鄂西高速公路岩体结构面强度参数试验研究

地球科学进展

ADVANCE IN EARTH SCIENCES Vol.19　 Suppl.J un.，2004 1001-8166 ）增-0312-06 文章编号：（2004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

Hoek- Brown 经验方法对各类岩体结构面强度参数进行了数。最后在岩体工程分类的基础上，利用 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

P2　　　文献标识码： A中图分类号：

　　湖北省西部地处云贵高原之东北部边缘的“鄂

m以上，西高原”，地面高程多在500 地形地貌表现

中统巴东组第三段（T2b）薄—中厚层泥灰岩、灰岩、白云质灰岩，巴东组第二段（T2b）薄—中厚层紫红色泥岩夹厚层状泥质粉砂岩，巴东组第一段（T2b）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。

123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

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（T2b）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（T1d）、临湘组（O3L）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。

K139 655 即潭沟桥左10 m试验点1布置在 ＋cm 50 cm 25 cm ，处，试件尺寸为50 ××地层岩性为

2大冶组（T1d）薄—中厚层灰岩夹泥岩泥灰岩，产状：

2004-04-10．　收稿日期：E- mail yzyz 731112＠ tom. com 　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．： 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　　　　　　 133324 ～336 ∠40～46 ，6 mm ，夹层厚度4～节理不K62 880 即距贺家坪堡镇发育。试验点2布置在 ＋5 km 处，cm 50 cm 50 cm ，试件尺寸为50 ××地层岩

oooo泥化性为临湘组（O3L）厚～巨厚层状灰岩夹泥岩，

115 mm ，273 ～277 ∠34～40 ，夹层厚50 ～产状：

73 mm 。试验点3布置发育有两组节理，隙宽40 ～K60 610 即贺家坪镇西南100 m左右，＋试体尺寸在 cm cm cm 。地层岩性为临湘组为50 ×50 ×35 oooo（O3L）中厚—厚层状青灰色瘤状灰岩，灰岩层面为

oomm ，2 ～256 结晶的方解石，厚度小于2 产状：

27 。∠24～

所有试验点均采用平推法。凿出毛坯后，配好1.5 cm 的剪切缝。法向应保护装置，同时预留1～

t千斤顶配标准压力表逐级施加，力采用50 在施压

oo过程中保持法向应力不变，并使法向应力和剪应力

t千斤作用点通过试体中心。水平剪应力也采用50 12 级顶配标准压力表千斤顶配标准压力表，分8～

施加剪应力，剪切速率以时间为控制因素，每隔5min 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

f值。抗剪参数c、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

）曲线（图1），并求得结应力下剪应力（τ）—位移（v构面抗剪强度参数试验成果（表1）。

表1Table 1s曲线图1　各试验点在不同正应力下的τ～Fig.1　 Thecurve ofshearing stressand d isplacem entofallsam ples 原位试验抗剪参数成果表

风化程度中风化强风化微风化剪切刚度KsMPa / cm ）（ 3.691.043.98 Shear strengthparam eters inin- situs hear testing 试验点编号试验点1试验点2试验点3地层岩性T1d破坏面描述mm 壁岩较坚硬，较粗糙，起伏差2～4 mm ，岩壁较粗糙，起伏差5～15 泥岩层厚50mm ～115 15 mm ，岩性坚硬，粗糙，起伏差8～岩层层面mm 为硅质胶结，厚度≤2 CMPa （ ）0.113 0.028 0.132 峰值强度残余强度CM Ф（°）（Pa）Ф（°）25.5 11.5 31.0 0.048 0.023 0.053 24.5 8.9 33.1 灰岩夹泥岩O3L灰岩夹泥岩O3L灰岩　　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

143　　　　　　　　　　　　　地球科学进展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第19卷

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（O3L）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

表2Table 2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。

软弱夹层矿物成分分析成果表

矿物成分分析结果绿泥石（％）伊利石（％）方解石（％）石英（％）长石（％）其它（％）302525155－3032352560532Mineralogical analyses ofintercalat ed gouge 试验点编号试验点1试验点2试验点3O软弱夹层类型T1d夹泥岩O3L试件编号H1- 1H 1- 2H3- 1H 2 3-H4- 13L灰岩夹泥岩－－982555 －1837－－－ 2灰岩（钙质充填）－－－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

个，6XJ－1 型携带式剪力样，试样取5～采用仪器 质相对较好，也没有涉及室内力学试验。

h，试验时，试件在剪切盒内浸水饱和48 在法向min 读数一载荷施加完毕的第一小时内，每隔15 min 读数一次，次，然后每30 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

