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第 42 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 42 No.5 2014 年 10 月 COAL GEOLOGY different discontinuity; laboratory direct shear test; shear strength; stability 结构面的力学特性是影响岩体力学行为的主要 因素，也是影响岩体工程如地下洞室和边坡在外荷 载作用下变形和破坏特征的控制因素。从工程力学 参数上，结构面的存在与扩展导致岩体力学性质产 生了显著“弱化”和强烈的各向异性。因而，岩体的 结构面，在很大程度上影响了岩体的变形、破坏及 应力传递等力学作用，其对岩体的变形和破坏起着 控制作用[1]。因此对岩体结构面的力学性质研究， 明确岩体在各种荷载作用下结构面变形与强度所产 生的力学效应，具有重要意义。 近年来，许多学者已经对岩体结构面的剪切特 性做了较深入的研究，其中，结构面的抗剪切强度 是结构面力学特性最重要的力学指标，是国内外众 多学者所研究结构面力学最主要的课题之一。在结 构面强度参数研究方面，Patton[2]在考虑到锯齿状节 理的剪胀作用后， 推出了该种节理的剪切强度公式； 但当法向应力逐渐增大到可以将微凸体剪断时， Patton 又相应推出了节理双曲线剪切强度公式；当 考虑到节理面上各种大小微凸体是随法向应力的增 大而累进啃断的；Ladanyi 等[3]将摩擦力、剪胀力、 黏结力和岩桥的强度对峰值剪切强度的影响综合起 来，推出了考虑岩桥的节理峰值剪切强度公式；孙 广忠[4-5]认为，台阶形、锯齿形和波浪形是 3 种常见 的节理起伏度形态，并将相应的节理面分为 4 种破 ChaoXing 62 煤田地质与勘探 第 42 卷 坏形式台阶状节理面平直剪切滑动、台阶状节理 面压切、锯齿状和波纹状节理面爬坡滑动、锯齿状 和波纹状节理面啃断，并导出了相应的抗剪强度公 式；Gerrard[6]认为，滑动和啃断是节理剪切强度的 主要影响因素，对于初始偶合的新鲜节理，他提出 了节理剪切强度的总准则；夏才初等[7-8]考虑到节理 面的起伏度和粗糙度的影响推出了节理面的剪切强 度公式。 在结构面模型试验及本构模型建立方面，沈婷 等[9]通过直剪模型试验和非线性有限元分析，研究 了由结构面和岩桥组成的剪切面在不同法向应力、 不同岩桥面积及不同岩桥分布型式等条件下的综合 抗剪强度、较客观地评价了岩桥对剪切面抗剪强度 指标的影响。许宏发等[10]在分析了岩体节理剪切变 形常用双曲线模型和指数模型的基础上，提出了一 种幂函数模型；文献[11-13]研究了节理在循环剪切 荷载作用下的应力应变特征；杜守继等[14]基于不规 则的人工岩石节理经历不同剪切变形历史的剪切试 验，分析了岩石节理剪切变形特性及与变形历史的 依存关系；李海波等[15]利用人工浇铸的表面为锯齿 状的混凝土岩石节理试样，研究不同剪切速率下各 种岩石节理起伏角度岩石节理的强度特征，并提出 考虑不同剪切速率的岩石节理峰值强度模型；之后 又进行了不同剪切变形速率、法向应力和起伏角度 情况下剪切试验，研究了节理破坏模式和刚度特征 及其与起伏角、剪切变形速率和法向应力之间的关 系[16]；沈明荣等[17]通过进行常刚度和常应变速率下 结构面的剪切试验，获取其相应的力学特性，分析 了在这样的力学条件下，其强度、变形等力学特性 的规律，并与常规加载条件下的结构面力学特性进 行比较，提出卸载条件下结构面力学特性的主要特 征，并建立评价剪切强度的拟合公式。张清照等[18] 通过规则锯齿结构面在不同法向应力下的剪切试 验，对其力学特性进行了基础性研究，阐述了规则 锯齿形结构面在剪切条件下力学特性的主要特征及 其力学特性的主要规律。 以上研究主要是侧重于同一岩性岩体中形成的 结构面在宏观及微观上的某些特性，对两侧岩性不 同的结构面研究涉及甚少，如贺建明等[19]对两侧不 同岩性泥岩和灰岩组成的异性结构面进行了不同 粗糙度、不同正应力下的剪切试验，并建立了抗剪 强度准则。鲁祖德等[20]利用室内剪切试验装置，开 展不同正应力、自然与饱水条件下岩体异性结构面 的剪切试验，分析异性结构面的剪切变形和强度特 性，利用 JRC-JCS 抗剪强度力学模型将试验结果与 计算结果进行对比分析，所建立的 JRC-JCS 抗剪强 度力学模型为实际工程岩体的结构面强度提供较为 准确的参数。 