鄂西高速公路岩体结构面强度参数试验研究

第19卷　增刊2004年6月
地球科学进展
A DVANC E I N E AR T H S C I ENCE S
V o l.19　S uppl.
J u n.，2004
文章编号：1001-8166（2004）增-0312-06
鄂西高速公路岩体结构面强度参数试验研究
余子华，晏鄂川
（中国地质大学，湖北　武汉　430074）
摘　要：对湖北省西部某高速公路宜昌—恩施段主要岩体结构面（层面）的抗剪强度参数进行了较系统的试验研究，包括岩体结构面的野外地质调查、岩体结构面原位直剪试验、结构面室内模拟试验及岩体力学参数估值等。

通过对各种试验数据进行整理、分析和对比，得到了岩体结构面强度参数。

最后在岩体工程分类的基础上，利用H oe k-B r o wn经验方法对各类岩体结构面强度参数进行了估算。

综合以上多种数据，并考虑岩体结构面所处具体地质条件，提出了各类岩体结构面强度参数建议值。

关　键　词：原位剪切试验；抗剪强度指标；结构面；参数估算
中图分类号：P642 文献标识码：A
湖北省西部地处云贵高原之东北部边缘的“鄂西高原”，地面高程多在500m以上，地形地貌表现为中低山—低中山且起伏差大，地层岩性复杂多变，工程地质条件复杂，不良地质现象发育。

因此，在该地区修建高速公路的过程中，不可避免地要遇到大量的岩体工程。

岩体结构面抗剪强度参数是岩体工程设计及计算的重要参数之一。

因此，获取真实准确的岩体结构面抗剪强度参数对高速公路工程建设具有重要的现实意义。

1　工程地质概况
研究区为鄂西某高速公路湖北省宜昌至恩施段，其构造位置整体属于扬子准地台中上扬子区的湘鄂黔台褶带的东北部，为新华夏系鄂西隆起带的南段。

构造线走向总体为北东—南西向，主要表现为宽缓向斜与紧闭背斜相间的隔档式构造，区内出露地层（岩性）有：寒武系、奥陶系临湘组（O3L）厚—巨厚层状灰岩夹泥岩以及中厚—厚层状青灰色瘤状灰岩，志留系、二叠系上统大隆组（P2d）中—薄层硅质岩夹灰岩，三叠系下统大冶组（T1d）薄—中厚层状灰岩夹泥灰岩，三叠系下统嘉陵江组（T1j）薄—中厚层、厚层灰岩、白云岩夹溶崩角砾岩、泥灰岩，三叠系
中统巴东组第三段（T32b）薄—中厚层泥灰岩、灰岩、白云质灰岩，巴东组第二段（T22b）薄—中厚层紫红色泥岩夹厚层状泥质粉砂岩，巴东组第一段（T12b）泥岩、薄层灰岩以及薄—中厚层白云质灰岩、泥灰岩。

现有的地质调查资料和勘探资料表明，其可能存在的工程地质问题主要是顺层边坡失稳及老滑坡复活。

尤其是在贺家坪堡镇一带，可见多处老滑坡发育。

因此，研究该区内岩体结构面性质意义重大。

2　原位剪切试验
2.1　试验布置及步骤
本次试验点的布置主要考虑研究区地层条件、工程实际需要、试验点的代表性以及试验操作的可行性。

据野外调查，大冶组（T1d）、巴东组第二段（T22b）及临湘组（O3L）地层出露区的路基工程地质条件总体较差。

因此，在大冶组（T
1d
）、临湘组（O
3L
）灰岩夹泥岩以及临湘组（O3L）瘤状灰岩地层段各布置一个试验点，进行结构面原位直剪试验。

试验点1布置在K139＋655即潭沟桥左10m 处，试件尺寸为50c m×50c m×25c m，地层岩性为大冶组（T1d）薄—中厚层灰岩夹泥岩泥灰岩，产状：
　收稿日期：2004-04-10．
　作者简介：余子华（1979-），男，硕士研究生，主要从事岩土体稳定性评价与治理研究．E- m a i l：y z yz 731112＠t om. c om
324o～336o∠40o～46o，夹层厚度4～6m m，节理不发育。

