膠東白堊系泥巖現(xiàn)場(chǎng)巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

田利川

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

我國(guó)膠東地區(qū)廣泛分布著白堊系上統(tǒng)王氏群，以泥巖為主，夾砂巖及粉砂巖薄層，為緩傾極軟巖，具有遇水易軟化、膨脹，失水、暴露后易收縮、風(fēng)化崩解特性。工程實(shí)踐中該套地層易發(fā)生邊坡變形垮塌，隧道圍巖變形侵限甚至坍塌，嚴(yán)重影響鐵路、地鐵及大型基坑工程的順利施工及后期安全運(yùn)營(yíng)。

在邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)中，巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的確定是邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的關(guān)鍵因素之一[1-2]。如果巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值不合理，分析評(píng)價(jià)結(jié)果就會(huì)與實(shí)際情況相差很大，抗剪參數(shù)取值過大，邊坡施工安全存在隱患，甚至可能造成無法承受的工程事故，而抗剪參數(shù)取值過小，可能造成設(shè)計(jì)施工的浪費(fèi)。目前巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定主要分為三類：一是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位大型直剪試驗(yàn)及室內(nèi)直剪試驗(yàn)分析選?。欢歉鶕?jù)巖體結(jié)構(gòu)面物理性質(zhì)及地質(zhì)特征按工程經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行估算；三是根據(jù)邊坡體狀態(tài)或?qū)崪y(cè)位移，利用極限平衡法或數(shù)值分析法進(jìn)行抗剪強(qiáng)度反演。室內(nèi)試驗(yàn)存在試樣代表性、原狀性和尺寸效應(yīng)等問題，試驗(yàn)所得出的抗剪強(qiáng)度參數(shù)往往存在較大偏差[3]；按工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)規(guī)范估算由于其不確定性、經(jīng)驗(yàn)性、地區(qū)性等特點(diǎn)，研究結(jié)果可靠性不高；位移反分析方法雖然在巖體參數(shù)反演計(jì)算中有諸多應(yīng)用[4-5]，但反演所需參數(shù)準(zhǔn)確確定是非常困難的。針對(duì)大型工程有必要選擇典型工點(diǎn)開展現(xiàn)場(chǎng)巖體原位剪切試驗(yàn)，研究區(qū)域泥巖巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)于該區(qū)域基坑工程、城市軌道交通工程建設(shè)具有重要意義。

1 巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用平推法，在天然條件下進(jìn)行巖體抗剪斷試驗(yàn)和沿剪斷面抗剪試驗(yàn)（摩擦試驗(yàn)）[6]，利用某地下空間開挖基坑進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)制備六塊試體，試體大小一致，剪切面積為70 cm×70 cm，試體高度為35 cm，試體底面與巖體相連，試體間距按1.1 m布置，為避免在安裝垂直、水平（剪切）加載系統(tǒng)和試驗(yàn)過程中損壞試體，試體加工完成后在試體上澆筑鋼筋混凝土保護(hù)罩，形成剪切盒。在每塊試體兩側(cè)布置安裝反力錨筋，用以施加垂直荷載；利用既有的基坑圍護(hù)鉆孔灌注樁和后墻施加水平荷載（見圖1）。

圖1 剪切試驗(yàn)裝置圖

按照預(yù)定垂直荷載和剪切荷載分級(jí)加載直至試體剪斷，抗剪斷試驗(yàn)結(jié)束后，用千斤頂把試體推回原位，保持垂直荷載不變，調(diào)整設(shè)備和測(cè)表，沿剪斷面進(jìn)行抗剪試驗(yàn)[7]。在進(jìn)行完前5 個(gè)試體試驗(yàn)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)試體5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常，故將試體6 按照試體5 的加載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重復(fù)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)確定

按照白堊系泥巖強(qiáng)度進(jìn)行垂直、水平荷載加載方式設(shè)計(jì)，估算最大垂直荷載約200 kN，設(shè)計(jì)最大垂直荷載按250 kN 考慮。將最大垂直荷載按照等差或等比分成5 級(jí)，分別作為6 個(gè)試體的預(yù)定垂直荷載。根據(jù)公式Qmax=（c+σtanφ）×F，估算每個(gè)試體上的不同法向壓應(yīng)力條件下的最大剪應(yīng)力，按照分級(jí)加載進(jìn)行逐級(jí)施加垂直、水平荷載（見表1）。

表1 垂直、水平荷載加載方案

1.3 巖體剪切破壞特征

巖體剪切破壞過程明顯分為四個(gè)階段，即彈性變形階段、微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段、非穩(wěn)定發(fā)展階段和破壞后階段，其破壞總體具有彈塑性破壞特征（見表2）。以試體P6 為例，分析破壞特征可劃分為四個(gè)階段。

表2 白堊系泥巖巖體剪切破壞特征表

①?gòu)椥宰冃坞A段：在τ-ε關(guān)系曲線上，剪切荷載由0 增加至0.14 MPa 時(shí)，水平位移由0.06 mm 增加至1.70 mm，該階段呈近似直線關(guān)系，隨剪切荷載增加，水平位移成比例增加，試件周圍沒有裂縫出現(xiàn)，0.14 MPa 為彈性極限。