国内外大量的工程实践表明[21-25]，几乎所有的 边坡失稳都不是一开始就出现的，通常是由于工程 活动导致边坡体内出现应力重分布，使边坡岩体变 形并在某些结构面或其中的薄弱部位得到逐渐增长 发展，或者，由于地质条件的恶化，导致边坡岩体 中的断续结构面不断蠕变、演化，造成岩体的宏观 断裂而产生新的贯通滑移面，进而最终演变为岩石 边坡的整体滑移失稳破坏。因此认识岩质边坡各种 结构面的物理力学特性及其演化规律，对比分析找 出最软弱结构面，并对其进行合理的利用及改造， 从而达到控制边坡的变形和稳定目的，具有理论和 现实意义，也正是基于岩体边坡的结构面与边坡失 稳的内在关联机制，使得对结构面的研究显得尤为 重要。本文通过对由不同岩性岩体组成的结构面和 同一岩性岩体在有不同填充物时所形成的结构面进 行不同荷载下的剪切试验，从而获取不同结构面相 应的抗剪强度参数，并将试验所得数据综合分析、 对比，进而得出在同种应力作用条件下典型地层中 的最软弱结构面，从而为形成于这种复杂地层中边 坡稳定性的评价提供可靠性依据。 1 地质背景概况 本次试验的结构面样均取自三峡库区秭归县 马家沟滑坡附近。 马家沟滑坡位于湖北省秭归县归 州镇，地处长江左岸卧牛山麓，长江支流吒溪河左 岸，距长江河口 2.1 km。地理位置 N310108 310117，E11041481104210，行政区划隶 属湖北省秭归县归州镇 图 1。 图 1 马家沟滑坡平面位置图 Fig.1 The location of Majiagou landslide 滑坡面积 9.68 km2，体积 127.8104 m3。滑床 及其周边地层为侏罗系上统遂宁组J3S ，主要岩性 ChaoXing 第 5 期 王 姣等 三峡库区侏罗系不同类型结构面抗剪强度对比 63 为石英砂岩、粉砂岩和泥岩，不等厚互层，是三峡 库区侏罗系非常典型的软硬相间地层，岩层倾向均 为 270290，倾角 2535，与滑坡主滑方向相接 近图 2。 岩性为中厚层灰白色长石石英质细砂岩和 褐红色薄层粉砂质泥岩互层，钻孔和探井所揭露滑 床岩体都比较破碎，且裂隙非常发育图 3。 图 2 马家沟滑坡工程地质剖面图 Fig.2 The engineering geological longitudinal profile of Majiagou landslide 图 3 马家沟滑坡软硬相间地层照片 Fig.3 Photo of alternative soft and hard ation near Majiagou landslide 2 直剪试验过程 2.1 试验仪器与样品制备 现场采取试样，将野外所取岩样带回实验室中 分别制取浇注成符合要求的试验样品，所制备的岩 样种类包括泥岩与紫红色砂岩结构面，无填充砂 岩结构面，泥质填充砂岩结构面以及钙质充填砂岩 结构面。每种结构面每组需制备 6 块，加工试验样 品尺寸为 10 cm8 cm4 cm。如图 4 所示为含钙质 充填结构面，经过鉴定可知，该样品主要由呈细纹 层状分布的次角状碎屑石英组成，并且零星分布有 碳质碎片及片状黑云母，空隙式胶结，分选中等， 粉砂细砂结构。 本试验采用 XJ-1 型携带式剪切仪测定岩体结 构面剪切强度参数。该仪器由上、下剪切盒、水平 和垂直向千斤顶以及测微器件和钢丝绳组成。将制 好的试样置于剪切仪的下剪切盒中， 盖上上剪切盒； 图 4 标准结构面试件示意图 Fig.4 Standard discontinuity samples 将油泵与千斤顶连接，稍加垂直和水平荷载，使钢 丝绳拉直，剪断或锯断捆扎试样的铁丝，注意勿 伤及试样，最后，安装垂向和水平百分表，并调零， 即可开始进行试验。 2.2 剪切试验方法 为了研究结构面在加载条件下的力学特性，本 文进行了不同垂直应力条件下 4 种不同结构面的直 剪试验。用垂直加荷系统加载预定的法向荷载，在 加载荷载过程中，分级记录各垂直百分表读数。采 用应力控制法施加剪应力，即将正应力保持恒定， 通过水平千斤顶逐级施加剪应力，每 30 s 加一级， 直至试样剪断破坏，卸除垂直方向荷载，完成实验。 3 剪切试验结果及分析 3.1 强度特性分析 由于室内直剪试验的简易性， 常被广泛的用于研 究结构面的力学特性研究。 从结构面的常规剪切试验 结果可以得到试件发生破坏时的不同应力值。 