含节理泥质粉砂岩强度特征试验研究

李 进，陈 波，许宝田

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210022；2.上海勘测设计研究院有限公司 上海 200434；3.南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210046)

南京秦淮东河工程在铜家山段开挖后形成的人工边坡最大高度接近70m。三叠系黄马青组(T2h)是该河道段内厚度最大的地层，为影响未来边坡工程最主要的岩层，岩性以紫红色泥质粉砂岩为主。岩体中含有2组节理，节理面被泥质和铁质胶结物充填，强度较低。河道开挖后边坡稳定性受节理面强度的影响大，必须对其力学性质进行深入研究，为边坡稳定性评价提供依据。

很多学者针对单一节理影响下节理岩体强度和变形问题开展了大量的研究工作。如邓华锋等[1- 3]通过室内制样进行直剪试验，提出了利用单试件法确定试样抗剪强度参数的分析法，并讨论了结构面形态特征对结构面和岩体抗剪强度的影响，得到了完整岩块强度、结构面粗糙特性、胶结情况等基本地质因素对岩体强度影响较大的结论。樊立敏等[4- 6]对含节理的岩体采用三轴抗压法开展抗剪强度研究，得到岩体强度非线性的特征，并对不同强度准则进行了对比，发现低正应力条件下线性Mohr-Coulomb准则将高估岩石节理的剪切强度。李宏哲等[7- 8]对含节理大理岩体的变形和强度特征开展试验研究，发现节理面与主应力的夹角对岩体的变形和强度起决定作用，不同节理强度差异是导致不同试件破坏强度差异的主要原因。综合已有研究成果不难发现，在关于含节理岩体的力学性质研究中[9- 12]，大家主要把精力放在研究节理的强度特征上，且试验研究的对象大多为硬质岩石，通过节理力学性质的分析进而基于理论或试验得到岩体的强度参数。

本文结合南京秦淮东河新开河道边坡工程稳定性分析的要求，对开挖工程涉及的紫红色泥质粉砂岩进行三轴压缩试验，进而研究该类岩石的强度特征，为本工程及类似软岩高边坡开挖后的变形和稳定性分析及开挖设计提供相关力学参数。

1 试验样品及试验概况

试验样品取自南京秦淮东河工程三叠系黄马青组(T2h)紫红色泥质粉砂岩，岩石中粘土矿物含量一般在6%～15%左右。岩体中结构面除层面外还有2组节理，一般为铁质或泥质胶结，胶结强度较高。完整岩块饱和单轴抗压强度一般小于25MPa，大多小于15MPa，属于软岩。

利用钻孔所取岩芯制作标准圆柱样(高度为10cm，直径为5cm)，部分样品在饱和过程中沿节理面发生开裂，为了模拟天然条件下的岩石状态特征，本文选取6个未开裂的样品进行抗压强度试验，其中5个有贯穿节理，1个为完整岩块，代表性样品如图1所示。

图1 粉砂岩样品照片

将样品装入压力室中，施加围压至设定水平后再施加轴压，轴向加载过程中保持围压稳定，并记录轴向应力-应变值，试验操作严格执行SL 264—2001《水利水电工程岩石试验规程》相关规定。

试验分2种情形：

(1)单轴压缩试验

为了进行对比分析，分别对不含节理和含节理的样品进行单轴循环加载抗压试验。

(2)三轴压缩试验

将含节理的岩样用热缩管包裹后放进三轴仪压力室，当试验中记录的曲线上应力过峰值后，进入残余阶段或出现应力陡降现象时，卸除轴向荷载并结束试验。

2 试验结果

单轴循环加载每级荷载增量为2～3MPa，加载至岩样破坏后得岩石样品应力-应变关系全过程曲线及包络线，如图2所示。

图2 岩石单轴循环加载压缩应力-应变关系曲线

试验中围压设置为2、6、10、15MPa，节理面与最大主应力面夹角为51°～67°。根据三轴压缩试验记录，在ε-σ坐标系中绘制不同围压下含节理样品应力-应变关系曲线如图3所示。分析结果表明，一般随围压增大，岩石峰值抗压强度逐渐增大，其中围压为2、15MPa时，峰值后有明显的应力降。根据破坏后样品特征，含节理的样品破坏后剪切面均沿所包含节理面剪切错动，样品破坏后照片如图4所示，表明节理对岩石变形和强度起控制作用。

图3 三轴压缩加载应力-应变关系曲线

图4 破坏后样品

含节理的岩石均沿节理面发生剪切破坏，而在单轴压缩试验中，不含节理的完整岩块发生剪切的破坏面与加载平面夹角约为50°～70°，如图4(b)所示，破坏面不平整。从岩石破坏的情况来看，破坏面与最大主应力面夹角大于45°，可认为岩石发生剪切破坏，而非拉裂破坏，故可认为样品强度特征服从Mohr-Coulomb强度准则。

