杭長(zhǎng)鐵路紅砂巖巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)取值研究

趙志明，吳 光 ，李東亮，孟慶文

（1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142）

巖體的強(qiáng)度主要取決于巖石塊體和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。在工程實(shí)踐過程中，巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度特征對(duì)工程坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)起著至關(guān)重要的作用?，F(xiàn)階段，結(jié)構(gòu)面力學(xué)特征值主要通過野外大剪試驗(yàn)、室內(nèi)剪切試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式估算三種方式獲?。?］。

國(guó)內(nèi)劉明維等［2］較系統(tǒng)研究了結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)取值問題，主要成果有:(1)針對(duì)坡高為15～30m巖質(zhì)邊坡中主控結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行研究，得出坡高小于25m時(shí)，粘聚力(C)是控制邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)，并提出了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定C值，然后用規(guī)范法確定內(nèi)摩擦角(φ)的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)取值方法；(2)在廣泛收集相關(guān)部門(公路、鐵路、水利水電、城市建筑)邊坡巖體結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，提出補(bǔ)充、完善《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2002)中結(jié)構(gòu)面分類方法的建議和相應(yīng)的修正意見，提升了該分類方法的科學(xué)性與實(shí)用性，使巖質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)更趨合理，為巖質(zhì)邊坡工程技術(shù)規(guī)范修訂提供了參考。雍睿等［3］結(jié)合重慶市武隆縣雞尾山巖質(zhì)滑坡，采用4種結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)線性回歸方法進(jìn)行對(duì)比和分析，得出各方法的適用條件?；贛ohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則的物理力學(xué)試驗(yàn)通過選取典型特征巖石塊體試樣進(jìn)行分析，其試驗(yàn)過程較為復(fù)雜、時(shí)間較長(zhǎng)［2］，所以現(xiàn)階段主要以相對(duì)簡(jiǎn)便的室內(nèi)試驗(yàn)為主。20世紀(jì)60年代以來，Barton等在大量的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)面的幾何特征和巖體力學(xué)特性，研究了結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度估算方法。基于Barton強(qiáng)度準(zhǔn)則的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度估算法近年得到較大發(fā)展，通過對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)JRC的準(zhǔn)確選取，能準(zhǔn)確快速地確定結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特征值［5～7，12］。

本文通過對(duì)擬建工程邊坡紅砂巖的結(jié)構(gòu)特征情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，選取多組典型結(jié)構(gòu)面進(jìn)行室內(nèi)剪切試驗(yàn)，同時(shí)通過野外結(jié)構(gòu)面基本數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行Barton模型結(jié)構(gòu)面參數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，最后為邊坡工程設(shè)計(jì)提供可靠的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)。

1 邊坡結(jié)構(gòu)面調(diào)查

擬建工程邊坡位于湖南省湘西地區(qū)，人工開挖邊坡在15～150m之間，坡度多為30°～60°，邊坡以弱風(fēng)化的紅砂巖為主，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，以硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面為主。邊坡開挖后，發(fā)育結(jié)構(gòu)面將與開挖面形成多個(gè)楔形體，極易發(fā)生邊坡滑塌現(xiàn)象。通過野外實(shí)際調(diào)查，確定影響邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面為:①55°∠74°、②218°∠70°。根據(jù)結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行巖樣的選取和試樣制樣，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)估算，確定結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。典型邊坡斷面見圖1和圖2。

2 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的室內(nèi)直剪試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)主要由野外取樣、室內(nèi)制樣、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析幾部分組成。

2.1 結(jié)構(gòu)面取樣及制樣

野外選取特征結(jié)構(gòu)面進(jìn)行取樣，取樣時(shí)在結(jié)構(gòu)面上用記號(hào)筆標(biāo)記結(jié)構(gòu)面之間的相對(duì)位置、擬剪切方向以及結(jié)構(gòu)面的空間方位，最后進(jìn)行試樣編號(hào)。為保證在運(yùn)輸過程中最大限度降低結(jié)構(gòu)面試樣的擾動(dòng)，將試件交叉捆綁，放入抗振容器運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室。

