巖體軟弱結(jié)構(gòu)面傾角對巖體強(qiáng)度的影響研究

羅定倫

摘 要：巖體當(dāng)中經(jīng)常會有軟弱結(jié)構(gòu)面存在，不同的軟弱結(jié)構(gòu)面傾角會對巖體的強(qiáng)度產(chǎn)生重要而直接的影響，進(jìn)而影響工程結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。文章對常用研究方法進(jìn)行了對比分析，通過模型試驗(yàn)的方法對巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的不同傾角對巖體的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)規(guī)律，并對工程建設(shè)當(dāng)中如何減少或者消除軟弱結(jié)構(gòu)面傾角對巖體強(qiáng)度的影響提出了建議。

關(guān)鍵詞：巖體；軟弱結(jié)構(gòu)面；傾角；模型試驗(yàn)

中圖分類號：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、前言

工程建設(shè)中經(jīng)常會遇到不同的巖體，這些巖體都可以視為由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面組成。結(jié)構(gòu)體指巖體中被結(jié)構(gòu)面切割而產(chǎn)生的單個(gè)巖石塊體，結(jié)構(gòu)面是指存在于巖體中的各種不同成因、不同特征的地質(zhì)構(gòu)造界面，比如層理、解理、節(jié)理、斷層等，強(qiáng)度較低的結(jié)構(gòu)面稱為軟弱結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面對巖體的強(qiáng)度等工程性質(zhì)有非常不利的影響，特別是軟弱結(jié)構(gòu)面的存在，將使巖體的強(qiáng)度顯著降低，對巖體的不利影響尤其巨大，進(jìn)而影響到工程結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。

軟弱結(jié)構(gòu)面的組數(shù)、密度、長度、走向、傾向和傾角都會對巖體的強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響，軟弱結(jié)構(gòu)面的傾角對巖體強(qiáng)度具有明顯的影響。對于邊坡工程，當(dāng)巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的傾角大于邊坡傾角時(shí)，邊坡極易發(fā)生順層滑坡，影響建設(shè)工程的安全與穩(wěn)定。因此，在國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）中對巖質(zhì)邊坡的破壞形式和巖質(zhì)邊坡巖體穩(wěn)定性分類時(shí)，都特別考慮了軟弱結(jié)構(gòu)面對巖體強(qiáng)度的影響。對于基礎(chǔ)工程，軟弱結(jié)構(gòu)面傾角將直接影響巖體的強(qiáng)度和破壞形式，比如，當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面傾角成90°時(shí)，如果軟弱結(jié)構(gòu)面寬度較窄，其對地基巖體的不利影響將很小，而當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面傾角為45°時(shí)，巖質(zhì)地基容易產(chǎn)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(jìn)而改變軟弱結(jié)構(gòu)面的受力狀態(tài)，洞室圍巖很容易因?yàn)檐浫踅Y(jié)構(gòu)面自身的軟弱和傾角的不利影響而導(dǎo)致塌方。

從以上分析可以看出，軟弱結(jié)構(gòu)面傾角對巖體強(qiáng)度具有重要影響，進(jìn)而對工程巖體的工程性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。因此，對巖體軟弱結(jié)構(gòu)面傾角對巖體強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究具有重要的意義。

二、研究方法

理論分析、數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場測試、模型試驗(yàn)是土木工程領(lǐng)域主要的四種研究方法，這四種方法都可以用于軟弱結(jié)構(gòu)面傾角對巖體強(qiáng)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(shí)際當(dāng)中，有時(shí)很難獲得解析解。數(shù)值計(jì)算就是仿真分析，可以節(jié)約大量的人力物力和時(shí)間，過程準(zhǔn)確，但由于土木工程的一些不確定因素，輸入?yún)?shù)難以精確，還有模型簡化等問題，存在一定局限性?，F(xiàn)場測試能反應(yīng)工程體的實(shí)際狀況，常在工程施工過程中進(jìn)行，投入較大，周期長。模型試驗(yàn)可使工程中發(fā)生的現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)出來，而且還可以對試驗(yàn)中主要因素進(jìn)行獨(dú)立控制。與現(xiàn)場實(shí)測相比，可進(jìn)行方案的前期優(yōu)化，具有省時(shí)、省力的優(yōu)點(diǎn)。

