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岩质边坡结构面抗剪强度参数的实用确定方法研究 刘明维 1 ,2 ,郑颖人 1 1 1 后勤工程学院军事土木工程系,重庆 400041; 21 重庆交通学院河海学院,重庆 400074 摘要对坡高不大、坡体量较小的中小岩质边坡,由于资金和技术条件所限,目前确定岩体结构面 抗剪强度参数大多来自规范和经验,边坡处治往往很难兼顾安全性和经济性。本文对15～30m高岩 质边坡中控稳结构面抗剪强度参数粘聚力c、内摩擦角 在边坡稳定中各自发挥的作用进行了定量 分析。研究表明当坡高小于25m时,抗剪强度参数中c值是边坡稳定的主要控制因素,因而提出 采用现场原位抗切试验确定c值,再结合规范取值确定 值。这种方法通过现场实测确定了主要 参数,同时克服了做大型原位剪切试验时间长和费用高的缺点,是一种经济、实用的边坡结构面抗 剪强度参数确定方法。 关键词岩质边坡;结构面;抗剪强度参数;现场原位抗切试验;安全系数 中图分类号TU457文献标识码A Abstract For middle tosmall rock slopes , the shear strength parameters of discontinuities come mainly from the codes and the engineering experiences due to the limits of technique and cost , therefore , the reinforcement of slopes can hardly meet the requirements of both safety and economy. This paper studies the respective actions of shear strength parameters , cohesioncand internal friction angle, of control discontinuities for 15～30m high rock slopes. The results show that when the height of slope is lower than 25m , the value ofcis the main control factor of the stability for rock slope. So it is proposed to adopt the field anti-slice test to confirm the value ofc and then confirm the value ofaccording to the codes. This is more available to engineering practice be2 cause it obtains the main parameters by field measurements while overcomes the disadvantage of large field shear test that costs more time and money.It is an economical and practical for determining shear strength pa2 rameters of discontinuities. Key words rock slope ; discontinuity; shear strength parameter ; the field anti-slice test ; safety factor 收稿日期 2005205231;修订日期 2005209201 基金项目国家自然科学基金40318002 . 作者简介刘明维1972 - ,男汉族 , 贵州遵义人,讲 师,博士研究生. 1 引言 众所周知,岩体结构面抗剪强度是岩质边坡稳 定性分析中十分重要的力学参数。工程实践中结构 面抗剪强度参数的取值方法主要分为三类一是根 据现场原位大型直剪试验及室内中型直剪试验资料 分析选取;二是根据结构面物理性质及地质特征按 工程经验和相应技术规范进行估算;三是根据边坡 体状态或实测位移,利用极限平衡法或数值分析方 法进行抗剪强度反演。室内中型直剪试验因其试样 代表性、原状性、试验方法的合理性等对试验结果 有较大的影响而受到一定限制。相比之下,现场原 位大型直剪试验可以保证试样的原状性和较大的剪 切断面,试验结果相对可靠,但原位试验设备复杂 因施加竖向荷载和水平荷载、成本昂贵、耗时费 力,一般中、小工程的技术、经济力量不及。按工 程经验和技术规范估算由于其不定量性、经验性、 地区性等特点,研究结果的可靠性不高。位移反分 析方法虽然在岩体参数反演中有诸多应用 [1～4] ,但 反演需要有实测数据,因而岩体结构面抗剪强度参 数反演计算仍很少应用。 对常见中小岩质边坡坡高小于25m ,由于 技术、资金条件的限制,结构面抗剪强度参数更多 的来自于规范和经验,边坡处治往往很难兼顾安全 性和经济性,由此可能造成大量中小边坡工程治理 的浪费或失败。实际上,对常见中小岩质边坡,控 稳结构面c值的变化幅度往往大于 值的变化幅 度,且c值在中小边坡稳定性分析中的作用远大于 值的作用,准确确定c值更具重要性。