岩质边坡岩体节理结构面抗剪强度的确定方法

摘要：在岩质边坡地质勘察工作中，岩体节理结构面的抗剪强度是岩质边坡勘察要确定的重要参数，而节理结构面抗剪强度的确定一直是该领域的技术难题，本文将提出一种新的、操作性强的方法，利用抗圧试验求取节理结构面抗剪强度，并应用到实际边坡勘察工作中，实践证明，通过该方法确定的结构面抗剪强度更接近实际情况并更具有实用意义，而且操作、计算方便，对类似的边坡工程有一定参考价值。

关键词: 地质勘察；节理结构面；抗剪强度

中图分类号：U213.1+3文献标识码：A

引言

结构面是岩体中力学强度较弱的部位或岩性相对软弱的夹层所构成岩体的不连续面，包括了一切的地质分离面。不同的结构面，其力学性质不同、规模大小不一。节理是岩石中的裂隙，其两侧岩石没有明显的位移。地壳上部岩石中最广泛发育的一种断裂构造，而岩体节理结构面抗剪强度是岩质边坡地质勘察工作要确定的重要力学参数，也是影响边坡稳定性的重要因素之一，因为边坡岩体的破坏通常大多是沿结构面发生破坏的，符合“最弱环节”原理。目前如何求取节理结构面抗剪强度一直是工程界的技术难题。

节理结构面抗剪强度常用的求取方法主要有以下3种：(1)根据试验(原位剪切试验或室内直剪试验)分析选取。(2) 按规范或估算法选取。规范主要有国标、水利及铁路等行业规范标准等。(3)利用极限平衡法或数值分析进行反演确定。

岩体节理结构面抗剪强度确定方法

本文提出一种新的方法，利用“抗圧试验求取节理结构面抗剪强度”。

1、计算原理：在岩石单轴抗压强度试验中，有大量的试验块体在轴向应力作用下未产生抗压性碎裂破坏，而是沿着岩石的节理面滑动分离成二块（见图1），这类破坏模式计算的抗压强度并不是真正的岩石单轴抗压强度，其数值与典型碎裂破坏模式的抗压强度严重偏小，不宜参加抗压强度标准值的统计计算。而利用这类破坏模式的实验数据，可求得沿节理面滑动的抗剪强度，即节理结构面的抗剪强度。

2、计算方法：已知滑动破坏时的轴心压力、节理滑动面倾角及面积（椭圆形的长短轴求得），求解分向滑动面的作用力并计算抗剪强度，应用滑动破坏时的轴心压力、滑动面倾角与滑动面c、φ值的关系式求得该节理滑动面的c、φ值，计算模型见图2。

图1 抗压块体沿结构面滑动分离样件

（a） （b）

图2滑动面抗剪强度计算模型

据图2（b），滑动推力=破坏时轴心压力×sin滑动面倾角β，结构面抗剪强度=滑动推力/滑动面面积。

根据岩体力学理论可知，结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度，如图2（a）所示，当结构面与最大主平面的夹角β为锐角时，岩体将沿结构面滑移破坏，根据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度σ1与结构面倾角β的关系为：σ1-σ3=2（c+σ3tgφ）/(1-tgφctgβ)sin2β，式中：c、φ分别为结构面的粘聚力和摩擦角。当σ3=0时，σ1=破坏时的轴心压力，即σ1=2c/(1-tgφctgβ)sin2β。

三，与常用方法的的对比分析

结构面抗剪强度常用的求取方法有以下三种：

1、方法1：根据试验(原位剪切试验或室内直剪试验)分析选取。原位剪切试验费用很高，在一般的工程难以实施；室内直剪试验，由于岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的，在剪切试验加压过程中，很多时候试验剪切压力还没加到规定的数值，岩体可能已经开始滑动破坏了，因此很多情况下较难得到试验值，而且就算得出的抗剪强度试验值，也并不一定是真正的岩石结构面抗剪强度。

2、方法2：按规范或估算法选取。规范主要有国标、水利及铁路等行业规范标准等。由于各个国标、行标只提供一个抗剪强度取值的参考范围，只能是在一个大概范围取值，缺乏针对性，不符合工程的实际情况；而估算法则精度低、可靠性很差。

3、方法3：利用边坡状态和实测位移进行反演确定。该方法数据采集往往较困难，可操作性不强，还有待进一步的改进。

本文提出的方法比常规的岩石抗剪断试验得到的抗剪强度值更接近实际情况、更具有实用意义，目前未发现有前人利用这一方法，因此具有创新性。

四、现场工程应用

该方法应用到广东省内某岩质边坡地质勘察工程，该工程钻探直孔35个；，总长度1665.43m，室内岩样的抗压试验做了123组试验，按岩石坚硬程度进行统计，并利用该新方法计算确定岩体饱和、天然岩石节理结构面抗剪强度c、φ值，详见表1和表2。

表1岩石节理结构面饱和抗剪强度统计表

表2岩石节理结构面天然抗剪强度统计表

利用以上结构面抗剪强度参数进行边坡稳定性分析计算，根据现场实测数据验证表明，其结构面抗剪强度取值合理、符合实际。

五、结语

本文提出一种新的、合理的方法，利用抗圧试验求取节理结构面抗剪强度，并应用到实际边坡勘察工作中，实践证明，通过该方法确定的结构面抗剪强度更接近实际情况并更具有实用意义，对类似的边坡工程有一定参考价值。

参考文献

[1]《岩土工程勘察规范》（GB／20021-2001）2009版.

[2] 工程岩体试验方法标准(GB／TS0266—99)．北京：中国计划出版社，1999.

[3] 杜时贵，万颖君，颜育仁，等. 岩体结构面抗剪强度经验估算方法在杭千高速公路路堑边坡稳定性研究中的应用[J]. 公路交通科技，2005，22(9)：35–38.

[4] 封志军，赖紫辉. 边坡极限平衡分析中结构面抗剪强度的确定[J].铁道工程学报，2006，99(9)：16–19.

[5] 刘明维，何沛田，钱志雄，郑颖人．岩体结构面抗剪强度参数试验研究[J]．重庆建筑，2005.