模型試驗(yàn)的意義，可從五個(gè)方面加以說明：

（1）模型試驗(yàn)作為一種研究手段，可以嚴(yán)格控制試驗(yàn)對象的主要參數(shù)而不受外界條件和自然條件的限制，做到結(jié)果準(zhǔn)確。

（2）模型試驗(yàn)有利于在復(fù)雜的試驗(yàn)過程中突出主要矛盾，便于把握、發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，并且有時(shí)可用來對原型所得結(jié)論進(jìn)行校驗(yàn)。

（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(jié)省資金、人力和時(shí)間。

（4）模型試驗(yàn)?zāi)茴A(yù)測尚未建造出來的實(shí)物對象或根本不能直接研究的實(shí)物對象的性能。

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

目前，國內(nèi)陳靜曦、馮君、張忠平、楊明亮、黃潤秋等對邊坡工程巖體當(dāng)中的軟弱結(jié)構(gòu)面傾角對邊坡巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并提出了解決實(shí)際工程的問題的一些方法。這些相關(guān)的研究，主要采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)與分析等方法。

日本京都大學(xué)足立紀(jì)尚等人模擬裂隙巖塊試驗(yàn)研究了不同結(jié)構(gòu)面對巖體強(qiáng)度的影響。這是采用模型試驗(yàn)這種方法對巖體軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行研究的較早而又具有顯著影響的代表。西南交通大學(xué)高波等人在研究隧道抗減震模型試驗(yàn)時(shí)，也曾對巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了一定的模擬與研究，是國內(nèi)為數(shù)不多的模型試驗(yàn)研究項(xiàng)目之一。

本課題的研究將通過巖體及其不同傾角的軟弱結(jié)構(gòu)面的模型試驗(yàn)，探索巖體軟弱結(jié)構(gòu)面傾角對巖體強(qiáng)度影響的一般規(guī)律。

三、模型試驗(yàn)

1.巖體及巖體軟弱結(jié)構(gòu)面傾角的模擬

本課題研究時(shí)采用C20高鈦礦渣混凝土進(jìn)行對巖體進(jìn)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(jì)劃制作試件5組，每組3個(gè)，共計(jì)15個(gè)。模擬巖體的高鈦礦渣混凝土配制采用人工計(jì)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(shí)，采用硬紙板模擬巖體當(dāng)中的軟弱結(jié)構(gòu)面，通過調(diào)整硬紙板的位置來模擬軟弱結(jié)構(gòu)面在巖體當(dāng)中的不同傾角。

2.模型試件的制作

模型試件采用標(biāo)準(zhǔn)的15cm試模盒進(jìn)行制作，制作時(shí)應(yīng)將試模盒清理干凈，并涂刷脫模劑。

試模盒準(zhǔn)備好后即可開始灌注模型。通過調(diào)整紙板的位置及強(qiáng)度測試時(shí)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(jié)構(gòu)當(dāng)中的軟弱結(jié)構(gòu)面，其傾角分別為0°、30°、45°、60°和90°。圖中箭頭所指方向?yàn)榭箟簭?qiáng)度測試時(shí)荷載加載方向。

模擬巖體軟弱結(jié)構(gòu)面的紙板在水平面上均貫穿試件剖面，其長度可以根據(jù)傾角的不同以及幾何關(guān)系進(jìn)行計(jì)算求得，分別為15cm、17.32cm、21.21cm、17.32 cm和15 cm。通過計(jì)算和觀察發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)度試驗(yàn)加載時(shí)，分別加在兩個(gè)互相垂直的不同方向上。endprint

模型試件先采用人工進(jìn)行搗固，這樣方便混凝土料的增減以及模擬巖體軟弱結(jié)構(gòu)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(dòng)臺上進(jìn)行振搗，以達(dá)到最大的密實(shí)度，見圖6。

由于本次試驗(yàn)采用的是混凝土試件模擬實(shí)際巖體，而混凝土要達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度需要進(jìn)行必要的灑水養(yǎng)護(hù)。混凝土試件的灑水養(yǎng)護(hù)從制作好24小時(shí)后開始進(jìn)行，具體養(yǎng)護(hù)制度如表1。

