基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法

第27卷 增2 2008年9 岩石力学与工程学报 V ol.27 Supp.2 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept. ，2008

基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法

向 波1，周立荣2，马建林2

(1. 四川省交通厅 公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041；2. 西南交通大学 岩土工程系，四川 成都 610031)

摘要：岩体结构面抗剪强度是岩质边坡稳定分析的重要参数之一，基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法旨在研究如何合理确定该参数值。结合结构面岩性、粗糙度、充填物和富水程度等特征，将软弱结构面按工程特性划分为5级。在结构面分级基础上，以构造类似和地层岩性组合等条件基本相同的原位剪切试验成果作为基础资料，分别按结构面等级差异和施工扰动影响进行参数修正，确定具体工点的结构面抗剪强度。修正因素包括结构面充填物、结构面起伏情况和粗糙程度、岩壁岩石抗压强度及风化情况、饱水程度、爆破或震动影响等5个方面。经重庆一高速公路顺层边坡工程验证，该方法具有较强的工程实用性，是一种便于推广应用的新型结构面抗剪强度确定法。

关键词：岩石力学；抗剪强度；结构面；原位剪切试验

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)增2–3547–06

DETERMINATION METHOD OF SHEAR STRENGTH BASED ON

CLASSIFICATION OF ROCK STRUCTURE SURFACE

XIANG Bo，ZHOU Lirong2，MA Jianlin2

(1. Highway Survey and Design Research Institute，Sichuan Provincial Department of Communications，Chengdu ，Sichuan 610041，

China ；2. Department of Geotechnical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu ，Sichuan 610031，China )

1

Abstract ：The shear strength of rock mass discontinuity is one of the important parameters for rock slope stabilization analysis. In order to determine the parameters reasonably，a method is proposed on the basis of the classification of rock mass discontinuity. Firstly，the weak discontinuity is classified into 5 levels according to the engineering characteristics，such as the lithology，roughness ，fillings and water abundance. Secondly，based on the classification of rock mass discontinuity，the in-situ shear test results under the similar conditions of structure and lithological combination are adopted as basic data，which are revised according to difference of discontinuity levels and the construction disturbance so as to determine the shear strength of discontinuity at the specific project. The revised factors include fillings，fluctuation and roughness，compressive strength and weathering，water saturation degree，blasting(or vibration). The practicality of the method is confirmed by applying on the bedding rock slope of one expressway in Chongqing. The new method is practical and easy to spread in determining shear strength of rock mass discontinuity.

Key words：rock mechanics；shear strength；discontinuity ；in-situ shear test

1 引 言

岩体结构面抗剪强度是岩质边坡稳定分析的重

收稿日期：2007–06–14；修回日期：2007–08–04

要力学参数，如何合理取值一直是工程界的难题。常用的取值方法主要有3类：(1) 根据试验(原位剪切试验或室内直剪试验) 分析选取。(2) 按规范或估算法选取。规范主要有国标、水利及铁路等行业规

作者简介：向 波(1973–) ，男，1996年毕业于西安建筑科技大学建筑工程系工业与民用建筑专业，现为博士研究生，主要从事岩土工程方面的勘察设计与研究工作。E-mail ：[email protected]

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范，常见的估算法包括Bienawski 的RMR 分类体系法[1]、N. Barton的JRC-JCS 模型法[2]等。(3) 根据坡体极限平衡状态，利用极限平衡法或数值分析进行反演确定。

室内直剪试验因试样代表性和边界条件的限制，难以直接应用。规范和经验估算法是基于特定环境下工程经验的积累，在工程中主要起类比和参考作用。反演分析需要较准确地判识坡体稳定状态，同时需要实测数据、边界条件的支撑，在设计阶段难以获取相关资料。大量岩土工程实践表明，以上3种参数确定法具有明显的应用局限性。原位剪切试验具有扰动小、代表性强、数据可靠的优点，在水利和边坡工程中应用广泛。其缺点是试验数量有限、离散性大。如何进行数据处理、应用一直是岩土工程师思考的问题。尤其在建设场地与试验点地质条件发生差异时，使设计人员感到无所适从。常用的作法是参考规范，或利用估算法，将原位剪切成果进行人为折扣后使用。这种经验性的数据处理极大地降低了原位试验参数的指导作用和利用价值。