试验点2布置在K62＋880即距贺家坪堡镇5k m处，试件尺寸为50c m×50c m×50c m，地层岩性为临湘组（O3L）厚～巨厚层状灰岩夹泥岩，泥化夹层厚50～115m m，产状：273o～277o∠34o～40o，发育有两组节理，隙宽40～73m m。

试验点3布置在K60＋610即贺家坪镇西南100m左右，试体尺寸为50c m×50c m×35c m。

地层岩性为临湘组（O3L）中厚—厚层状青灰色瘤状灰岩，灰岩层面为结晶的方解石，厚度小于2m m，产状：254o～256o ∠24o～27o。

所有试验点均采用平推法。

凿出毛坯后，配好保护装置，同时预留1～1.5c m的剪切缝。

法向应力采用50t千斤顶配标准压力表逐级施加，在施压过程中保持法向应力不变，并使法向应力和剪应力作用点通过试体中心。

水平剪应力也采用50t千斤顶配标准压力表千斤顶配标准压力表，分8～12级施加剪应力，剪切速率以时间为控制因素，每隔5 m i n读数一次，直到试件（软弱结构面）在某级剪切荷载作用下破坏或剪断。

试验结束后，对试件（软弱结构面）进行地质描述，并测量剪切面的起伏差，校核实际剪切面积，根据实测面积反算相应的法向应力和水平剪应力，最后，根据图解法求得结构面的抗剪参数c、f值。

2.2　试验成果及分析
各试验点的试验数据经校正后，绘制出各级正应力下剪应力（τ）—位移（v）曲线（图1），并求得结构面抗剪强度参数试验成果（表1）。

图1　各试验点在不同正应力下的τ～s曲线F i g.1　T h e c u r ve o f s h e a r i n g s t res s a n d
d i s p l a c
e m e n t o
f a l l s am p l e s
表1原位试验抗剪参数成果表
T a b l e1S h e ar s t re n g t h p a r am e t er s i n i n-s i t u s h e ar t es t i n g
试验点编号地层岩性破坏面描述
风化
程度
剪切刚度K s
（M P a/c m）
峰值强度残余强度
C（M P a）Ф（°）C（M P a）Ф（°）
试验点11d
灰岩夹泥岩
壁岩较坚硬，较粗糙，起伏差2～4m m中风化 3.690.11325.50.04824.5
试验点2
O
3L
灰岩夹泥岩
岩壁较粗糙，起伏差5～15m m，泥岩层厚50
～115m m
强风化 1.040.02811.50.0238.9
试验点3O3L灰岩岩性坚硬，粗糙，起伏差8～15m m，岩层层面
为硅质胶结，厚度≤2m m
微风化 3.980.13231.00.05333.1
试验结果表明，试验点1所有6个试件均沿结构面（层面）破坏，且在较低正应力下表现为塑性破坏特征，而在较高正应力下表现为弹塑性破坏特征。

对于试验点2，所有6个试体均沿软弱结构面最终破坏，且在较低正应力下剪应力峰值和应力下降不明显。

而在高正应力下，虽有较明显的应力降，但剪应力峰值不明显，故试验点2的所有试体的剪切变形主要表现为塑性变形特征，其特点是剪切强度低且随位移变化小，屈服后无明显峰值和应力降。

对于试验点3，在较低的正应力下，剪应力峰值和应力
3
1
3
增刊 余子华等：鄂西高速公路岩体结构面强度参数试验研究
降明显。

而在较高正应力下，剪应力峰值以及应力降较明显。

故试验点3试体的剪切变形主要表现为弹塑性变形特征。

由表1可知，同是临湘组（O 3L ）地层，试验点2的结构面抗剪强度比试验点3的低，主要是以下因素造成：①岩体风化程度：试验点3岩体位于强风化
带，试验点4岩体位于微风化带；②软弱夹层物质成
分，特别是粘粒含量多少：由矿物成分分析（表2）可知，前者为泥岩，粘粒含量明显比后者高，后者为结晶的方解石；因此，以上诸因数在计算参数取值时应予以考虑。