仪进行室内剪切试验。同时，其矿物成分利用D/M AX－ 3 ABX 射线衍射仪分析。对于试验点1和试

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

图2、图3及图4。果表3、

由图2、图3可知，试验点1和试验点2现场剪

（岩夹土）参切试验参数与试验点1室内模拟试验

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

考虑到泥岩夹层厚度分布不均，将结构面的验点2，

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

表3试结构验面类点型岩与岩试验点1室内结构面剪切试验成果表

CTable 3　 Shear strengthofstructuralsurface inindoor shear testing 地层岩性大冶组（T1d）薄—中厚层灰岩试结构点型C试件编号1－1－2 1－1－3 1－1－4 1－1－5 1－1－6 结构面特点壁岩较坚硬、较平直、张开壁岩坚硬、较平直、张开壁岩坚硬、粗糙、闭合壁岩较坚硬、平直、张开壁岩坚硬、较平直、张开岩性较软、平直、张开、泥膜岩性较软、较粗糙、闭合岩性较软、平直、闭合岩性较软、平直、张开岩性较软、平直、张开、泥膜岩性较软、平直、张开、泥膜MPa （ ）Ф/（°）验面类0.1250.2130.3470.0620.1040.0150.0690.0360.0230.02634 36.4 41.2 40.2 43.5 38.2 23 32.2 27.7 39.4 地层岩性临湘组（O3L）灰岩夹泥岩试件编号3－1－1 结构面特点壁岩较坚硬、较平直、张开壁岩坚硬、粗糙、闭合壁岩坚硬、较平直、闭合壁岩较坚硬、粗糙、闭合壁岩坚硬、较平直、张开岩性较软、平直、张开、泥膜岩性较软、平直、张开岩性较软、平直、闭合岩性较软、平直、闭合岩性较软、较粗糙、闭合－MPa （ ）Ф/（°）0.078 11.8 0.19.4 0.075 12.4 0.105 13.1 0.070.0160.0213.5 7.4 11.6 0.09512.04 0.019 10.5 0.022 11.5 0.023 12.3 岩与岩试验23－1－2 3－1－3 3－1－4 3－1－5 算术平均值1－2－1 大冶组岩（T1d）夹薄—中厚土层灰岩夹泥岩1－2－2 1－2－3 1－2－4 1－2－5 1－2－6 0.17039.06 点0.094 22.2 岩夹土算术平均值3－2－1 临湘组（O3L）灰岩夹泥岩3－2－2 3－2－3 3－2－4 3－2－5 算术平均值0.04430.45 －算术平均值－0.02－10.66 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　　　　　　 153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

其力学性质很差；而试验点3层面胶结物达90％，

的钙质成分（即方解石）高达98％，该胶结物的性质较好。

～σ曲线图2　各种方法求得的试验点1τ

Fig.2　 Thecurve ofshearing stressand direct stresson sam ple 1图3　各种方法求得的试验点2τ～σ曲线

Fig.3　 Thecurve ofshearing stressand direct stresson sam ple 3 withvariouskindsofmethod s4　抗剪参数经验估算受测试体地质条件的，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1T1d泥灰岩层面抗剪指标：c为0.06 0.13 MPa ，～Ф30°c为0为20 ～；试验点2O3L泥化夹层抗剪指标：0.02 MPa ，20°～Ф为10 ～；试验点3O3L灰岩层面抗

图4　各种方法求得的试验点4τ～σ曲线

Fig.4　 Thecurve ofshearing stressand direct stress ons am ple 4 withvariouskindsofmethods 163　　　　　　　　　　　　　地球科学进展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第19卷

表4　各类岩体经验系数表

Table 4　 Empiricalparam eters of variouskindsofrockmass c为0.05 0.15 MPa ，40°剪指标：～Ф为30 ～。4.1工程岩体分类

RMR 分类。（1） Bienawski ）提出的 RMR 分类体系考虑5（1973试验点编号试验点1试验点2试验点3岩　　组RMR Q ABT 个因素：①岩块单轴抗压强度；②岩石质量指标

RQD 值；③结构面间距；④结构面条件；⑤地下水状

RMR 值，况。综合以上因素计算出岩体质量评分 并据以分类。各试验点的分类评价结果见表4。

8.750.2980.665－ 0.000591 灰岩夹泥灰岩（Ⅲ）53 0.000185 灰岩夹泥岩（Ⅳ）30.11.280.1630.655－74.924.90.4070.67 0.0092 灰岩（Ⅱ）－以表4中岩块单轴抗压强度是室内力学试验、