实质上原位剪切试验的离散性也反应出结构面抗剪强度“级”的差异，充分分析和利用这些有限的可靠资料是至关重要的。本文提出的结构面抗剪强度确定法是：(1) 首先根据结构面岩壁特性、粗糙度、充填物特征和赋水程度等因素对软弱结构面进行工程分级；(2) 选取与设计工点结构面等级相近的原位剪切试验值作为基础资料，分别按结构面等级差异和(施工) 扰动影响对基础数据进行修正，确定具体工程的结构面抗剪强度。通过重庆一高速公路顺层边坡的实践验证，结构面分级基础上的抗剪强度确定法可以较好地指导工程实践。该方法充分利用了原位剪切试验成果，具有参数可靠、适用性强、经济、节省工期等优点，是一种便于推广应用的新型结构面抗剪强度确定法。

2 岩体结构面的工程分级

“级”的划分除了分门别类外，还包含量或等级的区分。标准[3]和现行公路、铁路规范中的“岩体”、“围岩”的划分都采用此类方法，实践证明“分级”可以较好地指导工程实践。然而，在各种现行规范、规程中岩体软弱结构面通常按“类”划分，

既与国家标准体系不一致，也不利于工程应用。在部分岩石或岩体工程学相关书籍中也有结构面“分级”的探讨，其主要思路是结合区域构造地质条件按结构面规模大小划分[4]。这种“分级”过于宏观，难以指导工程设计、施工。

杨子文等曾于1983年对岩体软弱结构面的工程分级及剪切参数估计进行分析研究，在整理约350组实测资料基础上提出分级评定标准。本文结合国家标准、规范分级体系和杨子文等的研究成果[5

～15]

，在考虑结构面抗剪强度主要因素基础上，

对工程建设中常见的结构面进行“分级”。

岩体软弱结构面的成因、性质均有极大的差异，其抗剪强度往往相差悬殊。主要影响因素有：(1) 结构面两侧岩壁岩性、强度及风化程度；(2) 结构面的粗糙度；(3) 结构面间有无充填物以及充填物的性质和厚度；(4) 地下水赋存条件及充填物质的含水程度。结合上述因素，将岩体软弱结构面划分为如下5级：

(1) I 级，岩石为坚硬岩类，饱和抗压强度R c ＞60 MPa，微～弱风化，结构面连通，岩壁粗糙，紧密闭合，无任何充填物质，结构面不富水。

(2) II 级，岩石为坚硬～较坚硬岩类，R c =60～30 MPa，弱风化，软弱结构面连通，闭合～微张，岩壁较粗糙，岩壁部分直接接触，部分为物质充填，充填物一般为强度较高岩屑或角砾，结构面不富水；断层影响带、挤压紧密的压碎岩带和片麻岩构造带等。

(3) III 级，岩石为较软岩，R c =30～15 MPa，风化明显，软弱结构面连通，其间为各种成因的岩屑及其他物质充填，泥质含量重，充填物起控制作用，富水程度较高；或为紧密接触的层面、整合面、以及千枚岩、片岩、板岩、泥岩等的片理面、劈理面及页理面。

(4) IV 级，岩石为软弱岩类，R c =15～5 MPa，强风化，结构面连通，岩壁间有各种成因的泥膜或为非黏性夹层，具有很薄的泥化层面，断层糜棱岩带等，其中泥化夹层起控制作用。