圖2 典型斷面圖Fig.2 Typical cross section of the slope

本次試驗(yàn)將采集的紅砂巖巖樣按照前文提及的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面分為兩組進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)使用5個(gè)試樣進(jìn)行，并對(duì)第一組試樣編號(hào) A1、A2、A3、A4、A5，第二組試樣編號(hào) B1、B2、B3、B4、B5。由于此次進(jìn)行的剪切試驗(yàn)為摩擦剪切試驗(yàn)，所以在試件進(jìn)行澆注前，應(yīng)該先測(cè)取剪切面的面積Sj。制樣時(shí)，需在樣盒內(nèi)壁刷機(jī)油，并墊一張紙，以便在試件制好后容易與樣盒脫離。將試樣居中放入樣盒內(nèi)，使待剪切面高出試樣盒0.5cm左右，并保持?jǐn)M剪切方向與矩形樣盒的長(zhǎng)邊方向一致。隨后加入混凝土將縫隙搗實(shí)，使其與試樣緊貼，混凝土采用C25標(biāo)號(hào)水泥、干砂、水按1.0:2.0:0.5進(jìn)行配比。當(dāng)混凝土試樣達(dá)到足夠強(qiáng)度(一般6～7天)時(shí)，即可將試樣放入剪切設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，完成后試樣見圖3。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本次試驗(yàn)采用的設(shè)備為YDS-1型巖土體力學(xué)性質(zhì)多功能試驗(yàn)儀進(jìn)行，儀器由加載設(shè)備系統(tǒng)、剪切設(shè)備系統(tǒng)以及量測(cè)設(shè)備系統(tǒng)組成。

圖3 結(jié)構(gòu)面試件Fig.3 Sample of discontinuity planes

參照試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［4］，試驗(yàn)采用快剪法，應(yīng)力控制法施加剪應(yīng)力。垂向荷載Iσ保持恒定，剪切荷載分10級(jí)左右施加，每級(jí)加載時(shí)間30s，記錄每級(jí)剪切荷載作用下的剪切位移和垂向位移。當(dāng)某一級(jí)剪應(yīng)力下的剪切位移超過前一級(jí)剪切位移的2倍時(shí)，則下一級(jí)的剪切油缸壓力表Iτ的值就減半施加，直至試樣剪斷或結(jié)構(gòu)面試樣滑移2cm，這一過程歷時(shí)5～8min。當(dāng)水平壓力表值不再上升，甚至下降或者剪切位移呈加速或勻速進(jìn)行時(shí)，預(yù)示著剪斷過程結(jié)束。試驗(yàn)結(jié)束后，按下式計(jì)算正應(yīng)力和剪應(yīng)力:

式中:σ——正應(yīng)力(MPa)；

Sj——詳測(cè)剪切面面積(m2)；

Iσ——垂向壓力表讀數(shù)(MPa)；

Iσ0——垂向壓力表初值(MPa)；

G——試樣蓋板、滾珠軸承和上半部分混凝土試件的總重(N)，本儀器G=0.01kN；

Sv——垂向油缸活塞面積(m2或 cm2)，本儀器Sv=122.7 cm2；

τ——剪應(yīng)力(MPa)；

Iτ——剪切荷載壓力表讀數(shù)(MPa)；

Iτ0——剪切荷載壓力表初值(MPa)；

Sh——剪切加荷油缸活塞面積(m2或 cm2)，本儀器 Sh=95.0 cm2。

2.3 結(jié)構(gòu)面剪切位移曲線

試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照前述步驟進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)束后，通過數(shù)據(jù)收集整理，以試驗(yàn)剪應(yīng)力值為縱坐標(biāo)，以剪切位移作為橫坐標(biāo)繪制不同垂向應(yīng)力作用下的剪應(yīng)力－剪切位移曲線，如圖4所示。