表2
软弱夹层矿物成分分析成果表
T a b l e 2
M i n er a l og i c al a n a l y se s o f i n t erc a l at e d g o u ge
试验点编号软弱夹层类型
试件编号
矿物成分分析结果
绿泥石（％）伊利石（％）方解石（％）石英（％）长石（％）其它（％）
试验点1T 1d 夹泥岩 H 1-1 H 1-2 30302525252
1525
518
－
－试验点2O
3L
灰岩夹泥岩
H 3-1 H 3-2 3235
6053
－－
5537
－－
试验点3
O
3L
灰岩（钙质充填） H 4-1
－－98
－
－
2
3　室内软弱结构面模拟试验
为了研究各试验点软弱结构面的抗剪强度，在进行现场剪切试验的同时，通过风钻、人工凿挖取
样，试样取5～6 个，采用仪器
X J －1 型携带式剪力仪进行室内剪切试验。

同时，其矿物成分利用D /
M A X － 3 A B X 射线衍射仪分析。

对于试验点1和试
验点2，
考虑到泥岩夹层厚度分布不均，将结构面的性质分为两类，即岩石与岩石型、岩石夹泥土型，由
于泥岩夹层现场不好取样，故采用将泥岩单独取样，利用X 射线衍射仪分析其矿物成分，成果见表2，再在实验室内用相似材料代替之，进行剪切试验，成果见表3。

对于试验点3，由于钙质胶结成分极薄且性
质相对较好，也没有涉及室内力学试验。

试验时，试件在剪切盒内浸水饱和48 h ，在法向载荷施加完毕的第一小时内，每隔15 m i n 读数一次，然后每30 m i n 读数一次，当法向位移不超过0.05 时，可施加剪切载荷。

剪切载荷施加与野外现
场原位直剪试验一致，试验过程中法向载荷应始终保持常数。

试验结果取饱和状态下的峰值，详见成
果表3、
图2、图3及图4。

由图2、图3可知，试验点1和试验点2现场剪
切试验参数与试验点1室内模拟试验
（岩夹土）参数相差较小，而与试验点1岩体结构面抗剪强度室内模拟试验（岩与岩）参数偏差较大，故试验点1计算参数选取以现场剪切试验和室内模拟试验（岩夹
表3
室内结构面剪切试验成果表
T a b l e 3 S h e ar s t re n g t h of s t r u c t u r al s u r f a c e i n i nd oor s h e ar t es t i n g
413 地球科学进展 第19卷
土）2种数据为基础，同时表明结构面软弱夹层性质在很大程度上决定了结构面抗剪强度。

由表2可知，试验点1软弱层面以泥灰岩为主，试验点2泥化夹层的粘粒含量（即绿泥石和伊利石含量之和）高
达90％，
其力学性质很差；而试验点3层面胶结物的钙质成分（即方解石）高达98％，该胶结物的性质较好。

图2　各种方法求得的试验点1τ
～σ曲线 F i g.2 T h e c u r ve o f s h e a r i n g s t res s a n d d i rec t s t res s on s am p l e 1
图3　各种方法求得的试验点2τ～σ曲线
F i g.3 T h e c u r ve o f s h e a r i n g s t res s a n d d i rec t s t res s on s am p l e 3 w i t h va r i o u s k i nd s of m e t h od s
图4　各种方法求得的试验点4τ～σ曲线
F i g.4 T h e c u r ve o f s h e a r i n g s t res s a n d d i rec t s t res s
o n s am p l e 4 w i t h va r i o u s k i nd s of m e t h o d s
4　抗剪参数经验估算
受测试体地质条件的限制，获得的现场原位测试参数分散性较强。

因此，采用现场原位试验、室内模拟试验和经验估值等途径获取多种资料后，进行对比研究。

本文根据研究区试验点岩体结构面发育状况，并结合室内岩体结构面矿物鉴定和力学试验成果，提出经验值。

最后，给出以岩体工程分类为基础的岩体抗剪强度参数，以便进行对比。

综合以往相似地质条件的经验数据，试验点1
T 1d 泥灰岩层面抗剪指标：c 为0.06 ～0.13 M P a ，Ф为20 ～30°；试验点2O 3L 泥化夹层抗剪指标：c 为0～0.02 M P a ，Ф为10 ～20°；试验点3O 3L 灰岩层面抗
513
增刊 余子华等：鄂西高速公路岩体结构面强度参数试验研究
剪指标：c 为0.05 ～0.15 M P a ，Ф为30 ～40°。