这为提出 简便易行且准确性更高的岩体结构面抗剪强度参数 6 工程勘察 Journal of Geotechnical Investigation Surveying2006年第5期 确定方法提供了一定的启示。 本文根据极限平衡原理和Mohr-Coulomb破坏准 则,对15～30m高岩质边坡中控稳结构面抗剪强度 参数c、值在边坡稳定中各自发挥的作用进行了 定量分析,进而提出了在现场原位抗切试验确定c 值的基础上,采用规范取值确定 值的参数确定方 法,克服了做大型原位试验时间长和经费昂贵的缺 点,计算出的安全系数范围精度较高,具有较强的 工程实用性。 2 岩体结构面抗剪强度参数c、值对岩质边坡稳 定安全系数的影响分析 211 计算模型及基本参数 算例岩质边坡坡高分别为15m、20m、25m和 30m ,坡体面积分别为11215m 2 、200m 2 、31215m 2 、 450m 2 ,结构面综合倾角约为45,上伏基岩及下伏 稳定层的γ 2317kNΠm3, c 200kPa , 34,基 本模型结构面γ 2017kNΠm3, c 110kPa , 24 。 212 计算结果分析 首先采用极限平衡法Spencer计算边坡安全 系数如表1。为了研究抗剪强度参数c、 值各自 对边坡稳定的影响程度,对每一坡高采取固定c、 值中一参数,而另一参数发生变化的方法进行计 算。各计算工况的模型参数见表2 ,稳定性计算结 果如图1及表3、表4。 不同坡高对应的稳定安全系数表1 序号坡高m坡体面积 m 2 稳定安全系数备注 1151121511750 22020011432c 110kPa 3253121511261 24 43045011150 不同计算工况对应的模型参数表2 计算工况 c值变化 ckPa 计算工况 值变化 ckPa 166618 288721 311024811024 4132927 51541030 不同粘聚力c对应的安全系数表3 坡高m计算项目 24 ckPa 6688110132154绝对值平均最大备注 15 安全系数1132115451175011984212001176021200 误差- 01246- 01117001137012570115101257 20 安全系数11115112681143211585117491143011749 误差- 01221- 01115001107012210113301221 25 安全系数1102111371126111392115311126811531 误差- 01191- 01098001104012140112101214 30 安全系数0194711056111501126113841115911384 误差- 01177- 01082001096012030111201203 误差值的比 较 基 础 为c 110kPa 不同内摩擦角 对应的安全系数表4 坡高m计算项目 c 110kPa 1821242730绝对值平均最大备注 15 安全系数11678117101175011802118551175911855 误差- 01041- 0102300103001060010310106 20 安全系数11334113861143211485115431143611543 误差- 01068- 01032001037010780104301078 25 安全系数11152112061126111325113891126711389 误差- 01086- 01044001051011020105601102 30 安全系数019921107211150112221131111491131 误差- 01137- 01068001063011390108101139 误差值的比 较 基础为 24 从图1可知,总体上看,c值变化引起安全系 数的变化曲线陡于 值变化引起安全系数变化曲 线。随着坡高从15m增加到30m ,c值变化对安全 系数的影响曲线变缓,而 值变化对安全系数的影 响曲线逐渐变陡,表明c值变化对安全系数的影响 程度逐渐减小,值变化对安全系数的影响程度逐 7 2006年第5期工程勘察 Journal of Geotechnical Investigation Surveying 渐增大。 图1 c、值的变化与安全系数的关系 由表3可见,c值在66～154kPa 40 范 围间变化时, 15m高边坡安全系数与基本模型安 全系数的平均误差达到1511 ,最大误差达到 2517 。随着坡高增加,平均误差和最大误差逐渐 降低,但当坡高为25m时,平均误差也达1211 , 最大误差为2114 ,c值变化对安全系数的影响非 常明显。由表4可见,在18～30 间变化时,随着 坡高增加,平均误差和最大误差逐渐增大,但当坡 高小 于25m ,平 均 误 差 仅 为516 ,最 大 误 差 1012 ,均小于c值变化影响程度的1Π2。由此可 见,坡高或坡体量越小,c值对边坡稳定的影响就 越突出,c值稍有变化,安全系数变化较大,可能 影响边坡稳定评价结果或引起边坡治理造价大幅变 化。因此,对小于25m的常见岩质边坡,c值是边 坡稳定的主要控制因素,精确测量c值对计算边坡 安全系数有着重要的工程意义。 3 现场原位抗切试验与规范取值相结合确定中小 岩质边坡结构面抗剪强度参数 311 基本思路 由第2节分析可知,对坡高不大或坡体量较小 的常见岩质边坡,c值是边坡稳定的主要控制因 素。