3.模型試件的抗壓強(qiáng)度測試

模型試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)完成之后，通過萬能試驗(yàn)機(jī)測定具有模擬結(jié)構(gòu)面的模擬巖體的強(qiáng)度。試驗(yàn)完畢后，首先對模型試件的破壞形態(tài)進(jìn)行了總結(jié)與分析。

經(jīng)抗壓強(qiáng)度測試，發(fā)現(xiàn)0°和90°傾角的模型試件破壞形態(tài)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(jié)構(gòu)面（即紙板）的存在，試件的抗壓強(qiáng)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(tài)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(shí)也有剪切破壞的現(xiàn)象發(fā)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(tài)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(jìn)行破壞。

強(qiáng)度測試所得數(shù)據(jù)如表2所示。每一傾角強(qiáng)度代表值一般以每組三個(gè)試件的計(jì)算強(qiáng)度值的平均值為準(zhǔn)，但如果三個(gè)試件的強(qiáng)度試驗(yàn)值中，某個(gè)試件的值與平均值之差超過了平均值的30%，則應(yīng)舍去，取剩余兩個(gè)試件的計(jì)算強(qiáng)度值的平均值作為每一傾角強(qiáng)度代表值。

四、試驗(yàn)結(jié)果分析

巖體中有了結(jié)構(gòu)面之后，強(qiáng)度明顯降低。本次試驗(yàn)?zāi)M巖體的混凝土強(qiáng)度標(biāo)號為C20，實(shí)測強(qiáng)度20.5MPa。而實(shí)際有了結(jié)構(gòu)面后的試件其強(qiáng)度只達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度的58%、49%、27%、43%和57%。

當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)面的傾角為45°時(shí)，巖體的強(qiáng)度降低最多，達(dá)到了73%。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)樵谶M(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試時(shí)，45°巖體的剪切應(yīng)力最大，而紙板正好處在這個(gè)方向上，相對于無結(jié)構(gòu)面的混凝土試件，這個(gè)方向上的抗剪強(qiáng)度降低很多，所以模型試件就容易沿著這個(gè)方向發(fā)生剪切破壞，致使整個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度降低很多。有學(xué)者研究后表明：在低應(yīng)力條件下，巖體的軟弱結(jié)構(gòu)面將對巖體的強(qiáng)度產(chǎn)生重要的影響[2]，當(dāng)軟弱結(jié)構(gòu)面傾角在45°左右時(shí)影響更大，這與本次研究的結(jié)果相符。

五、結(jié)論和建議

試驗(yàn)結(jié)果表明，軟弱結(jié)構(gòu)面傾角為45°時(shí)，巖體的強(qiáng)度會受到極大影響，降低很多，在工程實(shí)踐中必須加以重視。

因此，對于較大的軟弱結(jié)構(gòu)面，能避則避，以免軟弱結(jié)構(gòu)面引起巖體強(qiáng)度降低過多，導(dǎo)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(jié)構(gòu)面，工程結(jié)構(gòu)應(yīng)垂直于軟弱結(jié)構(gòu)面的走向通過，這樣可以使工程結(jié)構(gòu)穿過的軟弱結(jié)構(gòu)面厚度最小，從而軟弱結(jié)構(gòu)面的影響最小。

如果不能垂直于軟弱結(jié)構(gòu)面走向穿過軟弱結(jié)構(gòu)面，則應(yīng)調(diào)整工程結(jié)構(gòu)的平面位置和坡度，避免工程結(jié)構(gòu)物的修建使軟弱結(jié)構(gòu)面成45°受壓狀態(tài)，因?yàn)?5°受壓時(shí)，軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度最低，對巖體的穩(wěn)定和工程結(jié)構(gòu)物的安全最不利。在工程實(shí)踐中，遇到軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，必要時(shí)可對軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行注漿，增加軟弱結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度；或者采取管棚、超前小導(dǎo)管等措施使巖體穩(wěn)定性增加，確保工程結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[2]張忠苗.工程地質(zhì)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2011.endprint