②微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段：剪切荷載由0.14 MPa增加至0.18 MPa 時(shí)，水平位移由1.70 mm 增加至2.47 mm，試件變形主要表現(xiàn)為塑性變形，試體下部巖體在前緣、右面開始出現(xiàn)微裂隙，并隨應(yīng)力增加而逐漸發(fā)展，當(dāng)荷載保持不變時(shí)，微破裂停止發(fā)展。由于微破裂的出現(xiàn)，試件體積壓縮速率減緩，τ-ε關(guān)系曲線偏離直線向縱軸方向彎曲，0.18 MPa 為屈服極限。

③非穩(wěn)定發(fā)展階段：剪切荷載由0.18 MPa 增加至0.22 MPa 時(shí)，水平位移由2.47 mm 增加至3.65 mm，試體下部巖體在前緣、右面微裂隙的發(fā)展逐漸加大。由于破裂過程中所造成的應(yīng)力集中效應(yīng)顯著，即使剪切荷載保持不變，破裂仍會(huì)不斷發(fā)展，并在試件前緣、右面薄弱部位首先出現(xiàn)破壞區(qū)。試件由體積壓縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)容，軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大，試件承載能力達(dá)到最大，0.22 MPa 為峰值強(qiáng)度。

④破壞后階段：剪切荷載達(dá)到0.22 MPa 峰值后，降到0.11 MPa，水平位移由3.65 mm 增加至67.83 mm，試件剪切面結(jié)構(gòu)完全破壞，裂隙快速發(fā)展，試體下部巖體在前緣右側(cè)薄弱部位破壞加劇，開裂起鼓，0.11 MPa 為殘余強(qiáng)度。剪切荷載卸荷后，水平位移有少量回彈。

2 試驗(yàn)成果整理與分析

2.1 成果整理

根據(jù)試驗(yàn)過程中的原始記錄，計(jì)算在各級(jí)垂直荷載和水平荷載下的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，統(tǒng)計(jì)各試體累計(jì)水平和垂直變形量，舍棄不合理的數(shù)據(jù)，求得其平均變形量。繪制各法向應(yīng)力σ下的剪應(yīng)力τ與剪切變形ε關(guān)系曲線（見圖2、圖3）。

由圖2 和圖3 可以看出各試體的破壞形式基本為彈塑性破壞。采用圖解法確定各法向應(yīng)力下的抗剪斷峰值強(qiáng)度、殘余值強(qiáng)度、比例極限強(qiáng)度和抗剪峰值強(qiáng)度（見表3）。

表3 各法向應(yīng)力下抗剪斷、抗剪強(qiáng)度值表

圖2 抗剪斷τ-ε 關(guān)系曲線圖

圖3 抗剪τ-ε 關(guān)系曲線圖

根據(jù)所選的τ值與相應(yīng)的正應(yīng)力σ值，繪制各剪切階段的法向應(yīng)力與剪應(yīng)力關(guān)系曲線，抗剪斷峰值σ-τ關(guān)系曲線見圖4，抗剪斷殘余值σ-τ關(guān)系曲線見圖5，抗剪斷比例極限值σ-τ關(guān)系曲線見圖6，抗剪峰值σ-τ關(guān)系曲線見圖7。

圖4 抗剪斷峰值σ-τ 關(guān)系曲線圖

圖5 抗剪斷殘余值σ-τ 關(guān)系曲線圖

圖6 抗剪斷比例極限值σ -τ 關(guān)系曲線圖

圖7 抗剪峰值σ -τ 關(guān)系曲線圖

利用庫(kù)倫表達(dá)式τ＝σtanφ+c用圖解法確定相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，按曲線的斜率和截距確定內(nèi)摩擦系數(shù)和黏聚力，試驗(yàn)成果見表4。

表4 直剪試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)表

2.2 成果分析

從τ-ε曲線可以分析得出抗剪斷在不同的法向荷載下破壞形式大體相同，各巖體試體剪切破壞均屬于彈塑性破壞，隨著水平推力的增加，變形量不大，近似呈直線型，當(dāng)水平推力加至一定壓力時(shí)，試體馬上破壞，水平變形突增，峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度相差較大。其中試體P1 豎向荷載較大，破壞形式與其它試體差異明顯，破壞以后，隨著水平位移的增加，水平壓力會(huì)出現(xiàn)增加的情況，分析與剪切面起伏差較大有關(guān)。

從σ-τ曲線可以看出，抗剪斷峰值和抗剪峰值大都有一定的規(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。

2.3 巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

（1）巖體抗剪強(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)度參數(shù)按峰值強(qiáng)度取值，抗剪強(qiáng)度參數(shù)按殘余強(qiáng)度與比例極限強(qiáng)度二者的小值或抗剪試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度取值。因此得出本次試驗(yàn)的最終成果，巖體抗剪斷內(nèi)摩擦系數(shù)為1.02、內(nèi)摩擦角為45.57°，黏聚力為0.079 MPa；巖體抗剪內(nèi)摩擦系數(shù)為0.42、內(nèi)摩擦角為22.78°，試驗(yàn)黏聚力為0.033 MPa，理論黏聚力為0。