4.1工程岩体分类
（1）
R M R 分类。

B i e n a w s ki （1973
）提出的 R M R 分类体系考虑5个因素：①岩块单轴抗压强度；②岩石质量指标
R Q D 值；③结构面间距；④结构面条件；⑤地下水状
况。

综合以上因素计算出岩体质量评分
R M R 值，并据以分类。

各试验点的分类评价结果见表4。

（2
）Q 分类。

由 B a r t o n （1974 ）等提出的Q 分类体系，考虑岩
石质量指标 R Q D 值、节理组数J n 、节理粗糙系数J r 、
节理蚀变系数J a 、地下水折减系数J w 及应力折减
S R F 系数6个参数，并用下式计算岩体质量Q 值：
Q ＝
R Q D
J n ・J r J a ・J u S F R
（1）
表4　各类岩体经验系数表
T a b l e 4 E m p i r i c al p a r am e t er s o f
v a r i o u s k i nd s of r o c k m a s s
试验点编号岩 组
R M R Q A B
T 试验点1
灰岩夹泥灰岩（Ⅲ）53
8.750.2980.665 －0.000591 试验点2灰岩夹泥岩（Ⅳ）30.1 1.280.1630.655 －
0.000185 试验点3
灰岩（Ⅱ）74.924.90.4070.67 －
0.0092 以表4中岩块单轴抗压强度是室内力学试验、
经验数据及宏观地质特征综合确定，
R Q D 值是通过野外钻探资料、结构面统计综合求得，其它指标根据
野外地质调查给出。

由以上可知，两种分类方法所得岩体质量评价结果基本一致。

4.2　工程岩体抗剪参数估算
根据表4求得的岩体 R M R 值，查表可得相应试
验点岩体得C m 、Фm 值
（表5）。

表5
不同方法求得的各试验点抗剪参数表
T a b l e 5
S h e ar s t re n g t h of a l l s am p l e i n va r i o u s m e t h o d s
结构面或岩体原位直剪试验强度参数结构面室内模拟试验强度参数岩体力学经验估值参数
峰值强度残余强度岩与岩类型岩夹土类型
R M R 分类法
H oek- B r o w n 法
Φ（°）
25.5 11.5 31.0 C （ M P a ）
0.048 0.023 0.053 Φ（°）
24.5 8.9 33.1
C （ M P a ）
0.170 0.095 —Φ（°）
39.06 12.04 —
C （ M P a ）
0.044 0.02 —Φ（°）
30.45 10.66 —
C m （ M P a ）0.15 0.1 0.2 Фm （°）30 20 40 C m （ M P a ）0.1004 0.0124 2.05 Фm （°）
28.6
17 39.4
H oe k － B r o w n （1980 ）提出用下式估算岩体的抗剪强度：
τ＝A σc
（σ
σc
T ）B （2） 由（2）式可进一步得到抗剪强度参数C m 、Фm ：
C m ＝A σc
（－T ）B
（3）φm
＝d τd σ＝ A B （σσc
－T ）
B －1（4）
综合各种方法求得的抗剪强度参数成果列于表5。

5　抗剪强度参数的建议值
综合现场原位剪切试验、室内模拟试验、经验估
值等各种数据，成果列于图2、图3、图4。

由图可知，通过对比求得的岩体结构面抗剪参数，虽有一定的分散性，但其偏差都不太大。

因此，计算参数选取时以现场数据为基础，充分考虑其它数据的校正作
用，同时结合考虑岩体结构面所处地质条件等等。

研究区岩体及结构面抗剪强度参数建议值列于表6。

6　结　语
影响软弱结构面抗剪强度的因素是复杂多样的。

本文提倡在利用规范确定抗剪强度参数时，通
过对研究区岩体及结构面力学性状的全面研究，以工程地质条件为基础，以少量现场原位剪切试验及
613 地球科学进展 第19卷
表6　各试验点抗剪强度参数建议值
T ab l e 6 T he s ugg e st e d v a l ue o f s h e ar s t re ng t h o f a l l s am p l e s
地层岩性
风化程度试验点编号试验点位置峰值抗剪强度残余剪切强度
C （
M Pa ）Ф（°）C （ M Pa ）Ф（°）T 1d 薄—中厚层灰岩夹泥灰岩中风化试验点
1
恩施高坪0.1～0.15 24～28
0.048 24.5
O 3L 厚—巨厚层状灰岩夹泥岩
强风化
试验点
2
恩施堡镇0～0.02 10～
11.50.023 8.9
O 3L 中厚—厚层状青灰色瘤状灰岩微风化
试验点
3
恩施贺家坪
0.13～0.15
31～34
0.053 33.1
室内模拟试验等方法获取资料进行比较分析研究。