通過應(yīng)力－位移曲線圖分析可知:(1)試驗(yàn)過程隨著剪切位移的增加，剪切應(yīng)力逐漸上升直至達(dá)到峰值剪切值，部分試樣能夠穩(wěn)定持續(xù)峰值強(qiáng)度值直至試驗(yàn)結(jié)束；(2)本次試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，使用的紅砂巖巖體結(jié)構(gòu)面中充填物質(zhì)較少，但含有粘土顆粒填充物的試樣，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度較低，而無填充物的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度較高；(3)由于采用的方法為直接剪切試驗(yàn)法，所以在試驗(yàn)后期剪切應(yīng)力衰減并不明顯，但整體都有略微的衰減趨勢(shì)，通過現(xiàn)有試驗(yàn)曲線完全能判斷每組試樣的峰值抗剪強(qiáng)度值。

圖4 2組試樣剪應(yīng)力－位移曲線圖Fig.4 Shear stress-strain curve of two groups of samples

2.4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

以剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，繪制剪應(yīng)力－法向應(yīng)力關(guān)系曲線圖(圖5)，計(jì)算線性回歸直線的截距和斜率，根據(jù)Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則計(jì)算粘聚力和內(nèi)摩擦角。

圖5 2組試樣結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度剪切曲線Fig.5 Curve showing the shear test of two groups of samples

通過線性回歸計(jì)算的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266)的標(biāo)準(zhǔn)［8］，硬性結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角大于 18°，粘聚力大于0.09MPa，本次試驗(yàn)所得結(jié)果滿足硬性結(jié)構(gòu)面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可靠性高。

表1 摩擦剪切試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)Table 1 Strength parameter of friction shear test

3 Barton模型的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度取值

前文試驗(yàn)通過Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則推算了試驗(yàn)試樣的結(jié)構(gòu)面粘聚力和內(nèi)摩擦角，為了更全面準(zhǔn)確地獲取結(jié)構(gòu)面參數(shù)，本文通過試樣獲取結(jié)構(gòu)面粗糙度JRC、結(jié)構(gòu)面回彈值等幾何物理參數(shù)，進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)。

3.1 計(jì)算模型

早在20世紀(jì)60年代以來，很多學(xué)者嘗試用估算法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的研究［6］，這其中以Barton的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度模型在工程中最為常用，其計(jì)算式為:

式中:JRC——結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)；

JCS——結(jié)構(gòu)面壁面抗壓強(qiáng)度(MPa)；

φb——基本摩擦角(°)；

σn——結(jié)構(gòu)面上的有效正應(yīng)力(MPa)。

結(jié)構(gòu)面壁面抗壓強(qiáng)度JCS則通過下式獲取［7］:

式中:γ——試樣巖石的干容重(kN/m3)；

Re——結(jié)構(gòu)面回彈值。

在巖體工程的設(shè)計(jì)中，當(dāng)工程巖體中結(jié)構(gòu)面的法向應(yīng)力為某一確定數(shù)值時(shí)，可以用JRC-JCS模型在這一特定應(yīng)力時(shí)的切線方程的參數(shù)作為它的等效庫(kù)侖－摩爾準(zhǔn)則抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即等效內(nèi)摩擦角φi和等效粘聚力Ci見圖6。計(jì)算方法如下:

圖6 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度計(jì)算模型Fig.6 Calculation model of shear strength parameters of the discontinuity

3.2 計(jì)算參數(shù)的獲取

通過Barton模型計(jì)算式分析可知，計(jì)算結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)需要明確粗糙度系數(shù)JRC、基本摩擦角φb、結(jié)構(gòu)面壁面抗壓強(qiáng)度JCS以及結(jié)構(gòu)面上有效正應(yīng)力σn。試驗(yàn)仍然選取影響邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)組(第一組產(chǎn)狀為55°∠74°、第二組產(chǎn)狀為 218°∠70°)的結(jié)構(gòu)面試樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)研究。

結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)JRC的獲取是通過野外結(jié)構(gòu)面表面凹凸輪廓線的繪制［13］，然后對(duì)比圖7所示粗糙度分級(jí)指標(biāo)獲?。?］。第一組結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)JRC為8～10，第二組為4～6。

