6 不同正应力下斜率KBC随含水率的变化关系

3.2 软弱夹层含水率对岩体剪切破坏的影响机制

试验发现，含软弱夹层的岩体在剪切试验过程中主要存在2种剪切破坏模式：一种是在低含水率(20%)条件下，岩体剪切破坏滑移面发生在软弱夹层土内部的土-土剪切破坏；另一种是在高含水率(40%)条件下，岩体剪切破坏滑移面主要为沿结构面破坏滑移的土-结构面破坏。剪切破坏模式见图7。图7中，N为正应力；T为剪应力。出现这2种破坏模式的原因主要是由于岩石结构面有一定的粗糙度，在低含水率条件下，软弱夹层土与结构面的咬合紧密，当施加横向剪力时，沿夹层土内部剪切破坏滑移；然而在高含水率条件下，夹层土与结构面的咬合状态差，咬合力较小，且水分在软弱夹层与结构面之间的液膜形成良好的润滑效果，故施加横向力剪切时更容易导致沿结构面发生剪切破坏滑移。这种现象揭示了含软弱夹层岩体因强降雨发生滑坡等地质灾害，其破坏模式主要是沿结构面的剪切滑动破坏，同时也是不同含水率下峰值强度差异变化的原因。

图7 剪切破坏模式

软弱夹层含水率对岩体抗剪强度的影响可采用M-C强度准则和有效应力原理进行解释。岩体抗剪强度受正应力、孔隙水压力和强度参数内聚力c和内摩擦角φ的影响。低含水率条件下软弱夹层处于非饱和状态，试验过程中将产生负孔隙水压力，有利于岩体稳定；然而高含水率条件下软弱夹层趋于饱和状态，随着剪切试验的进行，软弱夹层与结构面之间将产生正的超孔隙水压力，超孔隙水压力的出现导致有效应力减小，从而削弱了岩体的抗剪强度，且含水率越高，超孔隙水压力作用现象越明显，对岩体强度削弱越强烈，从而解释了高含水率条件下含软弱夹层岩体的峰值抗剪强度迅速降低的现象。此外，含软弱夹层岩体的抗剪强度与软弱夹层性质和上下岩块的接触咬合状态有关。剪切应力主要依赖软弱夹层的抗剪强度，受控于软弱夹层的含水率，较高的正应力能使软弱夹层的强度充分发挥，导致剪切应力峰值随正应力的增加不断增大；而低正应力条件对软弱夹层的约束作用有限，低正应力作用下，上下岩石结构面与夹层土的相互接触咬合状态较差，这种接触状态下能够提供的抗剪强度相对较小。但在相同正应力条件下，随夹层土含水率的增加，峰值剪切应力均逐渐减小。公式为

τ=(σn-u)tanφ+c

(1)

式中，τ、σn和u分别为岩体抗剪强度、正应力和孔隙水压力。

根据M-C强度准则，岩体抗剪强度由内聚力c和内摩擦角φ及正应力σn相互作用下共同决定，拟合结果见图8，从图8可知，相同含水率状态下，峰值抗剪强度与正应力呈正相关；相同正应力条件下，峰值抗剪强度与含水率呈负相关。图9为强度参数随软弱夹层含水率的变化过程。从图9可以看出，内聚力和内摩擦角随含水率的增大总体呈现逐渐减小，表明峰值抗剪强度随含水率增大而减小的现象主要是通过内聚力和内摩擦角实现，解释了图8中峰值抗剪强度的变化原因。

图8 正应力与峰值抗剪强度的关系

图9 抗剪强度参数与含水率的关系

进一步研究发现，抗剪强度参数PSS(Parameters of shear strength)随着含水率ω的变化关系可用二次函数进行拟合，即

PSS=Aw2+Bw+PSS0

(2)

式中，A为二次项系数；B为一次项系数；PSS0为常数项。在抗剪强度参数受内聚力控制随含水率变化过程中，取PSS0=28 932，A=-8.34，B=0.06。在抗剪强度参数受内摩擦角控制随含水率变化过程中，取PSS0=344，A=1.36，B=-0.03。

在常规工频电源供电时，电机产生轴电压主要的原因是磁路不对称。导致磁路不对称的原因有很多，常见的有定转子铁心冲片的拼缝、冲片的开孔(如轴向通风孔、拉紧螺杆孔等)、冲片的定位槽以及转子偏心等。其本质是磁通闭合回路中的磁阻不对称，导致在铁心中出现了畸变的“环形磁通”，进而产生了轴电压。以下就以一台8极异步电机为例，详细说明其轴电压产生的原因。

将式(2)代入式(1)，获得抗剪强度τ与软弱夹层含水率w的关系，即

τ=(σn-u)tan(φAw2+φBw+φ0)+cAw2+cBw+c0

(3)

式中，φA、φB、φ0分别为内摩擦角拟合函数关系式中的二次项系数、一次项系数和常数项；cA、cB、c0分别为内聚力拟合函数关系式中的二次项系数、一次项系数和常数项。

由式(3)可以直接预测软弱夹层含水率对抗剪强度的影响，结果见图10。分析可知，峰值抗剪强度随含水率的变化主要通过内聚力和内摩擦角共同作用实现。在试验范围内，峰值抗剪强度与含水率呈负相关，变化趋势总体上随含水率的增加而减小，正应力越高且含水率越大时峰值抗剪强度衰减越快。但由于内聚力和内摩擦角随含水率的变化关系可分别采用开口向上和开口向下的二次函数进行拟合，存在最佳含水率wopt，当含水率wwopt时，含水率越大抗剪强度降低速率越快。正应力为200 kPa和400 kPa时，随着含水率的增加，抗剪强度首先微弱增大，然后迅速减小，最佳含水率wopt为12%左右。这种变化趋势与含水率对内摩擦角的影响有关，表明高正应力条件下，软弱夹层内摩擦角变化对岩体强度具有控制作用。

图10 含水率对峰值强度的影响

4 结 语

本文通过室内直剪试验，研究了软弱夹层含水率对岩体结构面抗剪强度的影响机制，得出以下结论：

(1)含水率和正应力水平对峰值抗剪强度有重要影响。相同含水率下，剪切应力随正应力的增加而增大，相同正应力水平下，峰值抗剪强度随含水率的增加而减小。

(3)采用M-C强度准则和有效应力原理能够很好地解释应力水平和软弱夹层含水率对岩体抗剪强度的影响。低含水率条件下软弱夹层中产生负孔隙水压力，有利于岩体稳定；高含水率、高正应力条件下软弱夹层内形成超孔隙水压力，有效应力减小，导致部分软弱夹层物质被挤出，岩体抗剪强度迅速降低。

(4)岩体抗剪强度通过内聚力和内摩擦角实现，内聚力和内摩擦角随含水率的变化关系可分别采用开口向上和开口向下的二次函数进行拟合，最终预测了含水率对抗剪强度的影响。预测结果显示，低含水率高正应力状态下(400 kPa)存在最佳含水率(12%左右)，低于最佳含水率，适当增大含水率有利于岩体稳定；但高于最佳含水率，含水率越大抗剪强度降低速率越快。揭示了高正应力条件下内摩擦角对岩体抗剪强度的控制作用。