某邊坡巖體軟弱結構面抗剪強度試驗分析

周應紅 李萬元 張 威 黃秀銀

(1.貴州大學，貴州 貴陽 550025； 2.貴州聯建土木工程質量檢測監控中心有限公司，貴州 貴陽 550025)

1 概述

該邊坡軟弱結構面抗剪強度試驗是對現場泥質白云巖進行剪切試驗，測定巖體抗剪強度參數及應力應變關系。巖體軟弱結構面抗剪強度參數的選取直接影響到對邊坡抗滑穩定性的評價，因此選取合理的參數對工程的設計與建設都有重大意義。目前，國內外針對邊坡巖體軟弱結構面抗剪強度已有大量的研究成果，但這些研究都忽視了巖體所處的真實環境，所以這些成果基本上不能夠真正代表實際環境下巖體與混凝土接觸面特性，其抗剪強度指標的選取也有所欠缺。巖體軟弱結構面抗剪強度參數的變化直接影響到工程造價。故本文在考慮巖體所處的真實環境下，對該邊坡巖體軟弱結構面抗剪強度試驗，并對其力學特性展開研究分析。

2 工程概況

擬建項目包括超高層綜合寫字樓(塔樓)、商業(裙樓)及地下室組成，周邊既有建筑物較多，四周臨近市政道路；擬建場地南側為該市軌道交通1號線某站，周邊人口活動較大，工程環境復雜。場地為溶蝕殘丘洼地地貌區，基巖面起伏較小，綜合判斷場地屬巖溶微發育地段。由于受構造及巖溶影響，并據臨近工程開挖揭露情況，結合地面調查得知：地下巖溶主要為隱伏型。巖溶狀態以豎向發育的溶蝕裂隙、溶溝(槽)、石芽為主，巖體內則以溶孔、晶洞、垂直溶洞(隙)、懸臂巖體等形式出現。基巖為三疊系中統松子坎組(T2sz)泥質白云巖夾泥質石灰巖：其中泥質白云巖含量占比約70%～75%，泥質石灰巖含量占比約25%～30%。泥質白云巖為：中風化，灰白色，中厚層，節理裂隙較發育，巖體較破碎，偶見小溶孔，鉆孔巖芯多呈碎塊狀、短柱狀。泥質石灰巖為：中風化，灰色，中厚層，節理裂隙較發育，巖體裂隙較發育，巖體較破碎，偶見晶孔，鉆孔巖芯多呈碎塊狀、短柱狀。巖層呈單向構造產出，巖層產狀為120°～135°<20°～34°。場區內巖體節理裂隙較發育，主要發育2組節理：1組，節理產狀為47°<73°，節理線密度2條/m～3條/m；2組節理產狀為296°<78°,節理線密度2條/m～3條/m；1組、2組均為剪節理，延伸長度1.2 m～1.5 m不等。

3 試驗目的及要求

3.1 目的

查明現場巖體(層面)力學強度參數，為設計提供詳細的地質依據。通過對該巖體軟弱結構面進行抗剪強度試驗,確定其抵抗剪切破壞的能力以及抗剪強度指標(C,φ值)以及相關曲線。

3.2 要求

每組試驗試體的數量為5個。本次試驗對巖體結構面進行了兩組現場直剪試驗，編號為ZK1-1～ZK1-5,ZK2-1～ZK2-5。

4 試驗地點的選擇及描述

4.1 選試點

試驗場地根據場地的地質情況、斜坡特征、地形條件、巖體層面分布情況以及方便現場試驗等綜合因素考慮，并且同一組試驗的工程地質條件基本相同。

4.2 試點描述

試點描述見表1。

表1 試驗地點描述

5 試驗方法

5.1 試驗要點

現場大剪試驗首先在現場挖試坑、制備試點，為獲取豎向反力，采用堆載法進行試驗，試驗裝置見圖1，根據現場情況選擇具有代表性的兩個試點，按圖1進行開挖和試點制備，當試點制備完成后在巖基表面澆筑外包混凝土(混凝土強度等級C40)，然后分別施加不同的垂向正應力，再施加水平剪應力，使試樣在預定的剪切面上破壞。本次試驗儀器由滾軸、鋼墊板、承壓板、反力裝置、百分表、測力計、千斤頂等組成，示意圖見圖1。

5.2 加荷方式

本次試驗垂直荷載第一組試點按140.36 kPa～390.47 kPa，第二組按111.29 kPa～360.32 kPa進行加載。對于每個試體，法向荷載每隔5 min施加一級，共施加5級，每施加一級測讀一次法向位移。在最后一級荷載作用下，測出其法向位移值相對穩定，隨后施加剪切荷載。在水平加荷時觀測讀計正壓力的變化情況及相應的水平變形，保持正壓力是一個常數。待該試體測試完畢后，拆掉各加壓系統及傳力設備，翻轉該試體，對試體剪切面進行詳細地描述并拍照。

5.3 試驗資料整理

根據試驗記錄，分別計算各試件的正應力、剪應力。并繪制相應的剪應力—剪切變形關系曲線和剪應力—正應力關系曲線，按庫侖公式：τ=σ·tgφ+c，用最小二乘法確定抗剪強度指標f,c的值。

6 試驗結果分析

根據原始數據記錄計算水平剪應力τ及繪制σ—τ，τ—μs曲線，結果見表2，圖2～圖7。

表2 現場巖體(層面)力學試驗成果匯總表

7 結論與建議

1)各試驗點的布置由地質和試驗人員根據現場地質情況，在工程區內選取具有代表性的位置進行原位試驗，其試驗結果具有實際應用價值。

2)試驗嚴格按照相關規程標準及《野外試驗作業指導書》進行試驗操作，所測得試驗值是該區域軟弱夾層(層面)力學指標的客觀反映。

3)巖體的抗剪斷值和抗剪強度隨法向應力的增大而近似成線性增大，再一次驗證了庫侖定律的正確性。

4)軟弱夾層(層面)的抗剪斷強度指標，主要是巖體性質以及膠結情況所引起的，由于巖體(層面)遇水后巖質和巖面變軟，建議使用試驗成果時，應考慮地下水對層面抗剪強度的影響，應結合場地實際情況進行綜合取值。