兩種巖體結構面抗剪強度參數取值方法對比分析

蔣明杰

巖石抗剪強度通常分為巖塊、巖體與結構面強度。巖塊抗剪強度是指不包含節理裂隙在內的巖石強度，強度相對最高;巖體抗剪強度考慮了巖石中存在的節理裂隙，強度相對較低;結構面強度是指巖體中結構面強度，強度最低。對于巖體邊坡來說，結構面強度往往起著控制作用，所以確定結構面的抗剪強度成為穩定分析中最重要的事情［1］。

為準確的確定結構面的抗剪強度參數，國內外廣大學者已經做過大量的研究，提出了經驗法、反算法、試驗法等幾種方法。其中試驗法是最有效、最準確的確定方法，但有些工程由于受到條件限制，無法進行現場原位試驗，或很難直接得出與實際相符的強度指標［2］，本文只討論經驗法和反算法。本文就同一邊坡結構面進行計算分析，確定結構面計算參數c，φ值，并對比兩種方法的差異。

1 分析方法

1.1 經驗法

經驗法是目前應用最廣泛，也是諸多國標規范中采用的，表1列出文獻［3］中有關結構面參數的取值。

應用此方法時，首先根據現場調查結構面的張開度、膠結及充填情況，查表2判斷結構面的結合度，再查表1確定結構面抗剪強度指標的范圍，最終確定一組值。此方法對個人經驗、地區經驗、現場調查的詳細程度的要求較高。

表1 結構面抗剪強度指標標準值

表2 結構面的結合程度

1.2 反算法

反算法是通過已知穩定系數及結構面等條件情況下，反算結構面的抗剪強度參數。

反算的方法一般分為兩種，一種是反算整個結構面抗剪強度參數的平均值，反算采用的公式視滑面來定，由于c，φ值是兩個未知數，因而必須先假定一個未知數，再求另一個未知數;另一種反算法的基本原理是視滑坡將要滑動而尚未滑動的瞬間坡體處于極限平衡狀態，列出滑坡主軸斷面的極限平衡方程求取結構面的強度參數c，φ值。徐邦棟等人已經對滑坡在不同發育階段的安全系數推薦值做過深入研究，采用極限平衡理論分析，當滑坡處于剛滑動階段時，取其穩定系數為 1.0［4－6］;同時，采用邊坡出現失穩跡象的最高水位作為反算的地下水位，選擇結構面作為反算的滑面。

文獻［1］中提出，為了用一個公式求一個未知數，按滑體厚度假定粘聚力c值，如表3。

表3 滑體厚度與粘聚力c值

應用此方法時，要根據現狀邊坡的變形特征來選取穩定性系數，根據邊坡高度和滑體厚度來選取粘聚力c值。這兩個對反算法計算結果起著決定性影響的數值的選取也是根據經驗來進行的。

2 工程實例

2.1 工程概況

貴州省威寧縣某公路邊坡k0+480～k0+520段右側，邊坡高H約為33.3 m，頂部為0.5～1.5 m土層，下部為石灰巖，巖體呈中風化，節理裂隙發育，寬度0.2～10 cm不等，巖屑充填，偶見溶蝕蜂孔、晶洞。巖體較完整，鉆進穩定，巖芯以短柱狀、長柱狀為主，少量塊狀。重力密度γ=26 kN/m3。根據巖石飽和抗壓強度試驗報告，為較硬巖。巖體結構面外傾，產狀為40∠30。開挖邊坡坡率為1∶0.75，即坡角為 53.13°。

坡面形式如圖1所示。

分析該邊坡滑動方式及上部土層的破壞形式，考慮最不利情況，把邊坡頂部土層看作與下部巖性一致的石灰巖。由于邊坡巖性一致，考慮巖質邊坡滑動的特性，假定巖體按平面滑動，穩定系數可按下式計算:

圖1 邊坡平面滑動法計算簡圖

式中:Ks為穩定系數;W為滑動巖體重，kN;α為滑面傾角，(°);c、φ 為滑面粘聚力，kPa、摩擦角(°)。

2.2 經驗法確定結構面抗剪強度參數

查表2可知，該結構面為結合程度一般。查表1可知，結構面抗剪強度指標中摩擦角φ(°)值宜取18～27，粘聚力c(kPa)值宜取90～50。結合表1標注，可取 φ =18°，c=50 kPa。

滑動巖體重:

結構面長度:

計算得W=14 156.78 kN，L=66.6 m，代入式(1)則邊坡穩定性系數Ks=1.03。

2.3 反算法確定結構面抗剪強度參數

采用極限平衡理論分析，取邊坡將要滑動而尚未滑動的瞬間穩定性系數Ks=1.00。假定傾角為α的結構面為滑坡主軸斷面。按滑體厚度假定粘聚力c值有著豐富的實踐經驗。

滑體厚度:

根據表3假定結構面內聚力值，c=16.5 kPa。

則由式(1)可得:

由式(4)可得: φ =26.04°。

反算法計算出的內摩擦角數值與經驗法取值存在著差異。產生此情況的主要原因是反算法計算過程中的Ks、c值都是根據現場情況假定的，它們的取值過程也與人的主觀因素有關。

2.4 兩種方法取值對比

兩種取值方法的計算得出的參數對比如表4。

表4 坡高33.3 m的參數取值

可見，由經驗法計算出的邊坡穩定性系數在與反算法給定的穩定性系數一致時，兩種方法所確定的結構面抗剪強度參數有較大的差異。但此時反算法計算出的φ值在經驗法推薦的φ值取值范圍內。

3 討論

分別調整上述邊坡的高度為H=15 m、H=50 m，用反算法計算時選取不同的穩定性系數計算得出結果進行對比。如表5、表6。

表5 坡高15 m的參數取值

表6 坡高50 m的參數取值

可見，隨著邊坡高度的變化，應用經驗法時結構面抗剪強度參數取值不變，但邊坡穩定性系數有很大變化;應用反算法時，粘聚力c值隨著坡高變化，摩擦角φ值則隨著選取的穩定性系數變化。因此在應用反算法時，如何選取一個可靠的穩定性系數對于準確計算結構面參數是很重要的。

邊坡越穩定，穩定性系數越大，用反算法時穩定性系數就越難準確取值，計算出結構面的c、φ值與實際相差較大，確定的參數對工程意義相對較小，此時不宜用反算法;邊坡越危險，穩定性系數越小，此時根據邊坡變形特征可較準確選取穩定性系數值，并且能較準確確定滑面位置，因此用反算法可較準確確定滑面c、φ值，對工程有較大的實際意義，故此時宜用反算法。

4 結論

1)經驗法確定的結構面抗剪強度參數依據個人經驗、地區經驗、現場調查的詳細程度等取值，不同的人取值會有很大的差異;反算法計算出的結構面抗剪強度參數與所取穩定性系數有關。實際工作中應結合結構面室內試驗資料和兩種方法取值，綜合確定結構面抗剪強度參數。

2)經驗法更適用于新開挖邊坡和較穩定邊坡的防護設計中，反算法更適用于現狀危險滑坡治理中。

［1］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［2］任偉中，金亞兵，馮光平，等.滑(邊)坡穩定性評估探討［J］.巖土力學，2010(7).

［3］GB 50330－2002，建筑邊坡工程技術規范［S］.

［4］曾 鈴，蔣中明，付宏淵.邊坡潛在滑動面抗剪強度參數反演研究［J］.中外公路，2011(2).

［5］童志怡.巖質邊坡滑動面力學參數的取值理論和方法研究［D］.北京:中國科學院研究生院，2009.

［6］鄭明新.論滑帶土強度特征及強度參數的反算法［J］.巖土力學，2003(4).