RQD 值是通过经验数据及宏观地质特征综合确定，

野外钻探资料、结构面统计综合求得，其它指标根据

）Q分类。（2Barton 由 （1974）等提出的Q分类体系，考虑岩

RQD 值、石质量指标 节理组数Jn、节理粗糙系数Jr、

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

RMR 值，根据表4求得的岩体 查表可得相应试

节理蚀变系数Ja、地下水折减系数Jw及应力折减

SRF 系数6个参数，并用下式计算岩体质量Q值：

Q＝

JrJuRQD ・・JnJaS FR （1）

验点岩体得Cm、Ф（表5）。m值

表5Table 5不同方法求得的各试验点抗剪参数表

试验点1T1d薄—中厚层壮灰 Shear strengthofallsam pleinvarious methods 　　　　试验点编号及岩性项目　　　　　　　　　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Hoek- Brown 法试验点2O3L厚—巨厚层状O3L试验点3中厚—厚层壮0.132 31.0 0.053 33.1 岩夹泥灰岩CMPa （ ）0.11325.50.04824.50.17039.060.04430.450.15300.100428.6灰岩夹泥岩0.028 11.5 0.023 8.9 0.095 12.04 0.02 10.66 0.1 20 0.0124 17 青灰色瘤状灰岩峰值强度残余强度岩与岩类型岩夹土类型RMR 分类法Φ（°）CMPa （ ）Φ（°）MPa C（ ）————0.2 40 2.05 39.4 Φ（°）CMPa （ ）Φ（°）Cm（ MPa ）Фm（°）MPa Cm（ ）Фm（°）Hoek－ Brown 　　 （1980）提出用下式估算岩体的抗值等各种数据，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。

剪强度：

Bσ

τ＝Aσ（－T）（2）cσc2　　由（）式可进一步得到抗剪强度参数Cm、Фm：

Cm＝Aσ（－T）cB（3）（4）

φ＝mdτB－1σAB ＝ （－T）

dσσc6　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

　　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

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　　　　　　

表6　各试验点抗剪强度参数建议值

Table 6　 The suggested value ofshear strength ofallsam ples 173反映研究区岩体及结构面力学性质的实际情况。

References ）：参考文献（ SL2-2001 ，Specification For Rock Testsin Water Conserv ancy ［1］　 andH ydroelectric Engineering ［Z］.Bieniawski ZT．Engineering Rockmass Classi fication Wu Lix-［2］　 ［M］. inWang J ianfeng translated. Wuhan ： China （吴立新），（王建峰）， niversityof UMining Press ，1993 in Chinese （ ）.Liu Yourong Tang Huiming Rockmass Me-［3］　 （刘佑荣），（唐辉明）. chanics Wuhan ：China Universityof Geology Press ，1998 ［M］. （in hineseC ）.Pan Bietong Estimatemethods ofengineering rockmass ［4］　 （潘别桐）. Strength ［JEarth Science 1985 ，1055- ］. （地球科学），（1）：（inC hinese ）.地层岩性风化试验点试验点程度编号风化风化1峰值抗剪强度残余剪切强度MPa MPa ）Ф（°）C（ ）Ф（°）位置C（ 0.1～0.15 0～0.02 0.13～0.15 24～280.048 24.5 T1d薄—中厚层中试验点恩施高坪恩施堡镇恩施贺家坪灰岩夹泥灰岩状灰岩夹泥岩O3L厚—巨厚层强试验点2O3L中厚—厚层状微试验点11.50.02310～8.9 青灰色瘤状灰岩风化331～340.053 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

EXPERIM ENTALSTUDY ONSHEAR STRENGTH OF R OCKMASS STRUCTURALSURFACEOFFREEW AY I N THEWEST OFHUBEIPROVIN CE YUZ i- hua ，YAN E-c huan China universityof Geosciences ， Wuhan 430074 ，China （ ）

Abstract ：The shear strength param etersof rock mass and structural surface （ bedding plane of acertain ） freeway of Yichang- En shisegm entin Hubeipr ovince arestudied. The maincontentsinclude s：the brieffieldinves-＇tigation ofrock mass and weak structuralsurf ace ，in- situsheartesting ofweak structuralsurf ace ，indoorsimulation t esting between rock and structuralsurface ， the experiential method estimating param ete rsof rock mechanics. On t he basisofanalyzing and balancing ofthe lar ge am ountofdataobtained from testing allkin dsofadvising values of s hear strength param etersof weak structural surface calculated ， and considering concretely geological condi tion of e ngineering rockmass ， Thispaper provides auniversal and feasiblem ethod.K ey words ： In- situ shear testing ； Shear strength param eter ； Structuralsurface ； Param eter estimation．