胶东白垩系泥岩现场岩体抗剪强度试验研究

田利川

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

0 引言

我国胶东地区广泛分布着白垩系上统王氏群，以泥岩为主，夹砂岩及粉砂岩薄层，为缓倾极软岩，具有遇水易软化、膨胀，失水、暴露后易收缩、风化崩解特性。工程实践中该套地层易发生边坡变形垮塌，隧道围岩变形侵限甚至坍塌，严重影响铁路、地铁及大型基坑工程的顺利施工及后期安全运营。

在边坡稳定性分析评价中，岩土体抗剪强度参数的确定是边坡稳定性计算的关键因素之一[1-2]。如果岩土体抗剪强度参数取值不合理，分析评价结果就会与实际情况相差很大，抗剪参数取值过大，边坡施工安全存在隐患，甚至可能造成无法承受的工程事故，而抗剪参数取值过小，可能造成设计施工的浪费。目前岩体抗剪强度参数确定主要分为三类：一是根据现场原位大型直剪试验及室内直剪试验分析选取；二是根据岩体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法进行抗剪强度反演。室内试验存在试样代表性、原状性和尺寸效应等问题，试验所得出的抗剪强度参数往往存在较大偏差[3]；按工程经验和技术规范估算由于其不确定性、经验性、地区性等特点，研究结果可靠性不高；位移反分析方法虽然在岩体参数反演计算中有诸多应用[4-5]，但反演所需参数准确确定是非常困难的。针对大型工程有必要选择典型工点开展现场岩体原位剪切试验，研究区域泥岩岩体抗剪强度指标，对于该区域基坑工程、城市轨道交通工程建设具有重要意义。

1 岩体抗剪强度试验

1.1 试验设计

本次试验采用平推法，在天然条件下进行岩体抗剪断试验和沿剪断面抗剪试验（摩擦试验）[6]，利用某地下空间开挖基坑进行试验。试验制备六块试体，试体大小一致，剪切面积为70 cm×70 cm，试体高度为35 cm，试体底面与岩体相连，试体间距按1.1 m布置，为避免在安装垂直、水平（剪切）加载系统和试验过程中损坏试体，试体加工完成后在试体上浇筑钢筋混凝土保护罩，形成剪切盒。在每块试体两侧布置安装反力锚筋，用以施加垂直荷载；利用既有的基坑围护钻孔灌注桩和后墙施加水平荷载（见图1）。

图1 剪切试验装置图

按照预定垂直荷载和剪切荷载分级加载直至试体剪断，抗剪断试验结束后，用千斤顶把试体推回原位，保持垂直荷载不变，调整设备和测表，沿剪断面进行抗剪试验[7]。在进行完前5 个试体试验经数据处理后发现试体5 试验数据异常，故将试体6 按照试体5 的加载标准进行了重复试验。

1.2 试验参数确定

按照白垩系泥岩强度进行垂直、水平荷载加载方式设计，估算最大垂直荷载约200 kN，设计最大垂直荷载按250 kN 考虑。将最大垂直荷载按照等差或等比分成5 级，分别作为6 个试体的预定垂直荷载。根据公式Qmax=（c+σtanφ）×F，估算每个试体上的不同法向压应力条件下的最大剪应力，按照分级加载进行逐级施加垂直、水平荷载（见表1）。

表1 垂直、水平荷载加载方案

1.3 岩体剪切破坏特征

岩体剪切破坏过程明显分为四个阶段，即弹性变形阶段、微裂隙稳定发展阶段、非稳定发展阶段和破坏后阶段，其破坏总体具有弹塑性破坏特征（见表2）。以试体P6 为例，分析破坏特征可划分为四个阶段。

表2 白垩系泥岩岩体剪切破坏特征表

①弹性变形阶段：在τ-ε关系曲线上，剪切荷载由0 增加至0.14 MPa 时，水平位移由0.06 mm 增加至1.70 mm，该阶段呈近似直线关系，随剪切荷载增加，水平位移成比例增加，试件周围没有裂缝出现，0.14 MPa 为弹性极限。