运用根 据Mohr-Coulomb破坏准则计算出不同结构面加载时 的抗剪强度参数 c 和 φ。图 5图 8 分别为 4 种不同 结构面在不同垂直荷载作用下的剪切特性曲线。 图 5 泥岩与砂岩结构面正应力–剪应力关系曲线图 Fig.5 The normal stress-shear stress relationship for discontinuity between mudstone and sandstone ChaoXing 64 煤田地质与勘探 第 42 卷 图 6 无充填砂岩结构面正应力–剪应力关系曲线图 Fig.6 Normal stress-shear stress relationship for discontinuity in sandstone 图 7 含泥质充填砂岩结构面正应力–剪应力关系曲线 Fig.7 Normal stress-shear stress relationship for discontinuity in clay-bearing sandstone 图 8 含钙质充填砂岩结构面正应力–剪应力关系曲线 Fig.8 Normal stress-shear stress relationship for discontinuity in the calcareous-bearing sandstones 将上述各类结构面的抗剪强度参数 c、 φ 值整理 统计，如表 1 所示为了方便记录及书写，将 4 种结 构面分别记录为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，分别代表紫红色 砂岩与泥岩结构面、无填充砂岩结构面、含泥质充 填砂岩结构面、含钙质充填砂岩结构面。 从图 5图 8 及表 1 可以得出，在加载条件下， 不同类型的结构面具有以下特征 a. 4 种结构面的峰值剪切应力和残余剪切应力 随垂直应力的增加呈线性增长的趋势。 b. 在 4 种结构面中，无充填结构面的黏聚力 c 值最大，而由泥岩与砂岩组成的结构面的黏聚力 c 表 1 4 种不同类型结构面抗剪强度参数计算结果 Table 1 The shear strength parameters of four different types of discontinuities 峰值剪切强度参数 残余剪切强度参数 拟合系数 c/MPaφ/c/MPa φ/ f1 f2 Ⅰ0.240 633.8 0.075 0 33.6 0.927 70.998 2 Ⅱ0.827 136.3 0.237 7 35.3 0.942 40.986 6 Ⅲ0.375 234.1 0.229 8 34.9 0.972 60.984 7 Ⅳ0.302 037.9 0.154 5 32.8 0.997 30.995 3 值最小，重复剪切试验结果满足这样的趋势。 c. 在 4 种结构面中，含钙质充填砂岩结构面的 内摩擦角最大，含泥质充填砂岩结构面的内摩擦角 最小。重复剪切试验中，此规律仍然符合。 3.2 剪切位移曲线分析 根据室内直剪试验结果可以得到不同类型结构 面在不同法向压力作用下的剪应力–剪切位移曲线， 以泥岩与砂岩结构面和含泥质充填结构面为例进行 分析，其剪应力–剪切位移关系如图 9、图 10 所示。 结构面的剪切位移–剪应力关系曲线一般都是 非线性的。 从图 9 和图 10 所示的不同类型结构面在 加载条件下的剪切位移–剪应力曲线关系中， 可以得 出以下结论 图 9 泥岩与砂岩结构面剪应力–剪切位移关系曲线图 Fig.9 The shear stress-shear displacement relationship for discontinuity between mudstone and sandstone ChaoXing 第 5 期 王 姣等 三峡库区侏罗系不同类型结构面抗剪强度对比 65 图 10 含泥质充填砂岩结构面剪应力–剪切位移 关系曲线图 Fig.10 The shear stress-shear displacement relationship for discontinuity in clay-bearing sandstone a. 最初剪切应力随着剪切位移的增加呈线性 增长趋势，斜率与其刚度相关，平均刚度变化不大。 达到峰值强度之后，随着剪切位移的继续增加，剪 应力逐渐降低，最终趋于一定值。