(5) V 级，岩石为极软岩，风化剧烈，软弱结构面连通，其间为各种成因的蒙脱土、高岭土、伊利石及水云母等黏性夹层所充填，夹层较厚，滑动时夹泥层起控制作用。

限于研究深度有限，以上分级标准主要以定性

第27卷 增2 向 波，等. 基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法 • 3549 •

判断和半定量划分为主。分级标准的后续研究应该加入更多的定量指标，以减少人为经验判识误差。

3 基于结构面分级的抗剪强度确定法

3.1 结构面抗剪强度影响因素

显然，结构面分级的因素直接影响结构面抗剪强度。此外，根据大量工程实践，边坡开挖后的结构面抗剪强度往往比原位剪切试验值低很多。除地质条件不完全相同外，影响结构面抗剪强度因素还包括以下几方面：爆破震动、开挖卸荷、地表水或裂隙水浸润软化、风化作用等。

综上所述，可将影响结构面抗剪强度的主要因素划分为2个部分：

(1) 结构面分级因素：结构面间有无充填物，充填物性质、厚度和连续性是否起控制作用；结构面的起伏情况和粗糙程度(包括层状岩的波状起伏) ；结构面岩壁的岩性、强度(指标低的一壁) 及风化程度；饱水程度。

(2) (施工) 扰动情况：包括爆破振动、长期暴露加剧风化、地下水浸润作用。

以上因素中，起控制作用的通常是充填物的性状和结构面的粗糙程度。但在特定环境下，其它某个特定因素也会起控制作用。譬如，大爆破施工将大幅降低结构面凝聚力；坡体开挖后长久暴露，结构面受下渗水流浸润、软化，加上风化作用，强度也会显著降低。

3.2 结构面抗剪强度确定原则

在分级基础上，结构面抗剪强度确定法为：以构造类似和地层岩性组合基本相同的原位剪切成果作为基础资料，按照具体工点与基础资料的结构面分级差异及(施工) 扰动影响两方面进行修正，确定具体工程的结构面抗剪强度。

结合结构面分级，抗剪强度确定原则为： (1) 采用构造相似、岩性组合基本一致、结构面分级相近的原位剪切试验成果作为基础数据。试验成果应首先进行分析整理，剔除错误值。

(2) 硬性结构面与软弱结构面性质差异过大，一般不相互修正。即I ，II 级对应参数不向IV ，V 级修正，反之亦然。

(3) 按照结构面分级因素和(施工) 扰动影响2

个部分进行修正。经汇总整理，主要包括以下5方面：结构面充填物特征、结构面起伏情况和粗糙程度、岩壁强度指标及风化程度、饱水程度、施工扰动（爆破）。按结构面因素修正应考虑前3项要素，按施工影响修正主要考虑后3项影响。

(4) 当结构面全部由黏性土充填，厚度大于2 mm 或充填度(充填物厚度d 与结构面平均起伏差h 之比) 大于2时，结构面抗剪强度应由充填物确定，不能采用修正系数法确定结构面抗剪强度。 3.3 结构面抗剪强度确定方法

按结构面分级因素修正时，拟开挖边坡的结构面抗剪参数c ，tan ϕ分别按下式确定：

c =C (1-K 1c -K 2c -K 3c -K 4c ) (1) tan ϕ=tan ψ(1-K 1-K 2ϕ-K 3ϕ-K 4ϕ) (2)

按施工影响修正时，强度参数按下式确定：

c =C (1-K 3c -K 4c -K 5c ) (3) tan ϕ=tan ψ(1-K 3ϕ-K 4ϕ-K 5ϕ) (4)

式(1)～(4)中：C ，ψ为原位剪切数据；K ic ，K i ϕ(i =

1～5) 为考虑不同影响因素的修正系数。

在统计、分析西部地区部分水利、公路、铁路结构面原位试验值和实际应用值基础上，考虑结构面充填物、结构面起伏情况和粗糙程度、岩壁岩石抗压强度及风化情况、饱水程度、爆破或振动影响下的修正系数K 1～K 5详见表1～5。

大量工程实践表明，施工爆破或震动因素对结构面黏聚力影响非常大，对ϕ值影响相对较小，不少学者正在进行此方面的相关研究。表5中施工爆破或震动修正系数K 5主要根据工程经验确定。