试验完成后测量发生剪切破坏的节理面与最大主应力(σ1)面的夹角(β)，由应力-应变曲线，得岩块在不同围压(σ3)下破坏时轴向的峰值应力和残余应力结果见表1。试验前从岩石外观上来看，岩样侧面出露的节理近平直，但从破坏后结构面形态来看，原本紧密结合的节理面表面有被粉碎痕迹，剪切错动过程中，节理面上有小凸起被剪断，表明结构面表面粗糙起伏，结构面的强度受两侧壁岩的强度影响，上部靠近压力机承压板处完整岩块中有与节理交叉的剪切裂纹出现。

表1 试验三轴压缩试验成果

3 强度特征

3.1 结构面抗剪强度

若节理面AB与最大主应力面夹角为β(°)，岩石沿节理面发生剪切破坏时(图5)，则图中结构面上的正应力和剪应力分别为：

图5 含节理岩石样品示意图

(1)

(2)

式中，σj、τj—节理面上的正应力和剪应力，MPa；σ1、σ3—最大和最小主应力，MPa。

根据Mohr-Coulomb准则，极限状态下，剪切面上的正应力和剪应力关系如下：

τj=σjtanφj+cj

(3)

式中，φj—节理面的摩擦角，(°)；cj—粘聚力，MPa。

根据式(1)和(2)计算岩石三轴压缩破坏时不同样品节理面上的正应力和剪应力关系，如图6所示，对数据结果进行线性拟合得结构面摩擦角和内聚力指标峰值(φjp=39.4°，cjp=4.0MPa)和残余值(φjr=38.1°，cjr=3.58MPa)。线性拟合相关系数达到0.99以上，表明试验结果线性相关性好。

图6 节理面上正应力和剪应力关系

3.2 岩体抗剪强度

岩石力学理论中[13]将不含显著结构面的岩石称为岩块，而含显著结构面的岩石称为岩体，为了进行对比，本文对不考虑结构面影响的岩体强度做简要分析。根据强度理论，岩石在3向压力下破坏时的主应力关系可用下式表示：

σ1=mσ3+b

(4)

式中，m=tan2(45+φ/2)；b=2ctan(45+φ/2)；c、φ—岩体的内聚力和摩擦角。

岩体的强度指标(φ，c)与m、b的关系可用下式表示：

(5)

(6)

岩石破坏后的主应力峰值和残余值如图7所示，线性拟合后可得m和b的值，与结构面拟合结果相似，相关性系数达0.99以上，线性相关性程度高。由(4)和(5)式反算后即可得岩体的强度指标峰值(φp，cp)和残余值(φr，cr)分别为：φp=39.9°，cp=5.0MPa和φr=38.2°，cr=4.75MPa。

图7 岩石破坏时主应力关系

3.3 岩体强度特征

从试验数据分析结果来看，岩石节理面和岩体的2个强度指标中，摩擦角的数值非常接近，而内聚力则有一定差距，节理面的内聚力比岩体小1.0MPa以上，该类岩石属于软岩到极软岩，总体强度偏低，结构面的内聚力远远小于岩体的内聚力，岩石颗粒之间胶结引起的粘结强度大于结构面胶结强度。虽然黄马青组地层岩石属软岩类型，但岩体开挖后沿结构面发生剪切破坏的可能性更大。

三轴压缩条件下，当岩体沿结构面发生剪切破坏时，根据强度理论，可以根据结构面强度参数由下式计算在围压作用下岩体的抗压强度(σ1c)：

(7)

同时，不考虑岩体中节理影响时，可根据岩体抗剪强度指标，可由式(3)计算岩体抗压强度。

结合前文分析得到的结构面和岩体的强度指标，由式(3)和(7)两种方法计算得到的岩石三轴压缩强度结果见表2。结果表明理论值与实测值之间有一定的误差，特别是考虑围压为0时，误差接近30%，表明由上述公式计算得的强度比实际值偏高。而围压较高时(10～15MPa)误差则相对小很多，表明围压对岩体强度影响较大，且高围压条件下，由结构面相关参数计算得到的岩体三轴压缩强度误差要小于由岩体强度参数计算的结果。低围压条件下Mohr-Coulomb准则高估了岩石节理剪切强度，而随着围压增大，结构面对岩体抗压强度的影响逐渐降低。这一结论也与前文所提到的参考文献中认为低应力条件下线性Mohr-Coulomb准则高估岩石节理剪切强度的结论一致。

4 结论

本文通过对南京秦淮东河工程中黄马青组泥质粉砂岩取样进行三轴压缩试验研究，分析了含节理岩石的变形和强度特征，得到如下结论：

(1)黄马青组泥质粉砂岩在分类上属于软岩，三轴压缩试验和强度特征分析结果表明，节理面对岩石的强度影响显著。

(2)结构面和岩体抗剪强度指标中，摩擦角数值上非常接近，而内聚力则相差达1MPa以上，表明节理面胶结强度小于岩石颗粒间的胶结强度。

(3)低围压下，三轴试验得到的岩石抗剪强度指标误差较大，随着围压增大，结构面对岩体的强度影响减小。

表2 岩石破坏时强度实测值和理论值比较