②微裂隙稳定发展阶段：剪切荷载由0.14 MPa增加至0.18 MPa 时，水平位移由1.70 mm 增加至2.47 mm，试件变形主要表现为塑性变形，试体下部岩体在前缘、右面开始出现微裂隙，并随应力增加而逐渐发展，当荷载保持不变时，微破裂停止发展。由于微破裂的出现，试件体积压缩速率减缓，τ-ε关系曲线偏离直线向纵轴方向弯曲，0.18 MPa 为屈服极限。

③非稳定发展阶段：剪切荷载由0.18 MPa 增加至0.22 MPa 时，水平位移由2.47 mm 增加至3.65 mm，试体下部岩体在前缘、右面微裂隙的发展逐渐加大。由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使剪切荷载保持不变，破裂仍会不断发展，并在试件前缘、右面薄弱部位首先出现破坏区。试件由体积压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增大，试件承载能力达到最大，0.22 MPa 为峰值强度。

④破坏后阶段：剪切荷载达到0.22 MPa 峰值后，降到0.11 MPa，水平位移由3.65 mm 增加至67.83 mm，试件剪切面结构完全破坏，裂隙快速发展，试体下部岩体在前缘右侧薄弱部位破坏加剧，开裂起鼓，0.11 MPa 为残余强度。剪切荷载卸荷后，水平位移有少量回弹。

2 试验成果整理与分析

2.1 成果整理

根据试验过程中的原始记录，计算在各级垂直荷载和水平荷载下的正应力和剪应力，统计各试体累计水平和垂直变形量，舍弃不合理的数据，求得其平均变形量。绘制各法向应力σ下的剪应力τ与剪切变形ε关系曲线（见图2、图3）。

由图2 和图3 可以看出各试体的破坏形式基本为弹塑性破坏。采用图解法确定各法向应力下的抗剪断峰值强度、残余值强度、比例极限强度和抗剪峰值强度（见表3）。

表3 各法向应力下抗剪断、抗剪强度值表

图2 抗剪断τ-ε 关系曲线图

图3 抗剪τ-ε 关系曲线图

根据所选的τ值与相应的正应力σ值，绘制各剪切阶段的法向应力与剪应力关系曲线，抗剪断峰值σ-τ关系曲线见图4，抗剪断残余值σ-τ关系曲线见图5，抗剪断比例极限值σ-τ关系曲线见图6，抗剪峰值σ-τ关系曲线见图7。

图4 抗剪断峰值σ-τ 关系曲线图

图5 抗剪断残余值σ-τ 关系曲线图

图6 抗剪断比例极限值σ -τ 关系曲线图

图7 抗剪峰值σ -τ 关系曲线图

利用库伦表达式τ＝σtanφ+c用图解法确定相应的抗剪强度参数，按曲线的斜率和截距确定内摩擦系数和黏聚力，试验成果见表4。

表4 直剪试验强度参数表

2.2 成果分析

从τ-ε曲线可以分析得出抗剪断在不同的法向荷载下破坏形式大体相同，各岩体试体剪切破坏均属于弹塑性破坏，随着水平推力的增加，变形量不大，近似呈直线型，当水平推力加至一定压力时，试体马上破坏，水平变形突增，峰值强度与残余强度相差较大。其中试体P1 竖向荷载较大，破坏形式与其它试体差异明显，破坏以后，随着水平位移的增加，水平压力会出现增加的情况，分析与剪切面起伏差较大有关。

从σ-τ曲线可以看出，抗剪断峰值和抗剪峰值大都有一定的规律性，本次试验各点分布比较集中，不存在分布较异常的点，可以反映正常情况。

2.3 岩体抗剪强度试验结果

（1）岩体抗剪强度指标确定

试验岩体抗剪断破坏均属于弹塑性破坏，岩体抗剪断强度参数按峰值强度取值，抗剪强度参数按残余强度与比例极限强度二者的小值或抗剪试验的峰值强度取值。因此得出本次试验的最终成果，岩体抗剪断内摩擦系数为1.02、内摩擦角为45.57°，黏聚力为0.079 MPa；岩体抗剪内摩擦系数为0.42、内摩擦角为22.78°，试验黏聚力为0.033 MPa，理论黏聚力为0。

