白堊系泥巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定

馮建國

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

中生界白堊系沉積巖在華北地區(qū)分布較為普遍，巖性為紫紅色、灰綠色泥巖。 泥巖相對(duì)其他巖性來講屬軟弱巖，特別是巖體遇水軟化，強(qiáng)度降低，會(huì)對(duì)上部結(jié)構(gòu)和邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，因此，獲得可靠的泥巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)， 滿足地基或邊坡等設(shè)計(jì)要求顯得尤為重要。目前，測(cè)定巖體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)還是以原位巖體直剪試驗(yàn)方法為主要手段， 通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得泥巖在不同剪應(yīng)力狀態(tài)下的內(nèi)摩擦系數(shù)tgφ和黏聚力C。

1 場(chǎng)地選擇

某地下廣場(chǎng)基坑開挖至設(shè)計(jì)建基面以上0.5m左右，出露多為中生界白堊系沉積為紫紅色泥巖，少量灰綠色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖， 基坑北側(cè)為一排混凝土灌注樁，樁徑1.2m，樁距1.5m，試驗(yàn)場(chǎng)地以下埋深約10m，適合做可靠的反推后座，是進(jìn)行原位巖體直剪試驗(yàn)的較佳場(chǎng)地。

2 地層巖性

試驗(yàn)場(chǎng)地出露的地層為中生界白堊系王氏組沉積巖， 巖性為紫紅色泥巖和灰綠色泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖。

2.1 泥巖

紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土和高嶺土，具有微膨脹性，遇水易軟化，泥巖呈弱風(fēng)化狀態(tài)，強(qiáng)度低，試驗(yàn)場(chǎng)地分布普遍。

2.2 泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖

灰綠色、紫紅色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土和石英，多為泥質(zhì)膠結(jié)，泥質(zhì)粉砂巖和粉砂巖呈弱風(fēng)化狀態(tài)，強(qiáng)度較低，試驗(yàn)場(chǎng)地分布較少，多呈透鏡體狀。

巖層產(chǎn)狀：NW290°，SW∠25°。

節(jié)理產(chǎn)狀：①NE70°，SE∠85°。 ②NW325～355°，NE∠85°。

3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法采用常規(guī)平推法，在天然條件下進(jìn)行。

4 試驗(yàn)參數(shù)確定

4.1 垂直載荷的施加方法

計(jì)算最大載荷約200kN，設(shè)計(jì)最大載荷按250kN考慮。 將最大垂直載荷按照等差級(jí)數(shù)分成5級(jí)，分別作為5個(gè)試體的預(yù)定垂直載荷。 其加載量如表1。

表1 垂直載荷加載分級(jí)

4.2 剪切載荷的施加方法

根據(jù)公式Qmax=（C+σ×tanφ）×F，每個(gè)試體上的法向壓應(yīng)力不同，其最大剪應(yīng)力亦不同，各試體最大剪應(yīng)力如表2。

表2 水平載荷加載分級(jí)

各試體剪切載荷按照表2中推薦最大剪切載荷的10%分級(jí)施加。

5 試驗(yàn)成果整理

（1）根據(jù)原始記錄，計(jì)算在各級(jí)垂直載荷和水平載荷下的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力。

（2）剪切面上的應(yīng)力按下式進(jìn)行計(jì)算。

σ=P/F τ=Q/F

式中 σ為作用于剪切面上的法向應(yīng)力（MPa）；τ為作用于剪切面上的剪應(yīng)力 （MPa）；ε為剪切位移（mm）；P為作用于剪切面上的總法向載荷 （N）；Q為作用于剪切面上的總水平載荷 （N）；F為剪切面積（m2）。

（3）繪制各法向應(yīng)力（σ）下的剪應(yīng)力（τ）與剪切位移（ε）關(guān)系曲線，抗剪斷剪應(yīng)力與剪切位移（τ～ε）關(guān)系曲線如圖1，抗剪剪應(yīng)力與剪切位移（τ～ε）關(guān)系曲線如圖2。