圖7 粗糙度系數(shù)分級(jí)表［6］Fig.7 Marked range of JRC value of discontinuity surface

根據(jù)巖體力學(xué)的相關(guān)定義，結(jié)構(gòu)面殘余摩擦角是巖石平直結(jié)構(gòu)面殘余剪切試驗(yàn)得到的摩擦角，對(duì)新鮮未風(fēng)化的巖石結(jié)構(gòu)面而言，殘余摩擦角等于基本摩擦角 φb。據(jù)杜時(shí)貴等［9，11］對(duì)巖石基本摩擦角的整理以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況，選取第一組紅砂巖在天然狀態(tài)下的基本內(nèi)摩擦角為32°，第二組紅砂巖為28°。

結(jié)構(gòu)面面壁抗壓強(qiáng)度按照式(4)計(jì)算，所需要參數(shù)為巖樣干容重γ以及結(jié)構(gòu)面回彈強(qiáng)度Re。干容重γ通過巖樣的室內(nèi)試驗(yàn)獲取，本次試驗(yàn)紅砂巖重度為23.5kN/m3；擬進(jìn)行試驗(yàn)的2組結(jié)構(gòu)面野外新鮮結(jié)構(gòu)面的回彈值統(tǒng)計(jì)如表2所示，每組結(jié)構(gòu)面通過采集10個(gè)回彈值進(jìn)行分析，通過選取平均值獲取計(jì)算所用回彈值Re。計(jì)算后的第一組試樣JCS為11.65，第二組試樣JCS為11.25。

表2 巖石結(jié)構(gòu)面回彈值Table 2 Rebound value of samples

為獲取結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度，取法向應(yīng)力σn為1.0、2.0、3.0、4.0和5.0MPa下計(jì)算得出的等效內(nèi)摩擦角和等效粘聚力，然后在1.0～5.0MPa法向應(yīng)力范圍內(nèi)用線性回歸法處理得到結(jié)構(gòu)面的最終抗剪強(qiáng)度值(圖8)。

圖8 2組試樣結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度剪切曲線Fig.8 Curve showing the shear test of two groups of samples

對(duì)2組結(jié)構(gòu)面試樣在法向應(yīng)力1.0～5.0MPa下計(jì)算得到的等效內(nèi)摩擦角和粘聚力進(jìn)行線性回歸處理，得到的試驗(yàn)試樣結(jié)構(gòu)面最終抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表3。利用Barton模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)面參數(shù)結(jié)果為:第一組結(jié)構(gòu)面粘聚力C=0.278MPa，內(nèi)摩擦角φ =35°；第二組結(jié)構(gòu)面粘聚力C=0.101MPa，內(nèi)摩擦角φ =29°。

表3 Barton模型試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)Table 3 Strength parameter of the Barton model

4 結(jié)論

(1)影響巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的因素較多，在針對(duì)具體巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度分析時(shí)，盡量通過多種方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度取值獲取準(zhǔn)確可靠的強(qiáng)度參數(shù)。本文通過兩種結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)取值方法的研究，獲取了紅砂巖巖體結(jié)構(gòu)面采用不同方法的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度值。

(2)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方法獲取的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)其結(jié)果有很強(qiáng)的一致性。剪切試驗(yàn)使用了巖體結(jié)構(gòu)面直接摩擦剪切獲取強(qiáng)度值，而Barton模型計(jì)算則直接使用了結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)、結(jié)構(gòu)面回彈值等物理參數(shù)進(jìn)行直接分析。

(3)結(jié)合野外調(diào)查的實(shí)際情況，本次試驗(yàn)得出產(chǎn)狀為55°∠74°的結(jié)構(gòu)面綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)為:C=0.3MPa，φ 為 36.5°；產(chǎn)狀為 218°∠70°的結(jié)構(gòu)面綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)為:C=0.13MPa，φ為28.5°，這一參數(shù)滿足相關(guān)巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，可直接應(yīng)用于工程邊坡的設(shè)計(jì)。

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