巖體軟弱結構面傾角對巖體強度的影響研究

羅定倫

摘 要：巖體當中經常會有軟弱結構面存在，不同的軟弱結構面傾角會對巖體的強度產生重要而直接的影響，進而影響工程結構的安全與穩定。文章對常用研究方法進行了對比分析，通過模型試驗的方法對巖體軟弱結構面的不同傾角對巖體的強度進行了研究，根據試驗結果總結規律，并對工程建設當中如何減少或者消除軟弱結構面傾角對巖體強度的影響提出了建議。

關鍵詞：巖體；軟弱結構面；傾角；模型試驗

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A

一、前言

工程建設中經常會遇到不同的巖體，這些巖體都可以視為由結構體和結構面組成。結構體指巖體中被結構面切割而產生的單個巖石塊體，結構面是指存在于巖體中的各種不同成因、不同特征的地質構造界面，比如層理、解理、節理、斷層等，強度較低的結構面稱為軟弱結構面。結構面對巖體的強度等工程性質有非常不利的影響，特別是軟弱結構面的存在，將使巖體的強度顯著降低，對巖體的不利影響尤其巨大，進而影響到工程結構的安全與穩定。

軟弱結構面的組數、密度、長度、走向、傾向和傾角都會對巖體的強度產生重要影響，軟弱結構面的傾角對巖體強度具有明顯的影響。對于邊坡工程，當巖體軟弱結構面的傾角大于邊坡傾角時，邊坡極易發生順層滑坡，影響建設工程的安全與穩定。因此，在國家標準《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330-2013）中對巖質邊坡的破壞形式和巖質邊坡巖體穩定性分類時，都特別考慮了軟弱結構面對巖體強度的影響。對于基礎工程，軟弱結構面傾角將直接影響巖體的強度和破壞形式，比如，當軟弱結構面傾角成90°時，如果軟弱結構面寬度較窄，其對地基巖體的不利影響將很小，而當軟弱結構面傾角為45°時，巖質地基容易產生滑移剪切破壞。在地下工程中，由于洞室的開挖將增加地下巖體的臨空面，進而改變軟弱結構面的受力狀態，洞室圍巖很容易因為軟弱結構面自身的軟弱和傾角的不利影響而導致塌方。

從以上分析可以看出，軟弱結構面傾角對巖體強度具有重要影響，進而對工程巖體的工程性質產生不利影響。因此，對巖體軟弱結構面傾角對巖體強度的影響進行研究具有重要的意義。

二、研究方法

理論分析、數值計算、現場測試、模型試驗是土木工程領域主要的四種研究方法，這四種方法都可以用于軟弱結構面傾角對巖體強度影響的研究，但又各有所長。

理論分析的方法需要得到解析解較多，但工程實際當中，有時很難獲得解析解。數值計算就是仿真分析，可以節約大量的人力物力和時間，過程準確，但由于土木工程的一些不確定因素，輸入參數難以精確，還有模型簡化等問題，存在一定局限性。現場測試能反應工程體的實際狀況，常在工程施工過程中進行，投入較大，周期長。模型試驗可使工程中發生的現象在實驗室中再現出來，而且還可以對試驗中主要因素進行獨立控制。與現場實測相比，可進行方案的前期優化，具有省時、省力的優點。

模型試驗的意義，可從五個方面加以說明：

（1）模型試驗作為一種研究手段，可以嚴格控制試驗對象的主要參數而不受外界條件和自然條件的限制，做到結果準確。

（2）模型試驗有利于在復雜的試驗過程中突出主要矛盾，便于把握、發現現象的內在聯系，并且有時可用來對原型所得結論進行校驗。

（3）由于模型與原型相比，尺寸一般都是按比例縮小的，故制造加工方便，可節省資金、人力和時間。

（4）模型試驗能預測尚未建造出來的實物對象或根本不能直接研究的實物對象的性能。

（5）當其他各種分析方法不能采用時，模型試驗就成了現象相似性問題唯一的和更為重要的研究手段。

目前，國內陳靜曦、馮君、張忠平、楊明亮、黃潤秋等對邊坡工程巖體當中的軟弱結構面傾角對邊坡巖體的穩定性進行了研究，并提出了解決實際工程的問題的一些方法。這些相關的研究，主要采用理論計算、數值模擬、現場試驗與分析等方法。

日本京都大學足立紀尚等人模擬裂隙巖塊試驗研究了不同結構面對巖體強度的影響。這是采用模型試驗這種方法對巖體軟弱結構面進行研究的較早而又具有顯著影響的代表。西南交通大學高波等人在研究隧道抗減震模型試驗時，也曾對巖體中的軟弱結構面進行了一定的模擬與研究，是國內為數不多的模型試驗研究項目之一。

本課題的研究將通過巖體及其不同傾角的軟弱結構面的模型試驗，探索巖體軟弱結構面傾角對巖體強度影響的一般規律。

三、模型試驗

1.巖體及巖體軟弱結構面傾角的模擬

本課題研究時采用C20高鈦礦渣混凝土進行對巖體進行模擬，基配合比為：0.51∶1∶1.81∶3.68，即每方混凝土中，水175kg、水泥343kg、砂621kg、高鈦礦渣1261kg。計劃制作試件5組，每組3個，共計15個。模擬巖體的高鈦礦渣混凝土配制采用人工計量、人工攪拌方式，直到混凝土滿足和易性等要求為止。