现场原位抗切试验能精确测量c值,而且岩质 边坡的岩壁往往可以作为施加水平荷载的反力架, 操作简单、方便。该方法可克服做原位大型直剪试 验因施加竖向力而带来的资金投入大、花费时间长 的缺点。值可根据结构面物理性质及地质特征按 规范取值,得出的安全系数范围精度通常能满足工 程应用需要。 312 现场原位抗切试验原理 按Mohr-Coulomb原理,试验中采取正应力为零 加载,通过液压千斤顶施加水平推力直至结构面破 坏,将测出的水平推力除以剪切面积,即为粘聚力 c值。 313 试件制备及试验方法 选定试验场地后,在现场人工开槽制成约 50cm50cm35cm的试体。试验采用平推试验方 法如图2 ,切向应力平行作用于层理结构面,并通 过试体剪切面中心。切向应力加载设备选用分离式 专用液压千斤顶,并配相应的标准压力表量程为 0～215MPa ,位移测表选用量程为0～30mm ,精度 为1 的百分表。试验荷载的施加按水利水电工 程岩石试验规程SLJ-81、DL5006-92与SL264- 2001实施[5]。抗剪断试验结束后 ,在相同法向应 力作用下进行抗剪强度试验。试验中可以用位移大 幅度变化和水平荷载无法增加作为试件破坏的标 准。 1、砂浆浇注 2、钢板 3、支垫 4、滚轴排 5、液压千斤顶带标准压力表 6、标点 7、水平测表 8、垂直测表 9、结构面 图2 现场原位抗切试验示意 314 工程实例 某砂岩岩质边坡,临空面坡高18m ,经现场勘 查,表面基本完整,但其间可见一明显结构面,综 合倾角约43,夹棕褐色泥质砂岩碎屑,厚2～ 5mm ,起伏差1～210cm。参照建筑边坡工程技术 规范G B50330-2002 [6] 的分类标准,初步确定 27～35,c 0109～0113MPa。经现场原位抗切试 验,结果如图3、图4所示。同时进行了室内中型 直剪试验,成果整理见表5。 岩体结构面直剪试验成果表表5 组别 抗剪断抗剪 fcMPafcMPa 现场抗切试验0111001075 室内中型试验36165 0174401105341825 0169501075 从试验成果表5可知,现场原位抗切试验结果 与室内中型直剪试验结果较为接近,现场原位抗切 试验值略大于室内中型试验值。这是由于室内中型 直剪试验在试验取样、运输、试件浇筑及放入直剪 仪时都可能产生一定扰动。如果在试件制作中注意 8 工程勘察 Journal of Geotechnical Investigation Surveying2006年第5期 图3 剪应力-剪切位移关系曲线抗剪断 制作、运输和浇筑等工艺,室内试验的结果基本能 反映结构面的真实值。 图4 剪应力-剪切位移关系曲线抗剪 粘聚力c的标准值主要以现场原位抗切试验为 依据确定,内摩擦角 的标准值按室内中型直剪试 验结果确定。根据水利水电工程地质勘察规范 G B50287-99 [7]并考虑试验结果的离散性等因素 ,c 的标准值确定为01093MPa ,的标准值确定为30 。 首先将c 01093MPa、 30 带入边坡进行计 算,得到的安全系数F 11766。然后按现场原位 抗切试验确定的c 01093MPa和规范确定的 27 ～35 进行计算,以及完全按规范确定的 27～ 35 、c 0109～0113MPa计算边坡安全系数如表6。 不同参数确定方法对应的安全系数表6 项目 安全系 数范围 安全系 数平均 安全系数与 其平均值的 最大误差 ① 现场原位抗切试验室 内中型直剪试验 1176611766 ② 现场原位抗切试验规 范取值 1167～1193611803715 ③ 完全按规范取值1149～21112118011713 max abs [②-①]Π①916 max abs [③-①]Π①1916 从表6可知,现场原位抗切试验与规范取值结 合求得的安全系数F 1167～11936。与现场及室 内试验相结合确定值求出的安全系数值最大相差仅 为916 。安全系数范围与其平均值的变动在715 以内。而如果不做现场试验仅仅完全按规范取值, 则求出的安全系数F 1149～21112 ,与现场及室内 试验确定值求出的安全系数值最大相差达1916 。 安全系数范围与其平均值的变动幅度达到1713 。 综上分析,现场原位抗切试验与规范取值相结 合的结构面抗剪强度参数确定方法,在花费试验费 用较少的情况下,求出的安全系数范围精度有较大 提高,在保证边坡治理安全的前提下,降低了工程 造价,带来较大的经济效益,具有较强的工程实用 性。 4 结论 1采用极限平衡分析方法,对15～30m高岩 质边坡中控稳结构面抗剪强度参数c、值在边坡 稳定中各自发挥的作用进行了定量分析。结果表 明,当坡高较小一般坡高小于 25m 或坡体量不 大的情况下,c值是边坡稳定的主要控制因素,精 确测量c值对计算边坡安全系数有着重要的工程意 义。 2工程实例分析结果表明,对常见坡高小于 25m的岩质边坡,采用现场原位抗切试验与规范取 值相结合的参数确定方法在工程应用上是可行的。 该方法克服了做大型原位剪切试验时间长和费用高 的缺点,求得的安全系数范围精度较高,是一种经 济、实用的岩质边坡结构面抗剪强度参数确定方 法。对坡高在15～25m中一些重要的或规模较大的 岩质边坡建议采用上述方法。 参考文献 [1] 孙钧,黄伟.岩石力学参数弹塑性反面问题的优化方法[J ]. 岩石力学与工程学报, 1992 , 11 3 221～229. 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