4 工程实例

西南地区重庆一高速公路通过铁峰山背斜南东翼，路线走向与区域构造线基本一致，岩层产状为

154°～223°∠24°～36°，沿线顺层路段长达30余千米，岩性为侏罗系中统沙溪庙组砂泥岩互层。鉴于顺层堑坡为本路段主要工程地质问题，勘察设计期间选取了5个有代表性路段进行原位剪切试验，并在详细调查测绘基础上进行了结构面等级划分。试验点基本情况、抗剪参数及结构面分级详见表6。

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表1 结构面充填物修正系数K 1 Table 1 Revising parameter K 1 according to filled material of

structure surfaces

结构面工程分级 充填物特征 K 1c K 1ϕ I 级

结构面连通，岩壁紧密结 合，无充填物

结构面连通，岩壁部分充

0.10～0.20

0.10～0.20

II 级

填，充填物为挤压或构造破

碎岩块

结构面连通，其间为各种成

0.20～0.30

0.10～0.30

III 级

因的岩屑或其它物质充填， 岩屑等充填物起控制作用 结构面连通，其间有各种成

IV 级

因的泥膜，很薄的泥化层0.20～0.30

0.10～0.20

面、断层糜棱岩。薄夹层起 控制作用

结构面连通，其间为各种成

V 级

因的蒙脱土、高岭土、伊利0.20～0.40

0.15～0.35

石、水云母等黏性夹泥充填，夹泥层起控制作用

注：当满下述条件时，结构面抗剪强度应以充填物抗剪强度确定。(1) 对平直的结构面，黏土质夹泥层厚度大于2 mm。(2) 非平直结构面充填度(充填物厚度d 与结构面平均起伏差h 之比) 大于2。

表2 结构面起伏情况和粗糙程度修正系数K 2 Table 2 Revised parameter K 2 according to fluctuation

situation and roughness of the structure surfaces

结构面工结构面起伏情况及

程分级 粗糙程度

K 2c K 2ϕ I 级 岩壁相互紧密咬合，呈镶嵌状

II 级 结构面起伏显著，岩壁相当粗糙

0.10～0.30 0.10～0.20

III 级 结构面平坦但粗糙，或有较大起伏

0.10～0.20 0.10～0.20IV 级 结构面平整，光滑，略有起伏 0.10～0.20 0.20～0.35V 级

结构面光滑、平直

0.10～0.20 0.10～0.20

表3 结构面岩壁岩石抗压强度及风化情况修正系数K 3 Table 3 Revised parameter K 3 according to compressive

strength and weathering situation of rock

结构面工程分级 岩壁岩石抗压强度及风化情况 K 3c K 3ϕ I 级 岩质坚硬，抗压强度＞60 MPa， 微～弱风化，k f ＞0.8

II 级 岩质较坚硬，抗压强度＞30 0.00 0.00 MPa ，弱风化，k f = 0.4～0.8 III 级 岩质较软，抗压强度＞15 MPa，0.10～0.20 0.10～0.20强风化，k f = 0.3～0.4

IV 级 软岩，抗压强度＞5 MPa，强风0.10～0.20 0.10～0.30化，k

f =0.2～0.3

V 级

极软岩，抗压强度＜5 MPa，全、0.10～0.20 0.10～0.20

强风化，k f ＜0.2

注：k f 为风化系数，表示风化岩石与新鲜岩石的饱和单轴抗压强度之比。

表4 结构面饱水修正系数K 4

Table 4 Revised parameter K 4 according to moisture degree of

the structure surfaces

结构面工程分级结构面富水情况

K 4c

K 4ϕ

I 级 II 级 III 级 饱水或水流长期浸润结构面 0.10～0.30 0.15

IV 级 V 级

表5 爆破或振动修正系数K 5

Table 5 Revised parameter K 5 according to demolition or

vibration

结构面工程分级

K 5c

K 5ϕ

I 级 II 级 III 级 0.4 0.1 IV 级

V 级

根据工点试验成果及结构面分级，分别整理出路线通过区砂泥岩层面IV ，V 及IV 级饱水状态下的抗剪强度试验值。IV 级结构面剪切参数采用

K163+680，K191+650(天然) ，K199+220三工点平均值，即C = 0.124 MPa，tan ψ=0.586(ψ=30°37') ；

IV 级(饱水) C = 0.076 MPa，tan ψ=0.521(ψ=27°31') ；V 级C = 0.040 MPa，tan ψ=0.271(ψ=15°10') 。 4.1 结构面分级间的参数修正