本課題研究時，采用硬紙板模擬巖體當中的軟弱結構面，通過調整硬紙板的位置來模擬軟弱結構面在巖體當中的不同傾角。

2.模型試件的制作

模型試件采用標準的15cm試模盒進行制作，制作時應將試模盒清理干凈，并涂刷脫模劑。

試模盒準備好后即可開始灌注模型。通過調整紙板的位置及強度測試時的抗壓方向，可得到對巖體傾角分別為：0°、30°、45°、60°和90°的模擬，詳見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5。圖中斜線填充部分為紙板，用以模擬巖體結構當中的軟弱結構面，其傾角分別為0°、30°、45°、60°和90°。圖中箭頭所指方向為抗壓強度測試時荷載加載方向。

模擬巖體軟弱結構面的紙板在水平面上均貫穿試件剖面，其長度可以根據傾角的不同以及幾何關系進行計算求得，分別為15cm、17.32cm、21.21cm、17.32 cm和15 cm。通過計算和觀察發現，0°和90°兩組試件、30°和60°兩組試件，其制作完全可以一樣，只是在抗壓強度試驗加載時，分別加在兩個互相垂直的不同方向上。endprint

模型試件先采用人工進行搗固，這樣方便混凝土料的增減以及模擬巖體軟弱結構面的紙板的位置的固定。人工搗固完成后，再把試件放到振動臺上進行振搗，以達到最大的密實度，見圖6。

由于本次試驗采用的是混凝土試件模擬實際巖體，而混凝土要達到規定的強度需要進行必要的灑水養護。混凝土試件的灑水養護從制作好24小時后開始進行，具體養護制度如表1。

3.模型試件的抗壓強度測試

模型試驗養護完成之后，通過萬能試驗機測定具有模擬結構面的模擬巖體的強度。試驗完畢后，首先對模型試件的破壞形態進行了總結與分析。

經抗壓強度測試，發現0°和90°傾角的模型試件破壞形態基本一致，令其為第一類，模型試件破壞形式主要是壓壞，有了結構面（即紙板）的存在，試件的抗壓強度降低了不少，但破壞形式基本沒有變，都是抗壓破壞，只是破壞前的變形量增加很多。

30°和90°傾角的模型試件破壞形態基本一致，令其為第二類模型試件破壞形式包括了抗壓破壞，破壞后模型試件可見豎向裂縫，同時也有剪切破壞的現象發生，位于模型試件的紙板附近處的裂縫。

45°傾角的模型試件破壞形態可令其為第三類，模型試件破壞形式主要是剪切破壞，裂縫基本上沿著45°方向進行破壞。

強度測試所得數據如表2所示。每一傾角強度代表值一般以每組三個試件的計算強度值的平均值為準，但如果三個試件的強度試驗值中，某個試件的值與平均值之差超過了平均值的30%，則應舍去，取剩余兩個試件的計算強度值的平均值作為每一傾角強度代表值。

四、試驗結果分析

巖體中有了結構面之后，強度明顯降低。本次試驗模擬巖體的混凝土強度標號為C20，實測強度20.5MPa。而實際有了結構面后的試件其強度只達到了設計強度的58%、49%、27%、43%和57%。

當巖體結構面的傾角為45°時，巖體的強度降低最多，達到了73%。這種現象的出現是因為在進行抗壓強度測試時，45°巖體的剪切應力最大，而紙板正好處在這個方向上，相對于無結構面的混凝土試件，這個方向上的抗剪強度降低很多，所以模型試件就容易沿著這個方向發生剪切破壞，致使整個試件的抗壓強度降低很多。有學者研究后表明：在低應力條件下，巖體的軟弱結構面將對巖體的強度產生重要的影響[2]，當軟弱結構面傾角在45°左右時影響更大，這與本次研究的結果相符。

五、結論和建議

試驗結果表明，軟弱結構面傾角為45°時，巖體的強度會受到極大影響，降低很多，在工程實踐中必須加以重視。

因此，對于較大的軟弱結構面，能避則避，以免軟弱結構面引起巖體強度降低過多，導致邊坡滑坡或者隧道坍塌。

對于不能繞避，或者通過論證不繞避的軟弱結構面，工程結構應垂直于軟弱結構面的走向通過，這樣可以使工程結構穿過的軟弱結構面厚度最小，從而軟弱結構面的影響最小。

如果不能垂直于軟弱結構面走向穿過軟弱結構面，則應調整工程結構的平面位置和坡度，避免工程結構物的修建使軟弱結構面成45°受壓狀態，因為45°受壓時，軟弱結構面的強度最低，對巖體的穩定和工程結構物的安全最不利。在工程實踐中，遇到軟弱結構面時，必要時可對軟弱結構面進行注漿，增加軟弱結構面的強度；或者采取管棚、超前小導管等措施使巖體穩定性增加，確保工程結構的安全與穩定。

參考文獻：

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑邊坡工程技術規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[2]張忠苗.工程地質[M].重慶：重慶大學出版社，2011.endprint