该方法是准确获取岩体结构面力学参数的有效途
径。

表6提供的岩体及结构面抗剪参数建议值能够
反映研究区岩体及结构面力学性质的实际情况。

参考文献（
R e f ere n ce s ）：［1］　
S L264-2001 ， S pec ifi ca ti on F or R ock T e s t s i n W a t er C on s e r v a ncy a nd H yd r oe l ec tri c E ng i nee ri ng ［Z ］.
［2］ B i en i a w s ki Z T ． E ng i nee ri ng R ockm a s s C l a ss i f i ca ti on ［M ］.
W u L i x-i n （吴立新）， W ang J i an f eng （王建峰）， t r an s l a t ed. W uhan ： C h i na U n i ve rs it y of M i n i ng P r e s s ，1993 （ i n C h i ne s e ）.
［3］ L i u Y ou r ong （刘佑荣）， T ang H u i m i ng （唐辉明）.
R ockm a s s M e- c han i cs ［M ］. W uhan ： C h i na U n i ve rs it y of G eo l ogy P r e s s ，1998 （i n C h i ne s e ）.
［4］ P an B i e t ong （潘别桐）.
E s ti m a t e m e t hods o f eng i nee ri ng r ockm a s s S tr eng t h ［J ］. E a rt h S c i e n c e （地球科学），1985 ，10（1）：55-64 （i n C h i ne s e ）.
E X P E R I M E N T A L S T UD Y O N S H E A R S T R E N G T H O
F R O C K M A S S S T RUC T URA L S UR F AC E O F F R EE W A Y
I N T H E W E S T O F H U BE I P R O V I N C E
Y U Z i - h ua ， Y A N E - c hu a n
（ C h i na u n i vers it y o f G e o sc i e n ce s ， W uhan 430074 ， C h i na ）
A b st r a c t ： T he s h ea r s t r e n g t h p a r a m e t e r s o f r oc k m a s s a nd s t r u c t u r a l s u r f ac e （ b e dd i ng p l a ne ） o f a ce r t a i n f r ee w a y o f Y i c h a ng- E n ＇ s h i s eg m e n t i n H ub e i pr o v i n c e a r e s t ud i e d. T he m a i n co n t e n t s i n c l ude s ： t he b r i e f fi e l d i n ve s -
t i ga ti o n o f r oc k m a s s a nd w ea k s t r u c t u r a l s u r f a c e ， i n- s it u s h ea r t e s ti ng o f w ea k s t r u c t u r a l s u r f a c e ， i nd oo r s i m u l a ti o n t e s ti ng b e t w ee n r oc k a nd s t r u c t u r a l s u r f ac e ， t he e x p e r i e n ti a l m e t h o d e s ti m a ti ng p a r a m e t e r s o f r oc k m ec h a n i c s . O n t he b a s i s o f a n a l y z i ng a nd b a l a n c i ng o f t he l a r g e a m o un t o f d a t a o b t a i n e d f r o m t e s ti ng a l l k i n d s o f a d v i s i ng v a l u e s o f s h ea r s t r e n g t h p a r a m e t e r s o f w ea k s t r u c t u r a l s u r f ac e c a l c u l a t e d ， a nd c o n s i d e r i ng c o n c r e t e l y g eo l og i ca l c o ndi t i o n o f e n g i n ee r i ng r oc km a s s ， T h i s p a p e r p r ov i d e s a un i ve rs a l a nd f ea s i b l e m e t h o d.
K e y w o r d s ： I n- s it u s h ea r t e s ti ng ； S h ea r s t r e n g t h p a r a m e t e r ； S t r u c t u r a l s u r f ac e ； P a r a m e t e r e s ti m a ti o n ．
713
增刊 余子华等：鄂西高速公路岩体结构面强度参数试验研究 。