圖1 抗剪斷剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖2 抗剪剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

從τ～ε關(guān)系曲線可以看出試體的破壞形式基本為彈塑性破壞。

（4）根據(jù)τ～ε關(guān)系曲線，確定各法向應(yīng)力下的抗剪斷峰值強(qiáng)度、比例強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和抗剪峰值強(qiáng)度，如表3～表4。

表3 各法向應(yīng)力下抗剪斷和抗剪的峰值強(qiáng)度

表4 各法向應(yīng)力下抗剪斷殘余強(qiáng)度及比例強(qiáng)度

（5）根據(jù)所選的τ值與相應(yīng)的正應(yīng)力σ值，繪制各剪切階段特征點(diǎn)的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系曲線：抗剪斷峰值強(qiáng)度與法向應(yīng)力（τ～σ）關(guān)系曲線，抗剪斷殘余強(qiáng)度與法向應(yīng)力（τ～σ）關(guān)系曲線，抗剪斷比例強(qiáng)度與法向應(yīng)力（τ～σ）關(guān)系曲線如圖3，抗剪峰值強(qiáng)度與法向應(yīng)力（τ～σ）關(guān)系曲線如圖4。

圖3 抗剪斷各特征點(diǎn)強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線

圖4 抗剪峰值強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系曲線

（6）利用庫倫表達(dá)式τ=σtgφ+C用最小二乘法（Excel中擬合曲線）確定相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)tgφ和C值，試驗(yàn)成果如圖3，圖4。

6 試驗(yàn)成果分析

6.1 τ～ε關(guān)系曲線

抗剪斷試驗(yàn)在不同的法向載荷應(yīng)力下破壞形式大體相同， 從τ～ε關(guān)系曲線可以看出均屬于彈塑性破壞如圖1。 在試驗(yàn)初始階段，隨著水平載荷（剪應(yīng)力）的增加，剪切位移量不大，τ～ε關(guān)系曲線近似呈直線型，當(dāng)水平載荷（剪應(yīng)力）增加至一定值時(shí)，試體馬上破壞，剪切位移突增，水平載荷陡降，經(jīng)過較大剪切位移后，水平載荷趨于穩(wěn)定。 從表3、表4中的數(shù)據(jù)比較得出：抗剪斷的殘余強(qiáng)度僅為其相應(yīng)法向應(yīng)力下峰值強(qiáng)度的0.37～0.50倍。 抗剪剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線中除試體1外， 其余試體破壞形式基本相同。 當(dāng)水平載荷（剪應(yīng)力）逐漸增加一定值時(shí)，試體破壞，水平位移突增。 試體1豎向載荷較大，破壞形式與其他試體差異明顯，破壞以后，隨著水平位移的增加，水平載荷出現(xiàn)了增加的情況，分析與剪切面起伏差較大有關(guān)。 試體破壞總體表現(xiàn)為彈塑性破壞。

6.2 τ～σ關(guān)系曲線

抗剪斷峰值強(qiáng)度和抗剪峰值強(qiáng)度大都有一定的規(guī)律性，本次試驗(yàn)各點(diǎn)分布比較集中，不存在分布較異常的點(diǎn)，可以反映正常情況。

7 抗剪（斷）強(qiáng)度指標(biāo)確定

試驗(yàn)巖體抗剪斷破壞均屬于彈塑性破壞， 巖體抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)按峰值強(qiáng)度取值， 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)按殘余強(qiáng)度與比例強(qiáng)度二者的小值或抗剪試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度取值。 按照上述原則， 巖體抗剪斷內(nèi)摩擦系數(shù)tgφ為1.02、 黏聚力C為79kPa； 巖體抗剪內(nèi)摩擦系數(shù)tgφ為0.42、黏聚力C為33kPa，如表5。

表5 直剪試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)