（2）巖體等效內(nèi)摩擦角計(jì)算

巖體等效內(nèi)摩擦角是考慮黏聚力在內(nèi)的假象“內(nèi)摩擦角”[8]，根據(jù)巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用式（1）計(jì)算，邊坡高度取值5 m、10 m、15 m、20 m、25 m 及30 m時(shí)，巖體等效內(nèi)摩擦角數(shù)值見表5。

表5 不同邊坡高度巖體等效內(nèi)摩擦角數(shù)值表

式中：φd為巖體等效內(nèi)摩擦角，（°）；φ為巖體內(nèi)摩擦角，（°）；c為巖體黏聚力，kPa；γ為巖體的重度，kN/m3；H為邊坡高度，m；θ 為巖體破裂角，（45+φ/2）°。

3 室內(nèi)巖石直剪試驗(yàn)

為了對(duì)比原位剪切試驗(yàn)指標(biāo)和室內(nèi)巖石試驗(yàn)指標(biāo)的差異，本次試驗(yàn)取中等風(fēng)化泥巖巖芯樣品進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)采用快速直剪法進(jìn)行，將試件置于直剪儀上，試件的受剪切方向應(yīng)與工程巖體受力方向一致。試件與剪切盒內(nèi)壁之間的間隙以填料填實(shí)，使試件與剪切盒成為一體。預(yù)定剪切面應(yīng)位于剪切縫中部。法向荷載和剪切荷載應(yīng)通過預(yù)定剪切面的幾何中心。法向荷載最大值不宜小于工程壓力，最大法向應(yīng)力根據(jù)試件抗壓強(qiáng)度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度確定，等分5級(jí)施加，待每級(jí)法向變形穩(wěn)定后分別施加水平荷載，分10～12 級(jí)施加水平荷載，直至試件被剪斷。對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，剔除個(gè)別異常值，確保變異系數(shù)不大于0.3，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

表6 巖石室內(nèi)直剪抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，巖石室內(nèi)直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)值取值，內(nèi)摩擦系數(shù)為1.04、內(nèi)摩擦角為46.12°，黏聚力為0.84 MPa。

對(duì)比巖體和巖石的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，二者內(nèi)摩擦系數(shù)和內(nèi)摩擦角基本一致，巖石黏聚力與巖體黏聚力差異較大，前者數(shù)據(jù)基本為后者數(shù)據(jù)的10.6 倍。分析原因主要如下：①室內(nèi)試驗(yàn)所用巖樣代表性較差，且數(shù)據(jù)樣本量偏少，數(shù)據(jù)的隨機(jī)性和離散性較大，且在取樣運(yùn)輸過程中，擾動(dòng)較大，失水飽和度較野外原位試樣飽和度低，試驗(yàn)測(cè)得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)可靠性差；②試樣的尺寸效應(yīng)，試樣的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度常隨其尺寸的增大而減小；③試樣完整性不同，原位巖體剪切面大，比完整巖石存在更多的結(jié)構(gòu)面，完整性相對(duì)較差，試驗(yàn)參數(shù)偏低。原位剪切試驗(yàn)應(yīng)控制垂直應(yīng)力和剪切應(yīng)力加載速率、剪切應(yīng)力加載方向、測(cè)量誤差等，不管是從尺寸效應(yīng)、應(yīng)力狀態(tài)還是試驗(yàn)體完整程度上考慮，現(xiàn)場(chǎng)原位剪切試驗(yàn)結(jié)果均比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果有較大優(yōu)勢(shì)和可信度[9]。

4 結(jié)論

（1）膠東白堊系泥巖巖體剪切破壞過程明顯分為四個(gè)階段，即彈性變形階段、微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段、非穩(wěn)定發(fā)展階段和破壞后階段，其破壞總體具有彈塑性破壞特征。

（2）巖體現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)測(cè)得的泥巖巖體內(nèi)摩擦角與室內(nèi)巖石直剪試驗(yàn)測(cè)得內(nèi)摩擦角基本一致，巖體黏聚力較巖石黏聚力偏小。

（3）由于結(jié)構(gòu)面性質(zhì)的復(fù)雜性和變異性，室內(nèi)巖石試驗(yàn)得出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨機(jī)性和離散較大，從而使得數(shù)理統(tǒng)計(jì)得到的參數(shù)取值具有較大的偏差，同時(shí)室內(nèi)試驗(yàn)由于尺寸效應(yīng)和試驗(yàn)體完整性與原位試驗(yàn)存在較大差異，不能很好地反映實(shí)際情況，而現(xiàn)場(chǎng)巖體抗剪試驗(yàn)剪切面大，巖體保持原狀擾動(dòng)小，所有試體抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)規(guī)律性較好，試驗(yàn)得出的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)更能真實(shí)反映巖體抗剪強(qiáng)度，更接近于工程實(shí)際狀態(tài)，可用于工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化。