对于表6得出的IV 级、IV 级饱水、V 级软弱结构面的抗剪强度参数，分别按不同结构面分级和扰动影响作用下进行参数修正。

(1) 考虑结构面等级因素的修正

IV 级结构面试验值向V 级修正，并将修正值与V 级试验值对比。根据结构面特征，查取表1～3中的修正系数：K 1c =0.30，K 1ϕ=0.25；K 2c =0.15，K 2ϕ=0.15；K 3c =0.15，K 3ϕ=0.15。由于结构面特

征没有发生显著差异变化，修正系数均选取中间值。

IV 级向V 级修正值：c =0.124⨯(1-K 1c -K 2c - K 3c ) =0.049 6 MPa，tan ϕ=0.586⨯(1-K 1ϕ-K 2ϕ- K 3ϕ) =0.260(ϕ=14°46') 。

修正值与V 级实测值C = 0.040 MPa，tan ψ=

第27卷 增2 向 波，等. 基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法 • 3551 •

表6 重庆一高速公路原位剪切试验参数及结构面分级一览表

Table 6 In-situ sheared test results and structure surface classification of Chongqing expressway

试验点位置 工点概况

剪切面上部为灰白色砂岩，天然抗压强度24.4 MPa，饱和抗压强度18.5 MPa；下部为紫红色

原位试验成果 C = 0.144 MPa， tan ψ = 0.544 (ψ = 28°33') C = 0.040 MPa， tan ψ = 0.271 (ψ = 15°10') C = 0.101 MPa， tan ψ = 0.632 (ψ = 32°17') C ＝0.076MPa ， tan ψ = 0.521 (ψ = 27°31') C = 0.128 MPa，tan ψ = 0.582 (ψ= 30°12')

结构面分级

K163+680

泥岩，天然抗压强度7.1 MPa，饱和抗压强度4.7 MPa，岩层产状192°∠32°。层面贯通，剪断面较光滑，较干，有一层0.0～2.0 cm泥岩，表面强风化呈泥状，遇水易软化，剪切面起伏差0.0～1.5 cm

剪切面上部黄色砂岩，天然抗压强度6.2 MPa，饱和抗压强度3.3 MPa；下部紫红色泥岩，天

IV

K167+210 然抗压强度5.7 MPa，饱和抗压强度3.7 MPa，岩层产状223°∠25°。层面贯通，剪断面间有灰白色夹褐色黏性土薄层，厚0.8～3.0 cm，较光滑，较湿，剪切面起伏差0.0～2.0 cm

V

K191+650 (天然剪切)

剪切面上部灰白色砂岩，天然抗压强度7.4 MPa，饱和抗压强度5.3 MPa；下部为紫红色泥岩，天然抗压强度6.7 MPa，饱和抗压强度5.1 MPa，岩层产状168°∠36°。剪断面较为不平，局部有泥岩碎片，强风化，剪切面起伏差0.0～3.0 cm，较干

剪切面上部灰白色砂岩，天然抗压强度7.4 MPa，饱和抗压强度5.3 MPa；下部为紫红色泥岩，天然抗压强度6.7 MPa，饱和抗压强度5.1 MPa，岩层产状168°∠36°。剪断面较为不平，局部有泥岩碎片，强风化，剪切面起伏差0.0～3.0 cm，较干

剪切面上部为灰白～褐色砂岩，天然抗压强度30.8 MPa，饱和抗压强度23.4 MPa；下部为紫

IV

K191+650 (饱和剪切)

IV

K199+220 红色泥岩，天然抗压强度7.4 MPa，饱和抗压强度4.9 MPa，岩层产状154°∠24°。剪断面较光滑，稍湿，有少量泥岩碎片，强风化，剪切面起伏差0.0～4.0 cm