（2）岩体等效内摩擦角计算

岩体等效内摩擦角是考虑黏聚力在内的假象“内摩擦角”[8]，根据岩体抗剪强度指标采用式（1）计算，边坡高度取值5 m、10 m、15 m、20 m、25 m 及30 m时，岩体等效内摩擦角数值见表5。

表5 不同边坡高度岩体等效内摩擦角数值表

式中：φd为岩体等效内摩擦角，（°）；φ为岩体内摩擦角，（°）；c为岩体黏聚力，kPa；γ为岩体的重度，kN/m3；H为边坡高度，m；θ 为岩体破裂角，（45+φ/2）°。

3 室内岩石直剪试验

为了对比原位剪切试验指标和室内岩石试验指标的差异，本次试验取中等风化泥岩岩芯样品进行直剪试验，试验采用快速直剪法进行，将试件置于直剪仪上，试件的受剪切方向应与工程岩体受力方向一致。试件与剪切盒内壁之间的间隙以填料填实，使试件与剪切盒成为一体。预定剪切面应位于剪切缝中部。法向荷载和剪切荷载应通过预定剪切面的几何中心。法向荷载最大值不宜小于工程压力，最大法向应力根据试件抗压强度及节理裂隙发育程度确定，等分5级施加，待每级法向变形稳定后分别施加水平荷载，分10～12 级施加水平荷载，直至试件被剪断。对试验成果进行数理统计，剔除个别异常值，确保变异系数不大于0.3，试验统计结果见表6。

表6 岩石室内直剪抗剪强度参数统计表

由试验结果可以得出，岩石室内直剪试验抗剪强度参数按照标准值取值，内摩擦系数为1.04、内摩擦角为46.12°，黏聚力为0.84 MPa。

对比岩体和岩石的抗剪强度试验结果，二者内摩擦系数和内摩擦角基本一致，岩石黏聚力与岩体黏聚力差异较大，前者数据基本为后者数据的10.6 倍。分析原因主要如下：①室内试验所用岩样代表性较差，且数据样本量偏少，数据的随机性和离散性较大，且在取样运输过程中，扰动较大，失水饱和度较野外原位试样饱和度低，试验测得的抗剪强度参数可靠性差；②试样的尺寸效应，试样的结构面强度常随其尺寸的增大而减小；③试样完整性不同，原位岩体剪切面大，比完整岩石存在更多的结构面，完整性相对较差，试验参数偏低。原位剪切试验应控制垂直应力和剪切应力加载速率、剪切应力加载方向、测量误差等，不管是从尺寸效应、应力状态还是试验体完整程度上考虑，现场原位剪切试验结果均比室内试验结果有较大优势和可信度[9]。

4 结论

（1）胶东白垩系泥岩岩体剪切破坏过程明显分为四个阶段，即弹性变形阶段、微裂隙稳定发展阶段、非稳定发展阶段和破坏后阶段，其破坏总体具有弹塑性破坏特征。

（2）岩体现场直剪试验测得的泥岩岩体内摩擦角与室内岩石直剪试验测得内摩擦角基本一致，岩体黏聚力较岩石黏聚力偏小。

（3）由于结构面性质的复杂性和变异性，室内岩石试验得出的抗剪强度指标随机性和离散较大，从而使得数理统计得到的参数取值具有较大的偏差，同时室内试验由于尺寸效应和试验体完整性与原位试验存在较大差异，不能很好地反映实际情况，而现场岩体抗剪试验剪切面大，岩体保持原状扰动小，所有试体抗剪断强度指标规律性较好，试验得出的岩体抗剪强度参数更能真实反映岩体抗剪强度，更接近于工程实际状态，可用于工程设计和优化。