结构面在经历不 同剪切变形历史后，剪切应力均不再出现尖峰。 b. 通常，若结构面的粗糙特性保持不变，结构 面抗剪能力与其所受垂向应力成正比。显然，在经 历不同剪切变形历史后，粗糙结构面变得越来越光 滑，粗糙特性呈下降趋势。 c. 对于不同类型结构面在加载条件下的剪应 力–剪切位移曲线来说， 剪应力峰值随着正应力增加 而增加，但由于试验条件的限制及某些人为原因出 现一些异常，如泥岩与砂岩结构面直剪试验中 2.5 MPa 正应力作用下的剪应力峰值高于 4.46 MPa 正应力 作用下的剪应力峰值。 d. 对比同一结构面的两种不同的剪应力–剪切 位移关系曲线可知在重复剪切作用下的剪应力峰 值比初始剪切试验正应力作用下的峰值剪切强度 小。岩体处于复杂的自然环境中，因此会不断遭受 各种地质作用。 4 不同类型结构面边坡实例分析 针对三峡库区侏罗系软硬相间地层的特点， 根 据现场调查情况， 为了实现考虑不同类型结构面 条件下的边坡稳定性计算， 综合概化得到计算模型 图 11。根据其结构面特征，其潜在滑动面有 4 个， 从上至下依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 分别代表含有钙质 充填砂岩结构面、泥岩与砂岩结构面、含泥质充填 结构面及无充填砂岩的潜在滑动面。 图 11 边坡地质结构示意图 Fig.11 The geologic structure of slope 对于单平面滑动的斜坡，其稳定性受倾向与 坡向一致的一组软弱面控制。其稳定性系数计算 公式[26]为 tan4 tansin2 s Rc K Th 式中 γ 为滑体容重；α 为条块底面倾角；c 为滑动 面上的黏聚力；为滑动面上的内摩擦角；h 为坡 顶至滑动面的高度。 为了便于对比分析和计算，假设各结构面的长 度相同，且潜在滑动面与其保持一致。根据滑坡形 态，设定结构面的长度 L10 m，γ 21.14 kN/m3， α35。 将计算所得各结构面的参数分别代入上述稳 定性计算公式中，即可得到 4 种不同结构面的稳定 性系数，统计结果如表 2 所示。 表 2 4 种不同类型结构面稳定性系数计算结果 Table 2 The stability coefficients of four different types of discontinuities 潜在滑动面稳定性系数潜在滑动面 稳定性系数 Ⅰ 1.07 Ⅲ 0.98 Ⅱ 0.96 Ⅳ 1.12 从表 2 可以看出，含泥岩与砂岩组成的结构面 稳定性系数最小，且小于 1，处于不稳定状态。而 ChaoXing 66 煤田地质与勘探 第 42 卷 含泥质充填砂岩结构面的稳定性系数虽然较泥岩与 砂岩组成的结构面稳定性系数大些，但仍然小于 1， 同样属于欠稳定状态。 因此在边坡的勘察与防治中， 应该对含两种结构面的潜在滑动面引起足够的重 视，进行及时防护，避免引起边坡失稳。 一般而言，按照同一类结构面进行顺层同倾向 边坡稳定性分析时，其稳定性系数呈由上至下逐渐 减小的趋势，而本文考虑结构面的差异性时最不稳 定的层面却不一定出现在最下面，第二、第三类结 构面条件下稳定性系数反而小于第四层，说明这两 类结构面稳定性较差，在进行层状岩体稳定性分析 时须注意考虑不同类型结构面的差异性。 5 结 论 a. 通过对比 4 种不同类型结构面试验结果可 知泥岩与砂岩组成的结构面黏聚力 c 值最小，但 内摩擦角 φ 最大，无充填砂岩结构面黏聚力 c 值最 大，含泥质充填砂岩结构面 φ 最小。 b. 根据不同类型结构面剪应力–剪切位移关系 曲线图，剪切应力随着剪切位移的增加呈线性增长 趋势，达到峰值强度之后，随着剪切位移的增加， 剪应力逐渐降低，最终趋于某一定值，剪应力峰值 均随着正应力增加而增加。4 种结构面峰值剪切应 力和残余剪切应力随垂直应力的增加呈线性增长趋 势，剪胀特性已不明显。 c. 通过具体算例可知，在考虑结构面的差异性 时，最不稳定的层面却不一定出现在最下面，第二、 第三类结构面条件下稳定性系数反而小于第四层， 说明这两类结构面稳定性较差，在进行层状岩体稳 定性分析时须注意考虑不同类型结构面的差异性。 参考文献 [1] 孟召平， 陆鹏庆， 贺小黑. 沉积结构面及其对岩体力学性质的 影响[J]. 煤田地质与勘探，2009，37133–37. 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