IV

0.271(ϕ=15°10') 吻合良好，表明修正系数较好地 反应了结构面不同级别间的工程地质条件差异。

爆破震动、坡面水浸润、泥岩层面的风化作用。

按照上述结构面强度确定法，由于结构面无分级差异，只考虑施工条件影响下的参数修正。此处以IV 级结构面的原位剪切试验值作为基础数据，进行相关修正。

(2) 考虑饱水作用下的参数修正

此处的扰动影响仅有试验的饱水条件发生差异，采用IV 级天然状态向IV 级饱和条件修正。

因只有饱水条件发生变化，K 4c =0.30，K 4ϕ=

K 3c =0.15，查表3～5得：K 4c =0.20，K 3ϕ=0.15；K 4ϕ=0.15；K 5c =0.40，K 5ϕ=0.10。

0.15。由于饱水充分，K 4c 选取极大值。

IV 级天然状态向IV 级饱和条件修正值：c = 0.124×(1-K 4c ) =0.087 MPa，tan ϕ=0.586⨯(1- K 4ϕ) =0.498 (ϕ=26°28') 。

边坡结构面抗剪强度修正值：c =0.124⨯(1-

K 3c -K 4c -K 5c ) =0.031 MPa，tan ϕ=0.586⨯(1-K 3ϕ- K 4ϕ-K 5ϕ) =0.350(ϕ=19°22') 。

修正值与IV 级饱和条件下实测值C = 0.076 根据以上4个边坡失稳蠕滑时的实测断面反演，边坡结构面的抗剪强度参数反演平均值为c =

MPa ，tan ψ=0. 521(ψ=27°31') 吻合较好，表明修正系数能较好地反应扰动作用(饱水条件) 对结构面抗剪强度的影响。

4.2 考虑施工影响修正值与反演值的验证

项目在施工过程中，K163+560～K163+680，

0.029 MPa，tan ϕ=0.384(ϕ=21°) 。结果表明，修正值与反演值匹配良好，采用结构面分级为基础的强度确定法可以较好地应用于工程实践。

K182+525～K182+600，K185+175～K185+305，K199+220～K199+400顺层边坡在堑坡开挖形成临空面后，因暴露时间较长，均发生了沿层面失稳。以上工点有两处曾进行过原位剪切试验，其余工点与试验点相隔不远，各场地均具有类似的工程地质条件。根据现场调查分析，上述4个工点的结构面均为IV 级，与原位试验的主要差异在于开挖边坡受

5 结 论

通过以上分析研究，结论如下：

(1) 为指导工程实践，有必要对常见的结构面进行工程分级。在综合考虑结构面贯通情况、岩壁岩性和强度特征、充填物性质、岩壁粗糙度和风化条件等因素基础上，将结构面划分为5级。

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(2) 结构面分级基础上的抗剪强度确定法采用原位剪切试验成果作为基础数据，分别按照结构面分级因素和(施工) 扰动影响两部分进行参数修正。修正因素包括：结构面充填物特征、结构面起伏情况和粗糙程度、岩壁强度指标及风化程度、饱水程度和施工爆破。按结构面分级修正应考虑前3项要素，按施工扰动影响修正主要考虑后3项影响。

(3) 按照强度确定法分别对重庆某高速公路顺层边坡进行了原位剪切试验值间的参数修正、原位剪切试验参数与反演值的对照验证。结果表明：该法能较好地反应不同结构面等级、不同(施工) 扰动条件下的抗剪强度差异，可较好地指导工程实践，是一种便于广泛推广的实用计算方法。

(4) 限于研究深度，本文介绍的结构面工程分级尚以定性为主，辅以定量指标判断，分级标准的后续研究应该加入更多的定量指标，以减少人为经验判识误差。此外，强度确定法中的修正系数必须以大量试验资料和工程实践为基础，本文修正系数的合理性、适用性还需结合场地区域地质构造、具体工程条件进一步验证、完善。

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